Журнал «Знание-сила» - Знание-сила, 1998 № 07 (853)

Чтение геномов принесло свои сюрпризы. Науке известны так называемые археобактерии. Ценность «архей» для биосферы невозможно переоценить: они составляют основную массу пикопланктона — мельчайшего планктона в холодных водах океанов. Плотность его огромна: его биомасса эквивалентна тремстам слонам на квадратный километр африканской саванны. Что же тут удивляться огромным биомассам китов.

Так вот эти самые археобактерии — одни из самых древних организмов на Земле — по своим генетическим текстам оказываются ближе к нам, млекопитающим, нежели к истинным микроорганизмам.

Так молекулярные биологи открывают иную сущность систематикам, которые все никак не расстанутся со своими «кон-» и «дивергенциями». Но с мифами приходится расставаться и в более привычных сферах. Уж сколько раз твердили миру, что нельзя слепо доверять лжепророкам. Мыс младых ногтей привыкли считать само собой разумеющимся, что в Австралии сумчатая фауна не эволюционировала и сохранилась благодаря отсутствию хищников, осложняющих борьбу за существование.

И лишь недавно я прочитал в «Нейчур», что сумчатость никакого отношения не имеет к «заторможенной» эволюции, а является превосходной адаптацией: приспособлением к чрезвычайно сухому климату, в котором био продуктивность резко снижена. Вот такие каждодневные открытия чрезмерно осложняют наше понимание феномена эволюции. В отличие от тех, кому все ясно с борьбой и отбором.

Еще в 1993 году в Кембридже был охарактеризован геном знаменитой рыбки фугу, чрезвычайно ядовитой, но тем не менее пользующейся у японских гурманов заслуженной славой деликатеса при правильном приготовлении. Геном рыбки равен всего лишь десятой доле человеческого, но представляет собой прекрасный прообраз — архетип — геномов всех позвоночных. К тому же плотность расположения генов у рыбки тоже почти в десять раз выше, чем у человека, что облегчает поиски оных.

Уже тогда стало ясно, что на подступах к Монблану человеческого генома необходимо преодолеть несколько ступеней, осуществив прочтение более мелких геномов: кишечной палочки — почти 5 мегабаз, дрожжей — 14, круглого червя «кэнорабдитис элеганс» — 100 и, наконец, дрозофилы — 165. У фугу геном в два с половиной раза больше, чем у знаменитой мушки.

Надо признать, что наука упорно и в то же время стремительно приближается к достижению поставленных перед нею целей. Сначала в Кембридже прочитали 2,2 мегабазы третьей хромосомы червячка, ставшего на сегодня одним из излюбленнейших объектов молекулярных биологов. Было показано, что каждый третий ген имеет аналоги с уже известными.

Особенно плодотворными оказались в этом отношении последние два года, когда был опубликован полный геном дрожжей, а это очень сложный набор информации. А ведь каких-то десять лет назад расшифровка полного генома вируса СПИДа казалась научным подвигом. Оно и понятно, потому что все делалось вручную, не то что сейчас, когда для чтения геномов созданы самые настоящие фабрики типа ТИГРа.

Правая ветвь древа жизни — позвоночные, левая — без... И все это выросло из единого корня

Когда подлетаешь к Сан-Франциско, то невольно обращаешь внимание на удивительной красоты багряно-пурпурные озера соляных разработок. Невольно на память приходит византийский император Порфирогенет, прозванный так за любовь к царственному пурпуру мантии. Цвет соляных озер обусловлен скоплением микроскопических порфироносов, содержащих в своих клетках знаменитый бактериородопсин — бактериальное подобие белка наших палочек и колбочек в сетчатке глаза.

Еще в самом начале семидесятых Эстерхальт и Стокениус открыли к своему вящему удивлению, что белок солелюбивых бактерий совершает тот же фотоцикл, что и в клетках млекопитающих. Бактериородопсин, подобно родопсину обычному, содержит хромофор — носитель цвета — ротинал, который при поглощении фотона изменяется и запускает...

О том, что происходит с ретиналом после поглощения света, и о запускаемом в результате этого клеточном каскаде много писал наш выдающийся молекулярный биолог В.Энгельгардт. Совокупность процессов подобного рода он называл «интегративной биологией». Он одним из первых понял необходимость интеграции биологического знания с физикой и химией.

Солелюбивый «Галобактериум» относится к уже упоминавшимся археобактериям. Он пережил десять геологических эпох и семь больших массовых вымираний, окончательная гибель динозавров среди которых представляется эдаким частным эпизодом.

Тем более удивительным казалось в начале семидесятых сходство функций и молекулярных механизмов бактерио- и просто родопсина. Оба представляют собой мембранные белки, цепь которых семь раз «пронизывает» мембрану клетки, оба несут один и тот же хромофор, за цвет которого «наш» родопсин носит образное и весьма красивое название «зрительный пурпур». Оба белка являются светоулавливателями — наподобие светоулавливающих антенн фотоактивных центров хлоропластов зеленой растительной клетки. Оба используют — с весьма высоким КПД — уловленную световую энергию для запуска весьма важных для клеток каскадов.

Бактериоролопсин является по своей природе водородной помпой, «выкачивающей» за счет энергии света излишние ионы водорода из клетки наружу. Поначалу это было просто необходимостью, чтобы нс закислить цитоплазму сверх мыслимого — с точки зрения поддержания жизни — предела. Затем было сделано важное добавление, когда к водородному насосу присоединили еще фермент АТФ-азу: ионы водорода, отдавая свою энергию, способствовали синтезу молекул «энергетической валюты» клетки. За расшифровку тайн синтеза АТФ дали две нобелевские, последнюю не далее как в 1997 году.

Бактерии с АТФ-азой на мембране затем «внедрились» в другие клетки и превратились со временем в... митохондрии и хлоропласты. Последние стали «добывать» водород из его главного «хранилища» — воды, а в результате клетки столкнулись с необходимостью утилизировать весьма агрессивный побочный продукт — кислород. Так родилась наша нынешняя окислительная атмосфера, резко интенсифицировавшая все процессы в клетке.

Светоулавливающий принцип был использован и в других случаях, хотя в несколько ином качестве, однако физику можно считать той же самой: в хлорофилле магний отдает электрон, «выбиваемый» фотоном света, в гемоглобине же железо отдает электрон, чтобы удержать молекулу кислорода или СО 2. Понимание этих принципов помогает понять молекулярную природу жизненно важных процессов.

Сегодня это все уже имеет сугубо практическое значение. Ученых поражает высочайшая стабильность бактериоролопсина. Его высушенные пленки выдерживают нагревание почти до 150 градусов Цельсия. Это делает белок вполне применимым для разного рода электронных устройств, детекторов, датчиков и так далее. Удивительно видеть периодически мерцающие разным светом пузырьки, наполненные красителем, изменяющим свою окраску под воздействием ионов водорода, накачиваемых внутрь сфер бактериородопсином. Вполне возможно, что вскоре такие микросферы станут вполне коммерческим продуктом электроники.