Генетические перевоплощения

Начнем мы немного не на тему.

...Всем известно, что в средние века не было химии, а была алхимия, и занимались ею алхимики. Главной их целью было найти философский камень. Этот камень мог делать все: превращать любой металл в золото, возвращать молодость старикам, исцелять больных, ускорять созревание плодов. Вот какова сила его действия, согласно одному старому итальянскому трактату:

«...Довольно будет взять крупинку весом с просяное зерно, растворить в бочке воды, зачерпнуть скорлупой лесного ореха, и брызнуть на виноградник, чтобы уже в мае появились спелые гроздья».

Давайте рассчитаем, сколько философского камня понадобилось бы для этого, выверим «чудо на число», как писала в одном из своих стихотворений Марина Цветаева. Иначе говоря, попробуем вычислить, какое минимальное количество вещества (философского камня) понадобилось бы для того, чтобы пошла определенная реакция (созревание винограда). Мы не очень отойдем от нашего основного рассказа; просто любопытно сопоставить некоторые величины в алхимии и современной химии.

В трактате не сказано, какой объем имела бочка воды. Бочки бывают разные; большой бочкой раньше считали сорокаведерную. Объем такой меры, как ведро, был, наверное, различным в разных странах. В старой России он равнялся примерно 10 литрам. Примем это за основу. В таком случае философский камень разводился в 400 литрах, или 400 000 миллилитрах, воды.

Теперь — исходное весовое количество философского камня. Объем его был равен просяному зерну. Одно просяное зерно весит около 6 миллиграммов. Удельный вес растительных тканей близок к удельному весу воды; философский же камень, наверное, был тяжелый. Примем, что его удельный вес был равен весу золота (то есть 19,3). Значит, эта крупинка весила около 120 миллиграммов. После растворения в бочке воды концентрация его в миллилитре равнялась 120:400000 = 0,00003 мг/мл, или 0,03 мкг/мл.Сколько воды с растворенным философским камнем может поместиться в скорлупе лесного ореха? Если орех был крупный (в Италии орехи крупнее наших, примерно с кавказский орех — фундук), то около 1 миллилитра. Следовательно, на растение попадало примерно 0,03 мкг/мл философского камня. Итак, запомним: минимальное количество философского камня, при котором еще идет реакция, равна 0,03 мкг/мл.

...Расчеты, которые мы с вами сейчас проделали, не смотря на их наукообразный вид, содержат массу допущений. Однако кое в чем они интересны. Ведь любопытно, насколько обширно человеческое воображение и насколько реальность может превзойти самую смелую фантазию. Слово «трансформация» восходит опять-таки к терминам алхимии — трансформацией тогда называли превращение одних веществ в другие. А в микробиологии так стали называть непонятное вначале явление, когда один вид бактерий приобретал признаки другого вида при совместном выращивании – генетические перевоплощения . Потом стали выращивать лишь один вид бактерий, добавляя к нему убитые и разрушенные клетки других — получалось то же самое! Из убитых клеток выделяли разные вещества; оказалось, что из них активна только ДНК.

...Это очень занятная процедура — выделение ДНК из бактерий и опыты по трансформации. Мы уже писали выше, что клетки при известных условиях могут лопнуть, и ДНК выходит наружу. Ее очищают от примесей белка различными способами, затем осаждают спиртом. Под действием спирта ДНК свертывается, выпадает в осадок в виде нитей. Эти нити споласкивают и снова растворяют в солевых растворах; они опять делаются вязкими и тягучими. И вот что замечательно: подвергнутая столь основательной обработке, ДНК не теряет своей биологической активности. Если добавить ДНК, выделенную из клеток с колониями определенной формы, допустим, шероховатыми колониями, к среде, на которой растут клетки с гладкими колониями, то вырастает некоторое количество шероховатых колоний. Точно так же с помощью ДНК можно передать и многие другие признаки: устойчивость к антибиотикам, способность образовывать спору.

Какое количество ДНК требуется для этого? Очень и очень маленькое. Мы с вами только что подсчитали, что философский камень еще действовал в концентрации примерно 0,03 мкг/мл. ДНК можно разводить гораздо больше (до 0,001 мкг/мл), и она остается активной. Это — такое маленькое количество, что трудно придумать для него наглядное, житейское сравнение. Выше мы приняли, что вес просяного зерна 6 мг значит, в миллилитре воды может содержаться в 6 миллионов раз меньше (по весу) ДНК, и она еще будет действовать. Для реакции трансформации можно взять не миллилитр раствора, а меньший объем.

...Мы отнюдь не хотим подвести вас к заключению, что ДНК — это современный философский камень. Просто- напросто мы хотели показать еще раз возможности генетики бактерий.

