Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни
Шрифт:
Чужеродная ДНК проникает в геном E. coli несколькими путями. Часть ее передается с плазмидами — крохотными кольцевыми ДНК. Часть приносят заражающие E. coli вирусы — иногда всего один — два гена, иногда десятки. Эти генные кассеты, как их иногда называют, представляют собой отнюдь не случайную последовательность нуклеотидов. Как правило, они содержат всю генетическую информацию, необходимую для построения сложной структуры, такой, например, как «шприц» для впрыскивания токсинов. Чужеродные гены становятся частью генома одного из штаммов E. coli и в дальнейшем передаются по наследству от поколения к поколению. А с тонкой настройкой полученных извне генов под конкретный образ жизни бактерии справляется и обычный механизм естественного отбора. Бывает и так, что происходит горизонтальный перенос генов
Следует отметить, что вирусы быстро теряют прежнюю репутацию незначительных паразитов. Вирусы — самая многочисленная форма жизни на Земле; их численность в настоящее время оценивается приблизительно в 10 особей — миллиард миллиардов триллионов! Не исключено также, что большая часть разнообразия генетической информации заключена в геноме вирусов. Только в кишечнике человека обитает, по оценкам ученых, около 1000 видов вирусов. А поскольку вирусы способны переносить гены хозяина и встраивать их в ДНК других хозяев, они таким образом создают своеобразную эволюционную матрицу, посредством которой ДНК может передаваться от одного вида другому. Согласно одной из оценок, в океане вирусы передают гены новым хозяевам 2 квадриллиона раз в секунду.
По странному совпадению как раз в то время, когда ученые открывали для себя эволюционное значение вирусов, компьютерщики создали хороший аналог, наглядно демонстрирующий способ их действия. В конце 1990–х гг. в Америке сформировалась группа компьютерных программистов, которых откровенно не устраивали медленные темпы развития программного обеспечения. Корпорации, конечно, разрабатывали новые программы, но при этом тщательно следили за тем, чтобы никто посторонний не увидел их исходного текста. Развитие таких программ могло идти только в рамках корпорации — владельца — и шло медленно, а то и вовсе прекращалось. В 1998 г. эти несогласные компьютерщики выпустили манифест, в котором выступили за создание ПО на новых принципах, которое они назвали программным обеспечением с открытым исходным кодом. Они начали писать программы, полный текст которых был доступен всем желающим. Другие программисты могли переделывать их, как им вздумается, или объединять части разных программ в одну, совершенно новую. Представители движения за программы с открытым кодом предсказывали, что такой неконтролируемый обмен фрагментами текста позволит быстрее разрабатывать качественные и разнообразные программы. Исследования показали, что устранение недоработок и ошибок в программах с открытым кодом тоже идет быстрее, чем в закрытых корпоративных системах. В настоящее время программное обеспечение с открытым кодом — уже не манифест, а реальность. Даже крупные корпорации, такие как Microsoft, начинают открывать миру некоторые свои программные разработки.
В 2005 г. микробиолог из Университета Джорджии Энн Саммерс с коллегами пустила в оборот новый термин для эволюции, главной движущей силой которой служит горизонтальный перенос генов: она назвала это явление эволюцией с открытым кодом. Вертикальный перенос генов и естественный отбор работают примерно как корпоративная команда разработчиков программ; подробности их нововведений скрыты от общества. Горизонтальный перенос генов позволяет E. coli захватывать кусочки программного кода и тестировать их в своей операционной системе. В некоторых случаях новая комбинация означает катастрофу для организма. Программа отказывает, и организм погибает. Но в других случаях дальнейшая тонкая настройка, которую проводит естественный отбор, позволяет новому сочетанию генов работать — и не просто работать, а работать хорошо. Позже этот улучшенный кусочек может попасть в геном еще какого-нибудь организма и совершенствоваться дальше.
Если судить по E. coli, у движения за открытый код блестящее будущее.
