Карл Циммер - Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

• Название: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни
• Автор: Карл Циммер
• Жанр: Биология
• Год: 2013
• ISBN: 978-5-91671-269-8, 978-0-30-27686-5

E. coli, или кишечная палочка, — микроорганизм, с которым мы сталкиваемся практически ежедневно, но который при этом является одним из важнейших инструментов биологической науки. С ним связаны многие крупнейшие события в истории биологии, от открытия ДНК до новейших достижений генной инженерии. E. coli — самое изученное живое существо на Земле.

Интересно, что E. coli — общественный микроб. Автор проводит удивительные и тревожные параллели между жизнью E. coli и нашей собственной жизнью. Он показывает, как этот микроорганизм меняется практически на глазах исследователей, раскрывая перед их изумленным взором миллиарды лет эволюции, закодированные в его геноме.

Издание подготовлено при поддержке Фонда Дмитрия Зимина «Династия»

Династия

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2001 г. Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком». Приоритетные направления деятельности Фонда — поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение. В рамках программы по популяризации науки Фондом запущено несколько проектов. В их числе — сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих в русскоязычном Интернете тематических ресурсов, а также проект «Библиотека «Династии» — издание современных научно — популярных книг, тщательно отобранных экспертами — учеными. Книга, которую вы держите в руках, выпущена в рамках этого проекта.

---

После двух часов в состоянии этого кислотного дзена E. coli выводится из желудка и попадает в кишечник. Ее насосы при этом продолжают выводить наружу лишние протоны, пока внутренняя часть микроба вновь не обретет нормальный отрицательный заряд. Биологические аккумуляторы снова становятся работоспособными, и теперь бактерия может начать производство новых белков и исправить старые. Она возвращается к обычным повседневным делам — по существу, к жизни. Однако до нового дома бактерии еще далеко. Сначала кишечная палочка должна пройти по тонкому кишечнику и выйти в толстую кишку. Конечно, длина маршрута здесь составляет всего лишь около 10 м, но она примерно в 7 млн раз превосходит длину путешественника — E. coli. Если человек нырнет в волны в Лос — Анджелесе и проплывет 7 млн длин собственного тела, позади его останется весь Тихий океан.

Пока бактерия дрейфует по человеческому кишечнику, ее нитевидные выросты — фимбрии цепляются за стенки. Слабого движения пищи оказывается достаточно, чтобы отцепить фимбрии, и бактерия продолжает потихоньку продвигаться вперед. Но, если поток обретает силу, фимбрии начинают упрямо цепляться за стенку. Случайно или нет, но кишечная палочка останавливается точно в том месте толстой кишки, которое ей лучше всего подходит, — там, где поток пищи движется на полной скорости. Под действием тепла E. coli запускает производство белков, которые можно использовать для захвата железа, расщепления сахаров и синтеза других белков из аминокислот. Она начинает питаться и прекрасно себя чувствует, по крайней мере первые несколько дней.

Питаясь и размножаясь, бактерия готовит почву для собственного краха. Истратив значительную часть присутствующего в кишечнике кислорода и выделяя углекислый газ и другие продукты жизнедеятельности, она изменяет химический состав окружающей среды. Фактически она создает новую среду обитания, пригодную для других видов микроорганизмов, которые постепенно проникают туда и занимают доминирующее положение. Экосистема, в создании которой участвует E. coli, великолепна. Ее население может достигать ста триллионов особей, что в десять раз превосходит по числу клеток наше собственное тело. По оценкам ученых, в кишечнике одного человека может сосуществовать до тысячи видов микроорганизмов; это означает, что если составить полный список всех генов, которые можно обнаружить в организме человека, то большинство их окажется нечеловеческими.

По мере того как численность других видов микроорганизмов увеличивается, E. coli отступает; в конечном итоге ее доля в бактериальном населении кишечника снижается примерно до одной десятой процента. E. coli становится законной добычей вирусов и хищных простейших, а за пищу ей приходится конкурировать с бактериями других видов. По мере того как человек — носитель взрослеет и переходит с молока на другую пищу, его кишечник наполняется крахмалами и другими сложными сахарами, которые E. coli просто не умеет расщеплять. Представьте, что вы приходите в ресторан и усаживаетесь за столик в ожидании вкусного обеда, а официант неожиданно заменяет ваш шоколадный мусс на миску сена. E. coli теперь приходится ждать, пока бактерии других видов расщепят молекулы сложных сахаров, и питаться отходами их жизнедеятельности.

Не исключено, что, питаясь отходами, E. coli оказывает ответную услугу тем, кто ее этими отходами обеспечивает. Данные некоторых исследований позволяют предположить, что утилизация простых сахаров, которой занимается кишечная палочка, позволяет другим микробам быстрее расщеплять молекулы сложных сахаров. Кроме того, E. coli продолжает улавливать кислород — то небольшое его количество, которое время от времени накапливается в кишечнике. Удерживая содержание кислорода на стабильно низком уровне, E. coli обеспечивает большинству представителей нормальной микрофлоры комфортные условия. Именно эту экологическую нишу колонии E. coli занимают в организме хозяина в течение всей его дальнейшей жизни. В любой момент в кишечнике человека можно обнаружить до 30 штаммов этой бактерии. Люди, полностью свободные от E. coli, встречаются очень редко.

