Микроскопические брачные игры

Горькая очевидность того, что бактерии могут эволюционировать, и эволюционировать быстро, пришла уже вскоре после начала применения первых бактерицидных препаратов – сульфаниламидов в тридцатые годы, а затем пенициллина в сороковые. Всего через пару лет после внедрения каждого нового средства появлялись устойчивые к нему штаммы болезнетворных микробов. Стоило им появиться, как их устойчивость, казалось, быстро передавалась и бактериям других разновидностей. Иногда врачи сталкивались с инфекциями, борьба с которыми требовала все более высоких доз и продолжительных курсов лечения тем же антибиотиком. В других случаях им приходилось иметь дело с внезапным появлением коварного микроба, обладающего полной устойчивостью.

Ученые были озадачены. Может быть, бактерии спорны постепенно вырабатывать устойчивость к антибиозам, подобно тому как человек постепенно приспосабливается, скажем, к большим высотам над уровнем моря или к острой пище? Другое возможное объяснение состояло в том, что в пределах любой колонии бактерий могли найтись 0дин или два носителя удачной мутации, которая позволяла им выдерживать химическую атаку антибиотика. После того как лекарственный препарат убивал всех восприимчивых бактерий, оставшиеся в живых мутанты получали шанс размножиться и занять их место, порождая новый штамм из своих клонов, устойчивых к данному препарату.

В 1951 году супруги Джошуа и Эстер Ледерберги, микробиологи из Висконсинского университета, продемонстрировали изящное и простое доказательство того, что именно имеющиеся изначально мутации, а не постепенно вырабатываемая невосприимчивость, лежат в основе множества случаев приобретения бактериями устойчивости к новым препаратам. Ледерберги обнаружили, что, используя лоскутки бархата, закрепленные на деревяшках размером с чашку Петри, можно одновременно брать сотни крошечных бактериальных колоний из одной заполненной бактериями чашки и переносить их ровно в том же положении на ряд других чашек, содержащих какой‑либо антибиотик, например стрептомицин. Если устойчивость вырабатывалась благодаря мутации, изначально имевшейся у немногих бактерий в исходной чашке, то новые колонии должны были во всех чашках со средой, приправленной антибиотиком, возникать ровно на том же месте. Именно это Ледербергам и удалось пронаблюдать: как оказалось, устойчивостью к стрептомицину изначально обладали одна‑две клетки на каждый миллион или десяток миллионов7. Это означало, что каждый новый антибиотик становится мощным новым фактором бактериальной эволюции, отсеивая всех бактерий, кроме тех, ничем иным не примечательных, кто оказывался способен противостоять его действию. Избавившись тем самым от конкурентов, удачливые мутанты могли расселяться на их месте, тут же порождая новую, устойчивую к антибиотику колонию.

Эта новость стала для медиков источником ложного ощущения безопасности. Если мутации могут дать устойчивость к антибиотикам не более чем одной бактерии на десять миллионов, решение проблемы должно быть простым: нужно всего лишь наносить микробам двойные удары, применяя два разных средства одновременно. Шанс, что у бактерии обнаружится устойчивость к обоим средствам, казался ничтожно малым: один на десять миллионов раз по десять миллионов, то есть на сто триллионов (ю1А). Беда была в том, что бактерий, судя по всему, не убедили эти расчеты. Устойчивость ко многим антибиотикам начала проявляться в больницах и кабинетах врачей уже в конце сороковых и начале пятидесятых. В некоторых случаях такая устойчивость, похоже, вырабатывалась последовательно, то есть в составе штамма, уже устойчивого к одному антибиотику, выделялся подштамм, устойчивый также и к другому. Однако, как ни странно, некоторые врачи сообщали и о том, что они сталкивались с бактериями, которые внезапно превращались из вполне восприимчивых к стандартным средствам в абсолютно устойчивых ко множеству бактерицидных препаратов. Большинство специалистов отвергали эти сообщения как необоснованные.

