« Предыдущий выпуск | Архив | Следующий выпуск »
*******************************************************************
* П Р О Б Л Е М Ы Х И М И Ч Е С К О Й Б Е З О П А С Н О С Т И *
*******************************************************************
* Сообщение UCS-INFO.537, 24 декабря 1999 г. *
*******************************************************************
Итоги XX века
ГЕНЕТИКА И БУДУШЕЕ
«Империя микробольшинства
До 90% генетического разнообразия природа хранит в клетках бактерий
Несколько лет назад американские микробиологи из университета
Джорджия попытались провести полную перепись населения в «империи
бактерий».
ГРУППОВОЙ ПОРТРЕТ НЕВИДИМОК
Биомасса микробной материи оказалась равной 5х1030 граммам. Общее
количество бактерий в мировом океане равно 1013 штук. Примерно то же
количество бактерий обитает в почве континентов и морского дна. Если
все бактерии упаковать линейной стопкой, получится нить длиной в пять
триллионов световых лет! Цифра оказалась на несколько порядков больше,
чем предполагали специалисты. Только количество бактерий, обитающее
в почве земного шара, измеряется цифрой 1018 граммов — столько весит
вся надводная часть Великобритании! Масса «живого» углерода,
циркулирующего в бактериях, примерно равна массе «живого» углерода
во всех растениях планеты. На долю микробов приходится более 1015 кг
азота и 1012 кг фосфора. Круговорот веществ в микробах примерно в
10 раз выше, чем в клетках растений. Только за один год появляется
и погибает 1030 клеток.
Повсюду мир бактерий формирует потоки энергии, материи и информации,
которые вливаются в единые геохимические циклы веществ и энергии,
запускаемые потоками солнечной энергии. Микроорганизмы — это фундамент
биосферы и глобальных экосистем. Подсчитано, что, не будь конкуренции,
поверхность Земли оказалась бы покрыта многометровым слоем бактерий и
их отходами. Именно биологическая война и гонка на выживание определяют
баланс разных форм жизни. Теперь этот баланс все более зависим не
только от биологических, но и техногенных факторов на планете.
Поразительная изменчивость и разнообразие генотипа и фенотипа
бактерий потрясают. Одноклеточные находятся как бы на передней линии
фронта (или диалога?) между живой и неживой природой. В каждой горсти
земли находится до 10 тыс. разных видов бактерий, из которых человеку
известны только малые доли процента. Дело в том, что бактерии не любят
размножаться в лабораторной «неволе». Об их разнообразии ученые пока
знают очень мало. По самым скромным подсчетам, в мире существует
порядка 107 видов и подвидов микроорганизмов. 90% генетического
разнообразия природа хранит в клетках бактерий.
ЭВОЛЮЦИЯ В МИКРОМИРЕ
Универсальный генетический язык и способы изучения генома
позволили ученым добраться до «командного пункта» клеток, в которых
принимаются важнейшие решения. Каждое поколение бактерий осваивает
новые информационные территории и подгоняет под них собственные
информационные программы и материальное обеспечение.
Мир вирусов и бактерий наделен уникальным микроинструментом для
манипуляции собственными генами. Эволюция ограничила эксперимент
репертуаром генома и возможностями одной клетки. Например,
болезнетворные штаммы бактерий с резистентностью (сопротивляемостью)
к антибиотикам возникают в результате новых комбинаций молекул. В
итоге антибиотик перестает взаимодействовать с бактерией-»мишенью».
Последние исследования показали, что для такой защиты бактерии сразу
встраивают в свой геном новую «заплату» из нескольких генов. Чаще
всего бактерии избавляются от неэффективного «оружия», не пытаясь его
модифицировать. Каждое поколение бактерий ищет новое «вооружение».
Вирусы, инфицирующие клетки бактерий, являются второй важнейшей
причиной генетического разнообразия бактерий. Вирусы «воруют» гены
из хромосом бактерий и переносят «украденные» гены в новые клетки.
Фактически некоторые вирусы занимаются генетической «контрабандой»,
способствуя «нелегальному» распространению «полезных» и болезнетворных
генов в мире бактерий.
Третья причина высокой изменчивости бактерий — частые мутации
генов. Вирусы играют заметную роль в эволюции генома высших
млекопитающих и человека, увеличивая количество копий генов в
отдельных участках хромосом. Однако эволюция многоклеточных
предпочитает варьировать сборку клеток в том или ином органе для
достижения новой функции или важного качества. В мире бактерий
изменения совершаются гораздо быстрее, чем в мире животных и человека.
