Популярно о микробиологии
Шрифт:
Каждый, кто видел зеленый налет на поверхности заплесневелого продукта, может считать, что он знаком с проблемой выращивания микроорганизмов на твердых средах. Однако такой метод несовершенен, поскольку многие микробы требуют для своего роста сложных по составу сред. Кроме того, быстро подсыхая, натуральные среды не дают возможности поддерживать культуру достаточно долгое время. Впервые твердые питательные среды с использованием желатины были предложены Р. Кохом. Жидкие питательные среды при добавлении желатины легко превращались в твердые, на поверхности которых хорошо развивались микроорганизмы. Желатина, однако, легко расщеплялась ферментами микроорганизмов и разжижалась. Таким образом, основное преимущество исчезало, и среда вновь становилась жидкой. Впоследствии желатина была заменена агаром — полисахаридом, выделяемым из водорослей. Агар значительно реже разжижается микроорганизмами и представляет незаменимую находку для микробиологии. Несмотря на огромные успехи химии, найти лучшее вещество для создания твердых или, как принято говорить, агаризованных сред, пока никому не удалось. Естественно, что микроорганизмы существенно различаются по своим потребностям в питательных веществах, поэтому, несмотря на общую агаровую основу, среды по составу значительно разнятся между собой.
Пробирки с застывшей в наклонном состоянии агаризованной средой представляют собой самый распространенный вариант хранения культур микроорганизмов. Однако такие выращенные на скошенном агаре культуры тоже необходимо периодически пересевать на свежие среды. Когда микробиологи научились выделять из природных смесей микроорганизмы только одного вида, со всей остротой встала проблема их сохранения. Пока число полученных чистых культур микроорганизмов не превышало нескольких десятков на каждого исследователя, самостоятельно занимавшегося их выделением, поддержание культур в жизнеспособном состоянии не представляло большой сложности. Однако, как только количество выделенных культур значительно возросло, сохранение их в жизнеспособном состоянии превратилось в серьезную проблему. Однажды выделенные и описанные культуры в отсутствие должного ухода гибли, заражаясь сопутствующей микрофлорой, что сводило на нет затраченные в свое время усилия по их выделению.
Первый центр по сбору и поддержанию микробных культур был создан в Голландии в 1907 г. На смену мелким лабораторным коллекциям пришли крупные, ставившие перед собой задачи по сбору, поддержанию в жизнеспособном состоянии и изучению большого числа различных микробных культур.
Методы хранения, применявшиеся до недавнего времени, основаны на периодическом обновлении популяции клеток путем пересева культур на свежие среды. Если их состав хорошо подобран, то культура сохраняет не только жизнеспособность, но и свои специфические свойства, будь то способность к сверхсинтезу каких-либо ценных веществ, умение расти на определенных субстратах или другие физиолого-биохимические свойства.
И все же, несмотря на тщательно подобранный состав среды, после многократных пересевов культуры микроорганизмов утрачивали некоторые специфические свойства, которые представляли основной интерес для исследователей или практиков.
В связи с этим возникла необходимость поиска новых методов сохранения культур. Их суть должна была состоять в максимальном замедлении процессов метаболизма при одновременном сохранении жизнеспособности культуры. Это было достигнуто либо ее хранением при пониженных температурах, включая и сверхнизкие (жидкий азот -186 °C), либо лиофилизацией (сушкой из замороженного состояния). Оба метода приводят к максимальному замедлению процессов метаболизма, а методика обратного перевода законсервированных культур в жизнеспособное состояние позволяет даже после длительного хранения получить культуры с тем же набором исходных физиолого-биохимических свойств.
В настоящее время в коллекциях культур во всем мире насчитывается свыше 70 000 различных микроорганизмов, и это количество постоянно увеличивается. 70 000 культур представляют собой уникальный набор возможных вариантов для получения не только культур-сверхпродуцентов для микробиологической промышленности, но и дают возможность получения методами генетической инженерии совершенно новых организмов с невиданными в природе свойствами. По образному выражению одного из ученых, «…в коллекции культур (имеется в виду американская коллекция микроорганизмов — одна из крупнейших в мире) заключается больше богатств, чем в кладовых всех банков Соединенных Штатов».
Результаты, добытые скрупулезным трудом микробиологов, не пропадают даром, а до поры хранятся в банке и ждут своего часа, чтобы начать платить человечеству большие проценты.
Глава 17
Честолюбивые планы Урфина Джюса и Крейга Вентера
Создание жизни — путь к пониманию природы и самой жизни.
Урфин Джюс из повести-сказки Александра Волкова превращал неживые предметы в живые с помощью чудесного порошка неизвестной природы и таинственного происхождения.
Злому и недалекому Урфину Джюсу было неважно, каким образом деревянные чурбаки становятся живыми. Он просто использовал их в своих честолюбивых планах по завоеванию королевства.
Честолюбие ученых направлено в другую сторону. Их интересует происхождение жизни, что отличает живую материю от неживой и как функционируют живые организмы. Наука о происхождении живого прошла огромный путь: от представлений древних, что мыши заводятся в грязном белье, а мухи зарождаются из тухлого мяса, до современных успехов молекулярной биологии и генетической инженерии. Вехами на этом славном пути являются работы Ф. Реди, Г. Менделя, Л. Пастера, Т. Шванна, И. Мечникова и многих других.
Изучая живые организмы, разделяя их на системы и подсистемы, обеспечивающие жизнь, наблюдая, как они работают, мы все больше понимаем, как они организованы и как функционируют.
И действительно, мы знаем химический и биохимический состав живой клетки, нам известно, из каких функциональных частей она состоит и каким образом они связаны друг с другом, — так нельзя ли попробовать создать живое из неживого, используя все наши знания?
В соревнование за овладение этим секретом природы включились многие лаборатории мира. Команда из 20 ученых, собранных Крейгом Вентером, построила синтетическую хромосому, состоящую из 381 гена. Одним из способов вдохнуть жизнь в созданный в лаборатории геном является его перенос в оболочку микроба, содержащего минимальный набор генов, благодаря которому клетка может осуществлять основные жизненные функции.
Одной из задач ученых, работающих над этим проектом, было установить минимальный набор генов (house-keeping genes), который обеспечивает жизнеспособность бактерии. Когда эта задача была решена, в эту «упрощенную», но все же еще не функционирующую клетку пересадили искусственную хромосому, и новый рукотворный организм, названный Mycoplasma laboratorium, обрел жизнь.
Успех этого эксперимента может в недалеком будущем привести к тому, что человеку не придется искать в природе микроорганизмы с нужными свойствами и не модифицировать уже существующие, а производить их в короткие сроки, синтезируя биологические структуры, такие как гены, хромосомы и даже целые геномы, — точно так же, как химики-синтетики создают новые, доселе не существовавшие химические вещества.
Конечная цель Крейга Вентера — научиться создавать искусственные геномы, а затем и искусственные организмы с заданными свойствами, с абсолютно новыми, не существующими в природе путями метаболизма, способные к синтезу биотоплива, деградации экологически вредных отходов производства и синтезу новых эффективных лекарств. То, что уже удалось осуществить Крейгу Вентеру и его команде, не только удивительное достижение, но и реальное свидетельство рождения нового направления в биологии — синтетической биологии.