Владимир Бетина - Путешествие в страну микробов

• Название: Путешествие в страну микробов
• Автор: Владимир Бетина
• Издательство: Мир
• Жанр: Биология
• Год: 1976

Первые шаги ученых в исследовании микроорганизмов, место микроорганизмов в биосфере, вирусы и механизм наследственности, использование микроорганизмов на благо человека — таков далеко не полный перечень проблем, которые освещает в своей книге словацкий ученый. Многочисленные фотографии, схемы и рисунки помогают лучше понять те сложные процессы природы, о которых лаконично и просто рассказывает автор.

Книга рассчитана на школьников старших классов, интересующихся миром микроорганизмов, на студентов, аспирантов и преподавателей.

---

Вирусы, эти крупнейшие молекулы и в то же время наименьшие формы живой материи, имеют одну общую характерную черту: все они являются существами, паразитирующими в клетках живых организмов (фото 39). Вирусология знакомит нас с вирусами растений, животных и микробов. Из вирусов — паразитов бактерий — мы знаем уже несколько типов бактериофагов. Многие еще, несомненно, будут открыты. Вирусной инфекции подвержены даже некоторые грибы. При парниковом выращивании шампиньонов уже давно обращали внимание на болезненные симптомы на шляпках и ножках грибов. Заболевание отражалось и на общем урожае шампиньонов. В Великобритании, где ежегодно их выращивают до 17 000 т, болезнь нанесла большой ущерб. Только во второй половине 50-х и в начале 60-х годов английские ученые Холлингс и Гэнди точными опытами доказали, что возбудителями этой болезни являются вирусы, которых им удалось выделить и изучить с помощью электронного микроскопа. Один из вирусов, паразитирующих на грибах, может быть использован в борьбе против вирусного же заболевания животных, так как с его участием в организме животного образуется интерферон. Об интерфероне и его значении будет рассказано в пятой части нашего путешествия в страну микробов.

11. Нас подстерегают неожиданности

Природа удивительным образом проявляется гораздо сложнее и интереснее, чем мы могли бы вообразить.

В. А. Амбарцумян, 1965

Еще о «живых кристаллах»

В 1946 году Стэнли была присуждена Нобелевская премия за открытие явления кристаллизации ВТМ. К тому времени уже были известны и другие кристаллизующиеся вирусы, полученные последователями американского биохимика из больных растений.

Спустя двадцать лет сотрудники Лаборатории вирусов Калифорнийского университета добились дальнейших значительных успехов: они кристаллизовали животный вирус, причем один из самых мелких — вирус полиомиелита. Этот период характеризуется бурным развитием вирусологии. Вирусологи научились не только обнаруживать возбудителей вирусных заболеваний, но и культивировать их. Сначала для этих культур использовали подопытных животных, позже стали применять зародышей цыплят, а затем и искусственные культуры тканей из организма животных (фото 40).

Сотрудники упомянутой Лаборатории вирусов выращивали вирус полиомиелита на культуре ткани из почек обезьяны. Искусственные ткани культивировались на питательной жидкости, а в их клетках жили и размножались частицы вируса полиомиелита. Дальнейшим этапом было выделение вируса, и основными «рабочими орудиями» для этого служили ультрацентрифуга и электронный микроскоп. На дне центрифужных пробирок при скорости в несколько десятков тысяч оборотов в минуту из фильтрата питательной жидкости постепенно оседали невидимые простым глазом частицы вируса полиомиелита. Полученная суспензия была исследована под электронным микроскопом. Комбинацией различных химических методов ученым удалось наконец достигнуть намеченной цели — выделить один-единственный кристаллик вируса (фото 41, а). Из миллионов частей культуральной жидкости только три части приходились на вирус. Интересно было рассмотреть скол такого кристалла (фото 41, в): электронный микроскоп вскрыл правильное расположение отдельных частиц вируса. Чтобы образовать один едва видимый в микроскоп кристаллик, потребовались миллиарды этих частиц!

Через год ученым удалось кристаллизовать уже три известных типа вируса полиомиелита. Это было как раз в том году, когда Р. Л. Стире установил, что ВТМ кристаллизуется не только в искусственных условиях, его кристаллы образуются и в клетках пораженных растений.

Немного позднее вирусологи К. Ф. Маттерн и X. Дюбуа опубликовали сообщение о получении кристаллов вируса Коксаки (фото 42).

К настоящему времени вирусологи открыли уже несколько сотен вирусов. Из них в относительно очищенном виде выделены примерно 30, а около 20 вирусов получены в абсолютно чистом виде.

Строение ВТМ

Вирус табачной мозаики изучен гораздо лучше других вирусов. Его размеры и форма нам уже хорошо известны. Но каково внутреннее строение частицы этого вируса?