Хотя в то время никто этого еще не осознавал, предшествующие работы Ледербергов уже указывали на множество причудливых трюков, к которым могут прибегать “простые” бактерии в ходе эволюции для преодоления любых преград, стоящих на их пути. Для начала еще в 1946 году юный Джо Ледерберг, которому шел тогда двадцать второй год, поразил научный мир сообщением, что у бактерий бывает половая жизнь· Это утверждение казалось диким, учитывая что бактерии определенно лишены тех сложных клеточных структур, которые позволяют более крупным и сложнее устроенным организмам сортировать и разделять свои гены по половинчатым наборам, содержащимся в сперматозоидах и яйцеклетках. Было общеизвестно, что бактерии размножаются простым делением надвое, при котором каждой “дочерней” клетке достается точная копия генов “материнской”. Этот примитивный способ воспроизводства дает единственной бактерии возможность размножаться быстро и в геометрической прогрессии, порождая несколько миллионов потомков за несколько часов и до миллиарда в течение суток.

Существование полового процесса у бактерий было доказано Ледербергом с помощью набора мутантов кишечной палочки. Каждый из этих мутантов был лишен способности синтезировать одно или несколько жизненно важных веществ. Поэтому такие мутанты могли размножаться только на питательных средах, содержащих тот витамин или аминокислоту, которой они были не способны обеспечить себя сами. Но, смешивая в разных сочетаниях таких частично неполноценных мутантов, Ледерберг получил полноценное “потомство”, то есть бактерий, способных самостоятельно производить все нужные им для жизни вещества и успешно расти на питательной среде без каких‑либо добавок. Неполноценным мутантам удалось каким‑то образом объединить свои генетические активы. У организмов, видимых невооруженным глазом, от червей до человека, родители объединяют свои гены в потомстве путем слияния сперматозоида и яйцеклетки. Что собой представляет “половой акт” у бактерий, этого не знал тогда и сам Джошуа Ледерберг.

Два года спустя Эстер Ледерберг удалось приблизиться к ответу на вопрос, как проходит половая жизнь бактерий. Работая с новым набором мутантов кишечной палочки с измененными пищевыми потребностями, она обнаружила, что они внезапно утрачивали свою “половую функцию”. Будучи генетиком, Эстер понимала: исчезновение какого‑либо признака часто можно использовать как ключ для поисков гена, который в норме обеспечивает существование этого признака. За несколько лет ей, ее мужу и их итальянскому коллеге Луиджи Кавалли удалось обнаружить некоторый “фактор фертильности”. Он находился в колечке из генов, плавающем внутри бактериальной клетки отдельно от ее главной хромосомы. Джошуа Ледерберг назвал такие колечки дополнительных генов плазмидами. Функция находящегося на такой плазмиде гена фертильности, или Г‑фактора, состоит в том, чтобы вызывать образование пилей – своего рода бактериальных пенисов, вырастающих на наружной мембране клетки, формируя мостики, по которым она может передавать другой бактерии всю плазмиду вместе с содержащимся в ней дополнительным генетическим материалом. Получив этот подарок от клетки‑донора, клетка‑реципиент сама становится фертильной – то есть способной выстраивать половые мостики и делиться с другими клетками генами, в том числе генами устойчивости к антибиотикам.