В этом, кстати говоря, мы тоже похожи на E. coli: человек, как и кишечная палочка, зависит от внутренних бактериальных джунглей. Нам необходимы бактерии, которые производят ферменты для расщепления многих углеводов, входящих в состав нашей пищи. Кроме того, наши жильцы — бактерии синтезируют некоторые необходимые нам витамины и аминокислоты и помогают контролировать количество поступающих из пищи калорий. Изменение бактериальной флоры кишечника может привести к изменению массы тела. Но этого мало. Обитатели кишечника охраняют человека от болезней, поэтому врачи дают недоношенным детям специальные штаммы E. coli. Бактерии защищают кишечник: выпускают в него химические вещества, отпугивающие патогенные микроорганизмы, а также создают в кишечнике устойчивую экосистему, в которую патогены просто не в состоянии внедриться.

На самом деле трудно сказать, где заканчивается работа кишечной микрофлоры и начинается наша собственная иммунная система. Ясно одно: бактерии помогают иммунной системе человека поддерживать тонкое равновесие, когда нужно убивать патогенные микроорганизмы, а ткани собственного организма трогать нельзя. Исследования показывают, что некоторые штаммы E. coli способны остудить боевую ярость иммунных клеток. Судя по всему, достаточная доза E. coli помогает справиться не только с патогенными микроорганизмами, но и с аутоиммунными заболеваниями, такими как колит. Некоторые ученые утверждают, что наша иммунная система в ответ стимулирует бактерии к размножению и формированию толстых защитных скоплений на внутренних стенках кишечника. Эти скопления не только препятствуют внешним агрессорам, но и не позволяют отдельным бактериям проникать в слизистую оболочку кишечника. С точки зрения здравого смысла все это биохимическое рвение вполне объяснимо: в конце концов, мы и E. coli — члены одного и того же коллектива.

Совместная жизнь

В 2003 г. Джеффри Сток и его коллеги по Принстонскому университету поместили E. coli в лабиринт. В прямоугольном лабиринте со стороной меньше четверти миллиметра были пластиковые стены и стеклянная крыша. Ученые погрузили лабиринт в воду, а затем впрыснули во входное отверстие E. coli. Бактерии принялись вращать жгутиками и плавать. Предварительно команда Стока добавила каждой особи ген, отвечающий за светящийся белок, так что ученые имели возможность отслеживать скитания микроорганизмов по лабиринту.

Поначалу бактерии, судя по всему, плавали случайным образом. Постепенно, однако, они собрались группами и начали плавать стайками. Одни стайки заплывали в тупик и оставались там; судя по всему, их эта ситуация устраивала. Другие бактерии плыли следом, и через два часа тупик целиком наполнился массой светящихся бактерий.

Чтобы определить, как бактерии находят друг друга, принстонские ученые запустили в лабиринт мутантов. Выяснилось, что E. coli способна собираться стаями до тех пор, пока действует ее бактериальный «язычок». Похоже, что ориентируется она по вкусу одной из аминокислот — серина. Дело в том, что при нормальном ходе обмена веществ E. coli вместе с другими отходами выбрасывает и серин. Ученые с 1960–х гг. знали о любви E. coli к серину, но списывали ее на поиск пищи. Теперь же объединение E. coli в группу в лабиринте подсказывает нам другую возможность. Что если «язычок» E. coli настроен на поиск других представителей ее собственного вида?

Не так давно E. coli и другие бактерии считались индивидуалистами. В конце концов, думали ученые, у кишечной палочки нет того, что лучше любого клея скрепляет сообщества, — средства общения. E. coli не способна написать соседке е — мейл, огласить на рассвете пустыню громким пением или распустить перед самочкой хвостовые перья. Оказалось, однако, что у E. coli тоже есть своего рода язык; мало того, у нее есть и своего рода общество.

Общественная жизнь E. coli долгие десятилетия оставалась за кадром, потому что биологов в основном интересовали более фундаментальные сведения о жизни E. coli: как она питается, растет и размножается. Методика, при помощи которой можно заставить E. coli делать и то, и другое, и третье как можно быстрее, была отработана и доведена до совершенства. Комфортная жизнь в тепле, при достаточном количестве кислорода и избытке пищи стимулирует отдельных бактерий к быстрому размножению. Такая жизнь, однако, мало чем напоминает нормальный образ жизни E. coli. Хотя человек съедает за свою жизнь около 60 т пищи, E. coli нередко приходится голодать по нескольку часов, а то и суток. Когда же появляется шанс поесть, нередко случается, что из еды вокруг только молекулы какого‑нибудь низкоэнергетического сахара, которые и расщеплять‑то почти бесполезно — энергии при этом извлекается ненамного больше, чем тратится. Вдобавок приходится конкурировать за каждую молекулу с другими микробами. Одновременно с этим E. coli должна противостоять атакам вирусов и хищников, а также новым, исходящим от человека опасностям, таким как антибиотики. Хозяин может заболеть, и тогда вся среда обитания бактерии подвергается разрушению. Один из лучших способов противостоять всевозможным катастрофам — объединить силы с другими E. coli