Рибонуклеиновая кислота находится в вирусной частице в виде простых спиралей, которые скрыты в цилиндре, представляющем макромолекулу белка. Внутри частицы имеется полый «канал», как у изолированного провода, из которого вытянули проволоку. Диаметр этого канала достигает 4 нм (фото 43).

Макромолекула белка состоит из мелких пептидных цепей (субъединиц); в каждой частице ВТМ их в среднем около 2200. Эти цепи, образующие как бы «плащ» поверх спирали РНК, представляют более крупную спираль, внешний диаметр которой равен 17–18 нм. С каждым оборотом спирали на 360° в белковом «плаще» прибавляется 16 1/3 новых пептидных цепей и длина его увеличивается на 2,3 нм. Общее число витков около 130.

Цепи, из которых состоят белки, химически всегда однородны. Данные об их строении были опубликованы почти одновременно двумя группами исследователей: Г. Шраммом с сотрудниками из Института Макса Планка в Тюбингене (ФРГ) и X. Л. Френкель-Конратом с сотрудниками из Лаборатории вирусов Калифорнийского университета. Обе группы независимо друг от друга установили, что каждая субъединица состоит из цепи аминокислот, объединенных пептидными связями в полипептиды. Но если немецкие ученые насчитали 157 молекул аминокислот в одной такой субъединице, то американские увидели на одну больше. И как показали более поздние исследования, вторая цифра оказалась правильной.

В каждой субъединице представлены 16 различных аминокислот. Их названия, сокращенные символы и количество молекул в субъединице приведены в таблице 6.

Субъединица белкового цилиндра вируса табачной мозаики образуется соединением 158 аминокислотных остатков, размещенных в определенном порядке.

Расположение аминокислот в субъединице, установленное сотрудниками Лаборатории вирусов, видно из приведенного рисунка.

На фото 44 представлена модель ВТМ с яйцевидными субъединицами белков и витками РНК, которые обозначены черным.

Основными субъединицами РНК являются нуклеотиды. Различают четыре типа этих соединений: адениловая, гуаниловая, цитидиловая и уридиловая кислоты. В целой спирали РНК насчитывается 6500 нуклеотидов, но их расположение еще неизвестно.

Вся молекула ВТМ состоит приблизительно из 5 250 000 атомов следующих биогенных элементов: углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы. Пять с четвертью миллионов атомов распределены между 6500 нуклеотидами в молекуле РНК и 2200 субъединицами белков, каждая из которых содержит 158 аминокислотных остатков. И несмотря на такую сложность состава и структуры, вирус табачной мозаики имеет длину, равную всего лишь трем десятитысячным, а ширину — 18 миллионным долям миллиметра.

Что представляла бы собой частица ВТМ при увеличении ее в миллион раз? Это был бы небольшой цилиндр длиной около 30 см и диаметром 1,5 см. Увеличенная еще в тысячу раз, она напоминала бы цилиндрическую башню диаметром 18 м и высотой 300 м. Если бы у этой башни было 2200 лестничных ступенек, то каждая из них соответствовала бы одной белковой субъединице ВТМ, причем высота ее равнялась бы 14 см и состояла бы она из 158 кирпичей шестнадцати различных типов. В этом случае каждый кирпич отвечал бы одной молекуле из 16 типов аминокислот, присутствующих в белковых субъединицах. При подъеме по такой винтовой лестнице на верхушку башни мы сделали бы 130 витков вокруг ее оси. И если бы к концу путешествия у нас не закружилась голова и мы смогли бы заглянуть в цилиндрическую шахту четырехметрового диаметра, находящуюся в центре башни, то увидели бы в ней 6500 многогранников, поставленных друг на друга по спирали. Эта спираль соответствовала бы спирали РНК вирусной частицы, состоящей из 6500 нуклеотидов. Многогранники были бы к тому же четырех типов, что отвечает четырем типам нуклеотидов, участвующих в структуре макромолекулы РНК.

Наконец, приведем еще одно сравнение: частица нашего вируса относилась бы к этой фантастической башне как 1 секунда к 32 годам!

Геометрия и вирусы

Такой строгой симметрией, какую мы видели в архитектонике частицы ВТМ, отличаются и все прочие вирусы. Косвенным доказательством этого является и строение кристаллических вирусов, обнаруженное при помощи особого рентгеновского аппарата, который применяется для изучения строения молекул различных соединений. Эти данные успешно дополняются и непосредственным наблюдением вирусных частиц в электронном микроскопе при увеличении их в сотни тысяч раз. Для этой цели препараты вирусов обрабатываются фосфорно-вольфрамовой кислотой, не пропускающей электроны. Эта жидкость заполняет крошечные пространства между отдельными субъединицами вирусной частицы. При наблюдении в электронном микроскопе электроны проходят только сквозь «не-затененные» белковые цепи, образуя как бы подобие негативного изображения вирусных частиц. При этом можно убедиться в строго симметричном расположении субъединиц вируса.