Это происходит потому, что главный объект эволюции бактерий — геном
клеток. У высших многоклеточных организмов объектом эволюции и отбора
является не только геном клеток, но и сборка клеток в эмбриогенезе,
половые гаметы и, наконец, взрослый организм.
Создается впечатление, что природа способна на эксперименты, для
чего и создала потрясающе огромный мир вирусов и бактерий. Объемы
информации в «горячем цехе» сборки новых молекулярных конструкций
поражают воображение. Все события в мире бактерий за одну секунду
ученые были бы вынуждены изучать 10 млрд. лет! Приходится признать,
что ключи к кладовым биоинформатики хранятся не в геноме человека и
млекопитающих, а в гигантских сообществах бактерий.
УРОКИ ГЕНОМИКА БАКТЕРИЙ
Классическая генетика приучила нас думать о молекуле ДНК как
символе незыблемого постоянства в мире перемен. Но современная
геномика лишает нас комфорта привычных аксиом, предлагая взамен
неопределенность нового качества.
Совсем недавно судьбу генома штамма кишечной палочки (наиболее
изученного объекта в генетике) проследили в постоянных лабораторных
условиях в течение 10 тыс. поколений. В лаборатории были исключены все
внешние воздействия, которые влияли на адаптацию бактерий к окружающей
среде. Регистрировали только спонтанную изменчивость генома,
обусловленную инструментарием самих клеток. Геномная карта бактерий
через 10 тыс. клеточных делений оказалась абсолютно неузнаваемой по
сравнению с исходной, если судить по взаимному расположению генов на
хромосоме. Хромосома кишечной палочки оказалась весьма динамически
организованной структурой, в которой части являются средством, а не
целью. В каждом новом поколении накапливались структурные перестройки.
Эти и другие данные подтверждают, что расположение генов на линейной
хромосоме не определяет их автономные или коллективные действия. Тайны
«генетических оркестров» не определяются тем, где и как сидят музыканты.
В любом геноме бактерий можно найти гены, структура которых мало
меняется. Обычно такие гены участвуют в синтезе незаменимых белков и
ферментов, без которых клетке не выжить. Этот «джентльменский набор»
для выживания часто повторяется у разных видов бактерий. Мы не видим
в них значительных изменений, потому что большинство изменений летальны
для клеток и не передаются потомству.
Зато горизонтальный перенос генов в одном поколении вполне допустим
и часто приводит к возникновению новых полезных качеств. Со временем
такие переносы формируют новые «семьи» и «кланы» генов. Новые семейства
генов трансформируются в новые сборки белков и новые функции клеток.
Изучение генома бактерий позволило нащупать «слабые звенья» в
агрессивном поведении бактерий. Оказалось, что многие болезнетворные
бактерии проникают мелкими партиями в организм человека под личиной
«мирных жителей». Когда их концентрация достигает критической величины,
они синхронно включают гены, которые превращают их в профессиональных
киллеров. Поэтому сегодня ученые синтезируют молекулы-сигналы, которые
лишают бактерий химического оружия в организме человека.
Современные лекарства репрограммируют поведение опасных бактерий.
Существенно, что скрининг новых «вирусов», разрушающих программу
поведения бактерий, идет сразу на клетках человека и микроорганизмов.
Ведь нужно найти средства избирательного репрограммирования генома
бактерий, которые не влияли бы на информационные программы клеток
человека. Поэтому проверку новых лекарств осуществляют на живых
клетках, регистрируя активность 1000-1500 ключевых генов. Многие
биотехнологические компании заняты поиском новых лекарств, прием
которых не искажает работу генома клеток больного человека.
В отличие от генома высших многоклеточных геном бактерий является
открытой динамической структурой, накапливающей внешнюю информацию.
Термостабильные белки и ДНК бактерий, живущих в глубоководных впадинах
океана под давлением нескольких сот атмосфер и температуре выше 110
градусов Цельсия, имеют совершенно другую пространственную конфигурацию.
Природа выискивает множество молекулярных контекстов одной функции.
Линейное расположение генов в хромосомах и трехмерная конфигурация
белков и наследственного вещества являются лишь средствами выживания.
В лабораторных условиях, когда приток информации к клеткам минимизируется,
клетки способны длительно воспроизводить один и тот же архитектурный
план. В природе приток новой информации — главный стимул, открывающий
безграничные возможности генов и генома к реорганизации.
В.Репин, «Независимая газета»-НГ Наука, 15 декабря 1999 г.