Откуда берутся убийцы
Наряду с множеством усовершенствований для человека эволюция с открытым кодом означает множество новых болезней. Когда Киёси Сига открыл шигеллу, он считал ее отдельным видом, и несколько поколений ученых после него также рассматривали эту бактерию как отдельный вид. Только в 1990–е гг., начав разбираться в геноме, исследователи поняли, что на самом деле шигелла — всего лишь особенно зловредная для человека форма E. coli. Детальное сравнение показало, что шигелла — это множество различных штаммов, причем многие из них ближе к безобидным штаммам E. coli, чем к своим собратьям, другим штаммам шигеллы. Иными словами, Shigella не является биологическим видом. Это даже не штамм. Это, скорее, форма существования, к которой пришли несколько
Как правило, штаммы шигеллы стали результатом развития менее изощренных паразитов. Их предки закреплялись на поверхности клеток кишечного эпителия и вводили внутрь клетки — хозяина химические вещества, которые заставляли ее выпустить наружу часть содержимого. (Многие штаммы E. coli и сегодня ведут примерно такой образ жизни.) Со временем предки шигеллы обзавелись новыми генами, которые позволили им внедряться в клетки и двигаться внутри них, избегая таким образом внимания иммунной системы и манипулируя ею. Все эти инновации появились не одномоментно и не у одной линии E. coli. Это происходило много раз.
Следует заметить, что для шигеллы важны не только те гены, которые она приобрела в процессе эволюции, но и те, что потеряла. К примеру, жгутики, конечно, прекрасно подходят для путешествия по кишечнику, но бесполезны внутри клетки — хозяина. В результате ни один из штаммов шигеллы не умеет образовывать жгутики, хотя у них и сохранились блокированные версии необходимых для этого генов. Кроме того, у шигеллы имеются блокированные гены для расщепления лактозы и других сахаров, которыми она давно уже не питается. Отказалась она и от фермента под названием кадаверин, который другие штаммы E. coli производят для защиты от кислоты. (Другие бактерии производят эту отвратительно пахнущую субстанцию при питании тканями трупа — отсюда и название.) Для шигеллы кадаверин попросту вреден, потому что он замедляет миграцию иммунных клеток сквозь стенку кишечника. Шигелла же заинтересована в миграции этих клеток — ведь через проходы, открываемые иммунными клетками, она проникает в ткани кишечника, где и внедряется в клетки. В результате у всех штаммов шигеллы один из генов, необходимых для синтеза кадаверина, отключен.
Другие штаммы E. coli произвели на свет целый набор патогенных микроорганизмов, и их геномы до сих пор несут следы этой трансформации. Горизонтальный перенос, потеря генов и естественный отбор тоже сыграли свою роль в этих процессах. Ученые, изучающие E. coli 0157: Н7 — штамм, которым человек может заразиться, съев, к примеру, загрязненные шпинат или гамбургер, — восстановили эволюцию этой бактерии практически шаг за шагом. Ее предки были далеко не так патогенны, но около 55000 лет назад они были инфицированы целым набором вирусов, каждый из которых добавил новое оружие к арсеналу бактерии. К примеру, ген, кодирующий сильнодействующий токсин, который делает штамм E. coli 0157: Н7 столь опасным, располагается между генами вируса. Этот вирус встроился в геном E. coli совсем недавно, поэтому он все еще производит новые вирусы, которые способны покидать бактериальную клетку.
Однако ученые, исследующие E. coli 0157: Н7, столкнулись со странным парадоксом. Другие болезнетворные штаммы E. coli, такие как Shigella, очень хорошо адаптированы к жизни в организме человека и редко обнаруживаются в организме других видов. Но с E. coli 0157: Н7 все наоборот. В организме человека она появляется редко (за что мы определенно можем быть ей благодарны), зато прекрасно себя чувствует в кишечнике коров и других домашних животных. Для нас она может оказаться смертельной, им же не наносит никакого вреда. Иными словами, к этим животным она адаптирована как безвредный жилец — нахлебник. Тот факт, что токсины E. coli 0157: Н7 вызывают у человека смертельно опасную болезнь, — всего лишь эволюционная случайность, ведь мы не являемся для нее обычными хозяевами.
Но если E. coli 0157: Н7 производит токсины не для того, чтобы использовать нас, то зачем она вообще носит в себе эти гены? Исследователи предположили, что бактерия вырабатывает этот токсин, чтобы помочь животному- хозяину. Ученые из Университета Айдахо обнаружили, что овцы, инфицированные E. coli 0157: Н7, лучше противостоят вызывающим рак вирусам, чем овцы без этого штамма. Может быть, E. coli 0157: Н7 стимулирует иммунную систему овец, а может, даже вызывает самоубийство клеток, зараженных канцерогенным вирусом, прежде чем они успевают образовать опухоль. Но возможно, что этот токсин — средство защиты самой бактерии. Может быть, при атаке простейших на колонию E. coli именно тем, кто вырабатывает этот токсин, удается отбиться от хищников.