Примерно в то же время Эстер получила первые данные, позволившие найти у бактерий еще один способ обмена генами. Она открыла бактериофага лямбда – заражающего бактерий вируса, или “фага”, который годами мог оставаться в бездействии в клетках кишечных палочек некоторых штаммов, выращиваемых в ее лаборатории11. Время от времени фаг лямбда выскакивал из главной хромосомы зараженной бактерии и нападал на другие бактериальные клетки. Иногда это приводило к их гибели, но в других случаях бактериофаг успешно внедрялся в их хромосому и вместе с ней в бездействии передавался следующим поколениям12. Вскоре после этого третий сотрудник лаборатории Ледербергов, двадцатидвухлетний Нортон Зиндер, показал, что бактериофаги, такие как фаг лямбда, замешаны в контрабанде генов. А именно, он показал, что когда бактериофаг вырезается из бактериальной хромосомы, он может случайно забрать кусок этой хромосомы с собой. Чтобы продемонстрировать, что при этом, по его мнению, происходило, Зиндер заражал колонии устойчивой к некоторому антибиотику сальмонеллы, а затем смешивал их в чашке Петри с незараженными и восприимчивыми к этому антибиотику штаммами. В ходе этих операций ему удалось отловить бактериофагов, подхвативших гены устойчивости и передающих эти гены в рабочем состоянии следующей порции заражаемых бактерий. Каждая из таких бактерий, если ей удавалось пережить инфекцию, сразу становилась устойчивой к антибиотику.

Зиндер назвал такую транспортировку генов трансдукцией, чтобы не путать ее с трансформацией – еще одним способом, позволяющим бактериям подхватывать новые признаки. Остававшийся неясным феномен трансформации был открыт еще в 1928 году в ходе эксперимента, проведенного Фредериком Гриффитом, сотрудником британского Министерства здравоохранения. Изучая эпидемию особо тяжелой формы пневмонии, Гриффит начал сравнивать разные штаммы пневмококка и искать отличия между ними. Наряду с другими отличительными признаками у самого смертоносного штамма имелась гладкая капсула, позволявшая пневмококкам выскальзывать из лап иммунной системы зараженного организма. Однажды Гриффит заразил своих подопытных мышей одновременно живым, но безвредным штаммом пневмококка и порцией убитых клеток смертоносного штамма. Очень скоро эти мыши погибли.

Исследуя их кровь под микроскопом, Гриффит обнаружил, что потомки некогда безвредных мутантов были одеты в капсулы. Он еще раз повторил свой эксперимент, чтобы убедиться, что мыши не заразились живыми высокопатогенными бактериями случайно. Нет, дело было не в этом. Прежде безвредные голые пневмококки каким‑то образом подхватили способность образовывать капсулы от разрушенных клеток своих мертвых родственников.

В начале сороковых годов Освальд Эвери, Колин Маклауд и Маклин Маккарти из Рокфеллеровского института установили, что исследованные Гриффитом пневмококки подбирали в окружающей среде обрывки молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) патогенного штамма. Тем самым эти ученые получили первые убедительные свидетельства того, что именно из ДНК и состоят гены.

В 1952 году, когда были опубликованы данные об открытиях, сделанных в лаборатории Ледербергов, стало ясно, что бактерии используют целый ряд способов, позволяющих им подхватывать новые признаки. Они могут подбирать гены из окружающей среды, обмениваться ими в ходе конъюгации или получать их вместе с встраивающимися в бактериальную хромосому вирусами16. Теперь нам известен и еще один, четвертый путь работающего у бактерий “генетического такси” – так называемые прыгающие гены, или транспозоны, открытые в сороковых годах генетиком Барбарой Мак‑Клинток. Транспозон по сути представляет собой какой‑либо ген или группу генов с расположенными по краям “вставочными последовательностями” – отрезками ДНК, периодически вырезающимися из одной хромосомы и вставляющимися в другую вместе с расположенными между ними генами.

В клетках растений и животных (содержащих много хромосом в расположенном в центре клетки ядре) транспозоны просто перемешивают гены, при этом время от времени случайно включая их или выключая. У бактерий же транспозон способен переносить гены из главной хромоты в плазмиду, вместе с которой они могут поставляться другими бактериями. Некоторые транспозоны даже содержат гены независимой транспортировки. Стоит им выскочить из главной хромосомы, как они вызывают образование конъюгационного мостика, по которому транспозон передает в другую клетку копию самого себя.