Федор Полканов - Мы и её величество ДНК

Сейчас уже широко известно: бактерии приспосабливаются к лечебным препаратам. Как бы ни было могущественно лекарство, со временем оно или совсем перестает действовать на бактерии или действует на них слабее. Раньше полагали, что бактерии попросту привыкают к лекарству. Позже точными опытами выяснили, что это не так. Среди миллионов бактерий находятся единицы, а может быть, и единица, где возникла мутация, обуславливающая стойкость к препарату. Легко понять, что немутатные бактерии гибнут, а мутатные выживают и начинают размножаться. Именно так возникли пневмококи, устойчивые к стрептомицину.

В опыт взяли бактерии, устойчивые и неустойчивые к стрептомицину. Бактерии стрептомициноустойчивые убивали и размельчали. Затем в среду, содержащую убитые и размельченные бактерии, пускали бактерии неустойчивые. И тогда с ними происходили странные изменения: от своего мертвого предшественника они воспринимали нехватающее им свойство, делались стрептомициноустойчивыми!

Результаты заинтересовали ученых, и поэтому они продолжили опыты, но уже в других вариантах. При помощи фильтрации и прочих приемов обработки из убитых, устойчивых к стрептомицину бактерий извлекали чистую ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту). И оказалось, что при воздействии ею, как и при воздействии размельченными бактериями, неустойчивые по отношению к стрептомицину бактерии становятся устойчивыми.

Через ДНК они воспринимают от мертвого предшественника свойственный ему ген и включают его в свой генотип.

Это явление получило название трансформации. Оно показало: носителем наследственной информации является ДНК.

Написал заголовок и сразу же усомнился в его правильности. Очень уж исторически неустойчива она, эта грань. Некогда простейшими из живых существ люди считали сложно устроенных губок и кишечнополостных.

Потом благодаря изобретению микроскопа открылось человеческому глазу чудо микробного мира. Сколько с тех пор прошло времени? Не так уж много. А мы уже знаем вирусов и бактериофагов и именно их принимаем сейчас за простейшие проявления жизни. И, конечно, не можем быть уверены в том, что через сто или двадцать лет наука не обнаружит что-то еще более простое и более загадочное.

По поводу вирусов до сих пор идут споры: что это — живое или неживое?

Микроскопически малые размеры (чтобы рассмотреть их, требуется увеличение в 100000 раз), загадочное свойство переходить в кристаллическое состояние и пребывать в нем неограниченно долго — право же есть в вирусах немало удивительного!

Для генетики вирусы интересны чрезвычайно. Особенно бактериофаги.

Ни один из вирусов не в состоянии существовать самостоятельно, вне клетки того или иного хозяина. При этом вирусы поступают с хозяином безжалостно: изменяют ход обычных реакций, вынуждая производить не новые клетки собственного тела, а новые частички вирусов. Проследить это можно на бактериофагах — вирусах, «нападающих» на бактерии, вступающих с ними в сложнейшие взаимоотношения.

Фотография фага под электронным микроскопом показывает, что частица его состоит из сравнительно округлой головки и вытянутого в трубку хвостика. Однако при более тщательном изучении выясняется, что сравнение с головастиком крайне неубедительно. Это скорее шприц, где «хвостик» — игла. Протыкая в онределенном месте тело бактерии, фаг «впрыскивает» в нее свое содержимое. А содержимое — это не что иное, как нуклеиновая кислота — вещество, ответственное за генетическую информацию. Этот «заряд» ДНК заключен в белковую капсулу. Интересно, что для заражения бактерии нужна лишь ДНК. Белок не входит в бактериальную клетку. Специальными опытами показано, что его можно полностью удалить и заражение произойдет без него.

Попав в клетку, ДНК фага подавляет синтез нуклеиновой кислоты бактерии и превращает бактериальную ДНК в фаговую.

Схема бактериофага.

Не всегда, напав на бактерию, фаг уничтожает ее, воссоздавая собственные частицы. Иногда процесс происходит иначе, и вот эти-то случаи особенно интересны. Нуклеиновая кислота фага, попав в клетку, не начинает тотчас же свою разбойничью деятельность. Напротив, она прикрепляется к бактериальной хромосоме, образуя так называемый профаг. Он ведет себя скромно, уподобляясь новому гену бактерии: делится вместе с бактериальной хромосомой. Его даже можно нанести на бактериальную хромосомную карту. При постоянных внешних условиях такого рода бактерии могут существовать практически бесконечное числе поколений: они, попросту говоря, включили в свой генотип дополнительно еще генотип фага. Но в то же время такая бактерия несет в себе как бы заряд взрывчатки. При изменении условий происходит «взрыв», фаг становится хозяином положения, и бактерия распадается, образуя фаговые частицы. При этом совершаются очень интересные вещи. Не только формируются в большом числе генотипы бактериофага, но отдельные фаговые частицы захватывают, включают в себя, в состав своей оболочки и генотипа куски хромосомы бактерии. Понятно, что когда такие фаги заражают новые клетки, они приносят туда не только свой собственный, но дополнительно и бактериальный генетический материал. Далее между профагом и бактериальной хромосомой может произойти перекрест, и бактерия получит новые гены. Это явление называют трансдукцией. Отсюда уже нетрудно сделать заключение, что взаимоотношение фага с бактерией не только взаимоотношение жертвы и хищника. Нет, они много сложнее: этим способом переносится информация, осуществляются генетические перекомбинации. В меняющихся условиях жизни это для бактериального вида оказывается очень важным.

В то время как генетики-микробиологи ставили свои поистине сенсационные опыты с бактериями и бактериофагами, показавшие, что хромосома есть не что иное, как очень длинная полимерная молекула ДНК, биохимики штурмовали ту же проблему с другой стороны. Изучали химическое строение хромосомы.

Полимерная цепочка — молекула ДНК— всегда имеет форму нити, слагающейся из очень большого числа отдельных элементов — нуклеотидов. Последние, в свою очередь, тоже сложно устроены, однако каждый из них состоит из трех составных частей: основания, углеводного компонента (сахара) и фосфорной кислоты. Соединены они между собой всегда следующим образом:

Основание ............. Сахар ............. Фосфорная кислота

Разные нуклеотиды соединены между собой в ДНК путем чередования углевода и фосфорной кислоты, а основания всегда лежат сбоку. При этом сахар и фосфорная кислота по всей длине цепочки одинаковы, в то время как основания здесь четырех типов: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Для простоты их обозначают буквами А, Ц, Г и Т. В разных ДНК эти основания расположены в различной последовательности, а поскольку длина полимерной цепочки очень велика, образуется практически бесконечное число различных типов ДНК, несущих разную генетическую информацию. Ее величество многолика! Через нее осуществляется передача наследственной информации у всего живого: от вирусов до человека.