Как проникает бактериальная ДНК в клетку? Это не совсем ясно, Скорее всего, в клетке при некоторых условиях могут возникнуть участки, где клеточная оболочка либо очень истончена, либо отсутствует. Здесь с внешней средой соприкасается цитоплазматическая мембрана. Это образование очень тонкое, и возможно, что в нем могут получиться выпячивания, подобные тем, посредством которых амеба захватывает съедобные частицы. Бактерия же захватывает крупные молекулы ДНК. Между прочим, как вы помните, нечто сходное происходит и при проникновении некоторых вирусов в клетки животных.

Сейчас выясняется, что бактерии могут выделять особый фермент, способствующий трансформации. Видимо, он-то и «раздевает» бактерию, удаляя часть клеточной оболочки; у некоторых микробов он напоминает знакомый уже нам лизоцим.

Как бы то ни было, ДНК проникает в клетку и каким-то образом включается в ее наследственный аппарат. Отныне клетка трансформировалась: она несет гены, принадлежавшие раньше другой клетке. Этот процесс можно считать простейшим случаем обмена ДНК у бактерий. Но он уже сравним с половой гибридизацией. По-видимому, трансформация может происходить не только в пробирке, с помощью искусственно выделенной ДНК, но и в естественных условиях жизни микробов.

Надо полагать, что там все это происходит таким образом: лизоцимоподобные ферменты, выделяемые бактериями в какой-то период развития, разрушают некоторые клетки, и их ДНК выходит наружу. Другая часть бактерий лишь повреждается этими ферментами, у них удаляется часть клеточной оболочки, и они становятся способными поглощать «чужую» ДНК. Обратите внимание на то, что «транспортировка» ДНК обеспечена не очень-то хорошо — молекулы ДНК не «ищут» бактерию, как «ищет» яйцеклетку сперматозоид. Единственное известное нам приспособление, обеспечивающее проникновение ДНК в клетку—» это «раздевающие» бактерию ферменты.

Наверняка много ДНК пропадает зря, получается, что те клетки, из которых она вышла, погибли понапрасну. Но в конце концов разве такой «непроизводительной» затрате ДНК нельзя подыскать аналогий в процессах размножения и гораздо более высокоорганизованных существ? Сколько икринок выбрасывают в морскую воду некоторые рыбы, и сколько из них оплодотворяются? Шансы на встречу сперматозоида и яйцеклетки здесь тоже не слишком велики. Есть даже виды, у которых гибель самца после первой же «брачной ночи» — вполне закономерное явление. У насекомых таких примеров можно найти сколько угодно.Впрочем, у микробов есть и более совершенные способы гибридизации. Сейчас мы к ним и перейдем.

трансдукция

Явление, носящее это название, сводится к следующему. Допустим, есть две расы бактерий. Одна из них обладает каким-то признаком, которого нет у другой (для простоты примем, что они различаются опять-таки по форме колоний). Бактерии, имеющие шероховатые колонии, кроме того, лизогенны.Далеко на юго-востоке, в море Банда обитают необычные рыбы: аномалопс и фотоблефарон. Вот о каких особенностях в их строении пишет известный советский биолог-популяризатор И. И. Акимушкин.«Первое, что вас поразит, если вы когда-нибудь возьмете в руки аномалопса или фотоблефарона, это большой кремневый «боб» под каждым глазом рыбы. Он крупнее глаза и хорошо заметен на темном фоне чешуи». Выяснилось, что боб содержит множество светоносных бактерий.

«Очевидно, для производства света бактериям необходимы особые вещества и особые условия, которые они находят только в садках под глазом у своих друзей, потому что выделенные из бобовидных органов бактерии хорошо развивались в лабораториях, но не светились. Рыбка дает бактериям, следовательно, квартиру с полным «пансионом...» Свет бактериальных фонарей так ярок, что даже на расстоянии двух метров можно разглядеть стрелки на циферблате часов!»

Если смешать бактерий, дающих гладкие колонии, с лизогенными, образующими шероховатые (или с фагами из лизогенной шероховатой культуры, это все равно), то часть «гладких» бактерий станет шероховатыми. Некоторые из них, кроме того, станут лизогенными.

Что здесь происходит? Не трансформация, что можно доказать, добавив вещества, разрушающие свободную ДНК,— это не будет препятствовать явлению. Дело обходится и без непосредственного соприкосновения клеток; можно проделать такой опыт: взять трубку, изогнутую наподобие латинской буквы К, и в нижнем колене поставить фильтр, слишком мелкий для бактерий, но проходимый для фагов. Трансдукция не приостановится. А вот если добавить вещества, действующие на фаг, то превращения гладких клеток в шероховатые не будет. Значит, в данном случае именно он оказывается переносчиком генетического материала.

