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.

---

В иерархии субмикрокосмоса существуют, однако, еще более мелкие единицы — атомы радиоактивных изотопов (их вирусологи и призывают в подобных случаях на помощь). Молекулы соединений, содержащие такие изотопы, легко отличить от других молекул. Они выделяются своей радиоактивностью, которая измеряется точными и чувствительными приборами.

В 1952 году два исследователя, А. Херши и М. Чейз, одновременно призвали на помощь радиоактивные изотопы: фосфор 32Р и серу 35S. Почему именно эти, а не другие? Да потому, что фосфор встречается только в ДНК бактериофагов, а сера может входить только в состав их белков.

Культуру бактерий выращивали на питательной среде, содержавшей в качестве источника биогенного фосфора исключительно 32Р. Практически бактерии не могут отличить радиоактивный фосфор от обычного и потребляют среду с 32Р. Таким путем атомы с 32Р попадают в бактериальные клетки, которые затем могут стать добычей бактериофагов. И 32Р уже входит в состав ДНК бактериофагов. Подобный опыт повторили в другой пробирке, с радиоактивными соединениями серы 35S, и получили бактериофаги, имеющие в своем белке 35S.

Этими фагами и инфицировали потом бактерии, выращенные в среде, не содержащей радиоактивных соединений. Сначала использовались бактериофаги с радиоактивной серой. Процесс инфицирования был завершен в течение нескольких минут, после чего центрифугированием отделили зараженные бактерии от остатков бактериофага и определили их радиоактивность. У бактерий не было и признаков радиоактивности, тогда как «опустошенные» фаги (головки и хвостовые придатки) проявляли повышенную радиоактивность. Значит, в бактерии проникла из фага только ДНК (не содержащая серы!), в то время как белок, в состав которого входила 35S, остался вне клеток.

Потом последовал опыт с фагами, содержащими в своей ДНК радиоактивный фосфор (белки фагов фосфора не содержат!). Через несколько минут после заражения бактерий остатки фагов и зараженные бактерии были тем же способом разделены и исследованы на радиоактивность. На этот раз она была обнаружена в клетках бактерий! Таким образом, было достоверно доказано, что при поражении бактерий фагами внутрь бактериальных клеток проникает ДНК фага (содержащая фосфор), а снаружи остается его белковая оболочка (содержащая серу).

Бактериофаг как переносчик информации

Из рассказа о бактериофагах, принуждающих клетки бактерий к синтезу ДНК и белкового компонента фагов, мы узнали, что один-единственный фаг может вызвать среди бактерий настоящую эпидемию и за короткий срок уничтожить в жидкой питательной среде миллиарды их клеток.

Но при некоторых обстоятельствах появление бактериофага у микробной клетки не обязательно заканчивается ее гибелью. ДНК из фага проникает в клетку, однако, клетка продолжает жить, как будто бы ничего не произошло. Это напоминает проникновение в команду корабля замаскированных пиратов, которые под видом дружески настроенных матросов тайно подготавливают диверсию, выжидая лишь подходящего момента… Пораженная бактерия продолжает внешне беспрепятственно расти и время от времени в соответствующих условиях делиться на две новые клетки…

Но что-то изменилось в ее свойствах — бактерия приобрела устойчивость к фагам определенного типа. И это является единственным свидетельством того, что в ее клетке находится фаговая ДНК. Специалисты говорят в таких случаях о неинфекционных, или симбиотических, фагах и лизогенных[24] бактериях. «Лизогенных» — потому что в какой-то момент по якобы совершенно непонятной причине 2–3 клетки из миллиарда вдруг расплачиваются за свое гостеприимство и погибают. А из погибших клеток вырываются в среду сотни бактериофагов. Достаточно перенести одну капельку этой среды в другую культуру восприимчивых бактерий, чтобы разразилась катастрофа и почти вся культура в короткий срок погибла.

Почти, но не вся! Некоторые клетки переживут атаку бактериофагов. Но эти счастливчики, перенесшие первый удар, как-то изменятся, приобретут новые свойства и передадут их следующему поколению.

