Джеймс Уотсон - ДНК. История генетической революции

Все перспективы анализа бактериальной ДНК в полной мере удалось реализовать в медицинской диагностике: для эффективного лечения врач должен первым делом идентифицировать возбудителя. Традиционно для этого требовалось культивировать бактерии из инфицированных тканей – это медленный процесс, особенно мучительный, когда нельзя терять ни минуты. Пользуясь таким быстрым, простым и точным анализом ДНК для распознавания микробов, врач мог приступить к адекватному лечению гораздо быстрее. Внедрение этой технологии было буквально навязано практической медицине в интересах национальной безопасности: осенью 2001 года требовалось выявить источник распространения сибирской язвы, зарегистрированный в США. Секвенировав бактерию сибирской язвы из образца, взятого у первой жертвы, исследователи из TIGR получили точный «генетический отпечаток» именно этого штамма. В 2008 году Брюс Айвинс, микробиолог на госслужбе, которого признали главным подозреваемым по этому делу, совершил самоубийство. В 2011 году, когда в Германии из-за смертельной вспышки токсикоинфекции погибло 23 человека, молниеносное секвенирование ДНК позволило выявить опасную бактерию за считаные дни. Сколько жизней при этом было спасено!

По мере того как мы всё больше узнаем о геномах микроорганизмов, вырисовывается поразительная закономерность. Как мы уже знаем, эволюция позвоночных – это история прогрессирующей генетической экономии: благодаря расширению арсенала регуляторных генетических механизмов одни и те же гены становятся все более многофункциональными. Даже если и появляются новые гены, они обычно представляют собой всего лишь вариации на имеющуюся генетическую тему. Напротив, бактериальная эволюция оказалась целой сагой о гораздо более радикальной трансформации; это головокружительный процесс, благоприятствующий импорту или созданию совершенно новых генов, а не доводке того материала, который уже имеется в геноме.

В действительности, рекомбинантная технология стала возможной именно потому, что бактерии превосходно умеют инкорпорировать новые фрагменты ДНК (обычно в виде плазмид). Неудивительно, что и во всей бактериальной эволюции прослеживается драматическая история заимствования генов, уходящая в прошлое. E. coli , безобидная обитательница нашего кишечника (и чашек Петри в наших лабораториях), в результате заимствования генов превращается в убийственные штаммы. Яды, выделяемые одним из штаммов, провоцируют вспышки токсикоинфекций (например, в Шотландии в 1996 году – 21 погибший). Появляются заголовки о «смертоносных гамбургерах». Все дело в обширном межвидовом генетическом «заимствовании» у бактерий.

Как правило, генетический материал передается «по вертикали» – от предков к потомкам. Вышеописанный мной механизм заимствования ДНК именуется «горизонтальным переносом». Если сравнить геномную последовательность обычной E. coli и патогенного штамма, то видно, что в обоих геномах имеется общий генетический «остов», демонстрирующий, что оба штамма относятся к одному и тому же виду, но в ДНК у патогенной бактерии есть множество уникальных дивергентных «фрагментов». В целом у патогена отсутствует 528 генов, имеющихся у обычной бактерии, зато есть 1387 таких, которыми она не обладает. Именно такая замена – 528 на 1387 – позволяет понять, как один из самых безобидных организмов в природе превращается в убийцу. Анализ того штамма E. coli , который спровоцировал смертельную вспышку в Германии в 2011 году, показал, что опасная бактерия приобрела несколько генов антибиотикорезистентности.

Для других патогенных бактерий тоже характерен подобный массовый горизонтальный перенос генов. Так, холерный вибрион, возбудитель холеры, интересен тем, что у него есть две отдельные хромосомы (что нехарактерно для бактерий). Более крупная из них (около трех миллионов пар оснований), по всей видимости, имелась у микроба изначально, и именно в ней содержится большинство генов, жизненно важных для работы клетки. Меньшая хромосома (около миллиона пар оснований) кажется мозаичной, составленной из лоскутков ДНК, заимствованных у других видов. Примечательный и беспрецедентный случай горизонтального переноса генов недавно выявлен у вируса (бактериофага) WO, который обычно гнездится внутри бактерий, обитающих в клетках у насекомых. Секвенировав геном серовара WO, исследователи с удивлением обнаружили, что треть его ДНК не вирусного и даже не бактериального происхождения, а заимствована у насекомых и паукообразных. Поразительно, что в этом генетическом миксе нашелся даже фрагмент гена, кодирующего латротоксин – основное действующее вещество в яде паука «черная вдова». Небанальный вирус WO получил новое прозвище: франкенфаг.

Так уж устроены сложно организованные существа, в особенности такие крупные, как люди, что их внутренний метаболизм, включая биохимический гомеостаз, изолирован от факторов внешней среды. Как правило, чужеродные антигены не могут серьезно на нас повлиять, если мы их не вдыхаем и не проглатываем. В этом причина того, что биохимические процессы у позвоночных протекают практически одинаково. В то же время бактерия гораздо сильнее подвержена химическим перипетиям окружающей среды: колонию может внезапно смыть потоком химических соединений, таких, например, как дезинфицирующий хозяйственный отбеливатель. Стоит ли удивляться, что эти исключительно уязвимые организмы обзавелись удивительно разнообразными биохимическими особенностями. Действительно, двигатель бактериальной эволюции – биохимические инновации, изобретение новых ферментов (или модернизация старых) для всевозможных химических трюков. Один из самых захватывающих и наглядных примеров такого эволюционного принципа наблюдается у группы бактерий, чьи физиологические тайны стали приоткрываться лишь совсем недавно. Речь об «экстремофилах» – микроорганизмах, предпочитающих максимально негостеприимные экосистемы.

Бактерии Pyrococcus furiosus , обнаруженные в геотермальных источниках Йеллоустонского парка, превосходно чувствуют себя в кипящей в воде и замерзают только тогда, когда температура падает ниже 70 °C. Подобные бактерии также обитают в перегретой воде «черных курильщиков» (это горячие источники, расположенные на дне океана; из-за огромного давления вода в них не закипает). Эти бактерии нашли в среде, не уступающей по агрессивности концентрированной серной кислоте, а также в крайне щелочных растворах. Thermoplasm acidophilum – всем экстремофилам экстремофил; латинское название означает, что эта бактерия выдерживает как экстремально высокие температуры, так и низкие значения pH. Некоторые экстремофилы были найдены в нефтеносных породах; оказалось, что они способны получать энергию для метаболических процессов из нефти и других углеводородов. Такие бактерии напоминают миниатюрные автомобильчики. Один из таких видов обитает в породах на полуторакилометровой глубине и ниже, а в присутствии кислорода погибает; неудивительно, что его назвали Bacillus infernus .