Сейчас принято представлять явление трансдукции следующим образом. Умеренные фаги, как мы уже говорили выше, каким-то образом тесно связаны с ДНК бактерий; возможно, что участки ДНК фага и бактерии даже могут меняться местами. А дальше судьбы генетического материала фага и бактерии разделяются: внесенная бактериальная ДНК включается в генетический аппарат бактерии (так «гладкая» клетка становится «шероховатой»), а развитие внедрившегося фага может вообще не наступить, или это развитие может пойти по лизогенному пути.Значит, фаг при трансдукции служит переносчиком генетического материала. Ну что же, это более экономный путь, чем при трансформации: возможность встречи бактерии и фага, несущего бактериальную ДНК, больше, чем возможность встречи клетки, готовой к трансформации, и голой ДНК. Можно подыскать и аналогию в мире многоклеточных— ну, хотя бы насекомые, переносящие пыльцу с цветка на цветок. Аналогия, конечно, только внешняя: в одном случае переносится целиком, со всем хромосомным набором, клетка, пыльцевое зерно, а в другом случае — небольшой участок молекулы ДНК. Да и фаг с бактерией состоят в более «интимных» отношениях, чем пчела или шмель с цветком.

Когда говорят о трансдукции, то всегда упоминают и лизогенную конверсию. Это вот что такое. Умеренный фаг сам по себе, без перенесения бактериальных генов, может при «сожительстве» с бактерией менять некоторые ее свой ства. И это не всегда безразлично для человека.

Здесь, на первый взгляд, многое напоминает половой процесс у многоклеточных. Две бактериальные клетки «слипаются»; в месте соприкосновения у них, вероятно, лопаются клеточные стенки, и содержимое одной клетки может переходить в другую. Полного перехода обычно не бывает, но все-таки в генетический аппарат клетки включается гораздо больше чужой ДНК, чем при трансформации и трансдукции. Потом «оплодотворенная» клетка начинает делиться, а «оплодотворяющая» погибает. Весь процесс длится около часа.

Гены из клетки в клетку передаются в строгом порядке. Был проделан такой опыт. Конъюгирующие пары бактерий разобщали, не дожидаясь их естественного разъединения. Исследуя затем потомство, замечали, что чем дольше клетки оставались вместе, тем больше генов переходило, и, более того, для каждого гена был свой срок перехода: для одного, скажем, пять минут от начала конъюгации, а для другого — десять.Очень интересно, что у бактерий (эти опыты ставились на бактериях кишечной группы) одна клетка могла лишь воспринимать ДНК, а другая — лишь передавать ее. Иными словами, имелось как бы разделение бактерий на «самцов» и «самок».Все как будто бы понятно, и многому есть аналогии в привычных явлениях... Но и здесь вскоре начались неясности.

 Вначале был обнаружен удивительный факт. Если бактерий-самцов держать вместе с дамками, то множество

самок «меняет пол» — обретает способность передавать генетический материал. Причем «перемена пола» не связана с самой конъюгацией — бактериям достаточно побыть вместе, но обязательно так, чтобы клетки соприкасались. Вот как это объясняют. В конъюгации принимает участие вирусоподобное существо — так называемая половая эпи- сома, или фактор пола. Если она находится поблизости от поверхности клетки, тогда легко передается другим клеткам. Но она может и прикрепляться к нити бактериальной ДНК; в этом случае она не переходит к другим клеткам, но каким-то образом делает возможной конъюгацию.

Механизм, благодаря которому эписома обеспечивает конъюгацию, не совсем ясен.

Один из ученых, очень много работавший в этой области, француз Франсуа Жакоб на своей лекции полушутливо сравнил эписому с паровозом, толкающим перед собой большой состав вагонов — нить бактериальной ДНК. Это, конечно, не более чем ассоциация, но ведь надо — хотя бы для себя — наглядно представить, как все это происходит!

На этом, пожалуй, мы закончим разговор о тех процессах, которые заменяют у бактерий половое размножение.

Как видите, все эти способы достаточно- причудливы. Но разве нельзя найти не менее причудливых взаимоотношений между разными полами у высокоразвитых существ?

Сколько угодно!

Загадок у природы на наш век хватит.

ЧИТАЯ эту главу, вы будете участвовать в обсуждении вопроса, может ли какая-нибудь болезнь истребить целый вид животных, а также и вид «хо- мо сапиенс», то есть род человеческий. Вы узнаете, как поддерживают постоянное равновесие в природе те живые существа, которые живут за счет других, то есть паразиты и хищники; как это равновесие может быть нарушено человеком; как человек платится за такое нарушение и как он может все-таки извлечь для себя из этого определенную пользу. Вы увидите, что и микробиология может быть превращена в военную науку. В этой главе мы часто будем отвлекаться от микробов и говорить о взаимоотношениях других живых существ. Но пусть это не смущает вас, потому что законы, действующие при этих взаимоотношениях, одинаковы для всего живого мира.