Фрэнсис Эшкрофт - На грани возможного: Наука выживания

Однако первые термофильные микроорганизмы были обнаружены вовсе не в «черных курильщиках», а в супергорячих геотермальных источниках Йеллоустонского заповедника в Вайоминге. Йеллоустон – это невиданного великолепия царство воды и огня. Пейзаж украшают сотни горячих источников и бурлящих ванн, обрамленных розовой и пурпурной желеобразной массой из микроорганизмов. Огромные водяные столбы выстреливают в воздух с такой силой, что содрогается земля. Из щелей, словно разъяренный дракон, со свистом и ревом вырывается пар. Грязевые котлы и гейзеры булькают и ворчат гораздо тише. С разноцветных скал, облепленных колониями бактерий и архей, каскадами обрушивается вода. В воздухе стоит крепкий запах тухлых яиц – это сероводород, дурно пахнущий токсичный газ, от которого саднит в горле и тяжело дышать. Вода в источниках – крутой кипяток, но это не значит, что они необитаемы. Если сунуть туда палку, она вымажется в липкой черной слизи – это и есть теплолюбивые бактерии и археи.

Впервые искать жизнь в этом кипятке додумались Томас Брок и его жена Луиза. Летом 1965 г. они приехали в Йеллоустон поработать во время отпуска, и им удалось изолировать в отводном канале от горячего сернистого источника первые гипертермофильные организмы. Это была Sulpholobus acidocaldarius, предпочитающая температуру от 60 до 95° С. Второй их находкой стала Thermus aquaticus – будущая звезда биотехнологической промышленности. Эти открытия, сделанные Броками, положили начало исследованиям экстремофилов, породили новую породу добытчиков – охотников за микробами, и послужили основой для создания многомиллионной отрасли. А еще подали микробиологам отличный повод ездить в самые отдаленные и неизведанные уголки нашей планеты в поисках доселе неизвестных науке микроорганизмов.

Когда Томас Брок выделил Sulpholobus, наука категорически отрицала, что при температуре выше 50° С может существовать жизнь, – возможно поэтому никто и не пытался искать ее в такой экстремальной среде. Брок же культивировал собранные бактерии при естественной температуре их обитания, потому и преуспел. Менее проницательный ученый, вероятно, не устоял бы перед соблазном понизить температуру из ошибочных соображений, что так бактерии будут расти лучше. И ничего бы не получилось, поскольку Sulpholobus относится к облигатным термофилам. Изоляция первого вида экстремофилов, как и любой прорыв в науке, осуществилась благодаря острой наблюдательности и умению нарушить догму. Ученым не помешает брать пример с Белой Королевы из «Алисы в Зазеркалье», которая «успевала поверить в десяток невозможностей до завтрака».

Многоклеточным животным по жаростойкости, конечно, далеко до термофилов вроде архей и бактерий, однако и среди них есть рекордсмены – например, помпейский червь или серебристый сахарский муравей. Муравей выходит пастись под палящим зноем до 55° С, но ненадолго, потом ему приходится остывать, скрываясь в прохладных подземных ходах.

Жаростойкость позволяет организму занять отдельную экологическую нишу, на которую не будут претендовать другие. Однако она может стать и оружием. Японская медоносная пчела (Apis cerana japonica) использует жар собственного тела для защиты от хищных шершней (Vespa mandarinia japonica), гораздо более чувствительных к высоким температурам. Если шершень пытается напасть на колонию пчел, они набрасываются на обидчика скопом, окружая его со всех сторон. Температура внутри этого жужжащего клубка моментально подскакивает до 48° С – смертельных для шершня, но не опасных для пчел. Незваный гость просто поджаривается заживо.

При температуре выше 50° С погибает большинство клеток, поскольку белок плохо переносит перегрев. Молекулярные вибрации, начинающиеся под воздействием жары, разрывают белок на части, распуская зрелые белковые цепочки и препятствуя правильной укладке новых. Такая денатурация опасна, поскольку белок перестает нормально выполнять свои функции. Структурные белки истощаются, а ферменты не могут катализировать биохимические реакции. О том, чем грозит неправильная укладка формирующегося белка, британское население теперь осведомлено достаточно широко, поскольку губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота (или «коровье бешенство») вызывается как раз специфической формой неверно свернувшегося белка, который провоцирует искажение и остальных, нормальных, белков. По неизученным пока причинам неправильно свернувшийся белок токсичен и вызывает гибель нейронов.

Тепловое повреждение белка практически необратимо. Вареный яичный белок так и останется твердым, белым и резиновым – даже после охлаждения его невозможно вернуть в прежнее текучее состояние. Остывший бифштекс хоть и не так вкусен, как горячий, все равно остается куском прожаренного мяса с уничтоженными высокой температурой мышечными волокнами. Однако после менее серьезных повреждений клетки способны восстанавливаться – с помощью белка теплового шока. Эти молекулярные телохранители наводят порядок, заставляя белок свернуться заново, на этот раз правильно. Необратимо поврежденный белок помечается и разлагается на составляющие его аминокислоты, которые затем снова используются. То есть белок теплового шока – это что-то вроде биохимической пожарной команды.

Белок состоит из линейной цепочки аминокислот, но, подобно нитке бус, упавшей на пол, эта цепочка сворачивается в гораздо более сложные фигуры. Иногда цепочки соединяются попарно или большим количеством, образуя крупные молекулы (например, инсулин состоит из двух субъединиц, гемоглобин – из четырех). Огромное значение имеет пространственная структура белка. Сигнальная молекула должна идеально стыковаться с принимающим рецептором, ферменты должны правильно обволакивать свои субстраты, структурные белки – плотно укладываться в слой. Сворачивание белка зависит от его аминокислотной последовательности, однако внутри клетки процесс сворачивания затрудняет высокая концентрация других белков. Из-за этого молекулярного столпотворения белок может вместо собственной цепочки образовывать случайные связи с соседними белками. Для того чтобы этого не происходило, существуют белки-телохранители – белки-«дуэньи», выполняющие, по сути, ту же роль, что и настоящие дуэньи в викторианскую эпоху. Они помогают другим белкам и при обычной температуре, но когда температура растет, их число тоже значительно увеличивается. Именно поэтому их назвали белками теплового шока – они вырабатываются в основном как реакция на жару. Между тем у нас по-прежнему остается неразрешимая загадка: чем обеспечивается правильное сворачивание самих белков-телохранителей при критической температуре?