Что же, собственно, при этом происходит? Дж. Ледерберг из Станфордского университета (Калифорния), первый наблюдавший это явление, объясняет его следующим образом. После проникновения фаговой ДНК в лизогенную бактерию обычного размножения фагов не происходит и гибель клетки не наступает. В этом случае фаговая ДНК присоединяется к бактериальной, которая находится в хромосоме клетки. Когда же эта клетка начинает делиться на две дочерние, разделяется и хромосома, причем вдвое увеличивается и количество ДНК из фага и половина ее попадает в каждую из новых хромосом. Итак, при каждом дальнейшем делении клеток фаговая ДНК переносится в каждую из дочерних клеток. Среди миллиардов клеток, естественно, окажутся и такие, в которых фаговая ДНК освободится из хромосомы и начнет бурно размножаться, а клетка погибнет. В некоторых из них ДНК фага захватывает с собой и частичку клеточной хромосомы, и новообразовавшиеся частицы фага содержат в этом случае, кроме собственной ДНК, «кусочек» бактериальной хромосомы. Когда такой фаг встречается с другой восприимчивой клеткой, то вместе с фаговой ДНК в нее попадает частица бактериальной ДНК, и они уже совместно присоединяются к хромосоме новой клетки-хозяина. Фрагмент чужой хромосомы сливается с хромосомой этой клетки, и последняя обогащается, таким образом, новыми генами. Внешне это проявится в приобретении клеткой какого-то нового свойства. Если, например, чужеродный ген определял синтез вещества, которое до этого «обогатившаяся» клетка не могла образовывать, то эту способность получала не только сна сама, но и ее потомство. Приобретенным свойством она обязана гену, попавшему в клетку с помощью бактериофага. Ледерберг назвал такую форму наследственных изменений трансдукцией.

При помощи «бактериофага 80» методом трансдукции удалось перенести свойство устойчивости к пенициллину на бактерию, ранее проявлявшую повышенную восприимчивость к этому антибиотику. Этот же бактериофаг перенес свойство устойчивости и на два других антибиотика, но в данном случае далеко не все «фаги 80» приняли участие в трансдукции, ее осуществлял только один из миллиона.

Могут ли бактерии конъюгировать?

Ледерберг и его старший коллега Тейтем открыли еще одно важное свойство бактерий. Они установили, что кишечные бактерии Escherichia coli имеют половые различия. Одни клетки проявляют характер женских индивидов, другие — мужских. Методом, описанным в следующем разделе, из этих бактерий были выделены два различающихся штамма (мутанта): один из них нуждается в ростовых веществах биотине (Б) и метионине (М), другой — в лейцине (Л) и треонине (Т). Первый штамм ученые стали обозначать формулой Б-М-Т+Л+, а второй — Б+М+Т-Л-, где знак плюс отражает способность, а знак минус — неспособность штаммов синтезировать то или иное ростовое вещество.

Из каждого штамма взяли по 10 миллионов клеток, смешали их и посеяли на агаризованную среду, в которой не было ни одного из упомянутых ростовых веществ. Обычно ни тот ни другой тип бактерий на таком агаре не развивались, так как обоим не хватало по два ростовых вещества. И тем не менее на агаре появилось около ста колоний. Чем это объяснить? Исследования Ледерберга и Тейтема показали, что в разросшихся колониях все бактерии были нового типа (Б+М+Т+Л+). По-видимому, некоторые клетки из обоих штаммов конъюгировали между собой, причем мужская клетка передала женской клетке часть своей хромосомы, именно ту ее часть, в которой были гены, определяющие способность синтеза двух ростовых веществ, ранее не вырабатывавшихся «женской» клеткой. Теперь она стала самостоятельной и, получив в своей хромосоме два новых гена, приобрела возможность образовывать все четыре ростовых вещества.

Несколько позднее с помощью электронного микроскопа было установлено, что при конъюгации (как назвали этот процесс Ледерберг и Тейтем) две бактерии действительно соединяются друг с другом «копуляционным мостиком» (фото 52). При этом мужская клетка отдает часть своей хромосомы женской клетке.

Жакоб из Пастеровского института со своим коллегой Э. Вольманом придумали оригинальный метод наблюдения за ходом конъюгации у бактерий. Они смешали мужской и женский типы бактерий в жидкой среде и через определенные промежутки времени отбирали пробы, помещая их затем в смеситель и продолжительно встряхивая, чтобы отделить друг от друга соединившиеся клетки. Затем они, так же как Ледерберг и Тейтем, зарегистрировали увеличение числа новых генов в «женских» клетках. Обозначим гены «мужской» хромосомы буквами А — Б—В — Г—Д — Е—Ж—3 и проследим вместе с Вольманом и Жакобом с часами в руках их перемещение из «мужских» клеток в «женские» (см. рис. на стр. 146)