Евгений Плисов - Научное мировоззрение изменит вашу жизнь. Почему мы изучаем Вселенную и как это помогает нам понять самих себя?

Теперь представьте, что вы ученый. В вашей голове засела странная мысль: «Можно ли искусственно заставить два микроорганизма работать друг на друга? Повторить то, что случилось миллиарды лет назад?» Такие эксперименты были поставлены в 2018 году. Исследователи из Института Скриппса в Америке выбрали для этих целей одни из самых изученных организмов на свете: пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) и кишечную палочку (Escherichia coli). Никто по доброй воле просто так не работает, поэтому сперва нужно было провести ряд модификаций. Во-первых, бактерию лишили самодостаточности. Кишечная палочка — живучий микроб, и, чтобы для нее сотрудничество стало выгодным, нужно что-то у нее отнять и предложить вернуть это что-то за работу. В данном эксперименте ее сделали ауксотрофом по тиамину (витамину B 1), необходимому для углеводного обмена. Термин «ауксотроф» означает, что организм не способен производить какое-либо вещество самостоятельно, и оно ему необходимо во внешней среде. Тиамин же вырабатывается клетками дрожжей. Удаляя из бактериальной хромосомы гены, ответственные за синтез собственного тиамина, исследователи также вставили в это место гены, производящие зеленый флуоресцентный белок, а еще белки, помогающие бактерии справляться с антибиотиком канамицином. Получились зависимые от тиамина бактерии, которых легко отделить от остальных, добавив в среду антибиотик (выживут только ваши, устойчивые), а также можно отследить в специальный микроскоп — они светятся. Очень удобно.

Во-вторых — сделали кишечную палочку полезной для того, в ком она будет жить. Для этого в нее вставили специальные гены, способные забирать разряженные молекулы энергии у хозяина (АДФ, аденозиндифосфат) и отдавать заряженные (АТФ, аденозинтрифосфат). Клетка бактерии, таким образом, превращается в зарядную станцию. В-третьих, ученые сделали клетки дрожжей зависимыми от бактерии. Для этого у дрожжей удалили один из ключевых митохондриальных генов, то есть теперь у них есть митохондрии, но они не работают. Дрожжи перестали вырабатывать собственные молекулы АТФ, и теперь единственным способом получить их остается взаимодействие с бактериями.

В-четвертых, исследователи заблокировали способность клеток дрожжей атаковать проникшие в них бактерии. Изначальный механизм такой: если в клетке эукариота оказывается подозрительный пузырек, к нему обычно устремляется лизосома и спешит этот пузырек переварить как пищу или угрозу. Для защиты собственных органелл от такого воздействия (они тоже подозрительные пузырьки) клетка покрыла их мембраны специальными «белками узнавания» (SNARE-белки). Когда на мембране есть белки SNARE, то эта структура своя, родная. Многие паразитические бактерии, привыкшие жить внутри чужих клеток, также начали вырабатывать такие белки, чтобы «иммунная система» хозяина не могла их распознать. С этой же целью авторы эксперимента добавили кишечной палочке SNARE-подобные белки на мембрану, взяв их у хламидий. Теперь они защищены от случайного или намеренного переваривания дрожжами.

В-пятых, ученые выяснили (хотя это было не обязательно, но интересно с точки зрения исторического процесса), можно ли удалить у кишечной палочки еще гены, ответственные за синтез важных продуктов ее жизнедеятельности, но при этом оставить ее живой, поскольку этими продуктами ее обеспечивает клетка-хозяйка. Оказалось, можно. В итоге удалось добиться симбиоза бактерий и дрожжей, причем такие клетки-химеры жили как минимум 40 поколений. Исследователи сделали так, что дрожжи стали дышать с помощью бактерий. Обычные дрожжи и обычная кишечная палочка. Этот эксперимент красиво показывает, как могли развиваться события в те далекие годы, когда только начинался период эндосимбиоза. Теперь в наших клетках сидят древние дышащие бактерии и дышат для нас последние 1,5 млрд лет. У них осталось лишь 37 генов, всю заботу о своем благополучии они поручили нам, а сами прилежно выполняют возложенные на них обязательства. Удивительно, как природа открывает перед нами все новые способы сотрудничества и взаимопомощи между существами. Хотя тут, напомню, как посмотреть. Возможно, это акт паразитизма, причем непонятно, кто на ком паразитирует. Ядерный организм, который поглотил бактерию и теперь ее эксплуатирует себе на благо, либо бактерия, забирающая у клетки все, что ей необходимо, и сама живущая в уютном защищенном домике. От любви до ненависти и наоборот, как говорится, один шаг. В любом случае сейчас мы не можем друг без друга: клетки без митохондрий и митохондрии без клетки.

Хлоропласты у растений появились таким же образом. В свое время эукариот поглотил (или начал с ней сотрудничать) цианобактерию и оставил ее у себя навечно, сделав хлоропластом. Детский вопрос: почему растения зеленые? Потому что в них хлорофилл. А где хлорофилл? В хлоропластах. Зачем искать пищу, когда внутри вас сидит зеленый организм, производит вам сахара почти бесплатно, знай только на свет почаще выходи. Так начался век растений. С тех пор животные и растения пошли разными дорогами, и все началось с судьбоносного выбора партнера для жизни. До животных, правда, еще далеко, тут подразумевается именно тип питания. И да, на всякий случай напомню, что у растений тоже есть митохондрии, а вот у животных хлоропластов нет.

Животные не обладают хлоропластами, но у этого правила есть исключения. Не всем животным понравилась судьба вечно рыскать в поисках ресурсов, и кто-то захотел стать растением. На свете есть моллюск, называется Elysia chlorotica. Хотя он и относится к классу брюхоногих моллюсков, внешне элизия больше похожа на зеленого плоского червя, сильно смахивающего на листик. Когда моллюск молод, он имеет коричневую окраску и ползает в поисках водорослей. Найдя пищу, а именно водоросль Vaucheria Litorea, он прокалывает оболочку клетки своей радулой и высасывает ее содержимое. Почти всё содержимое клетки слизень переваривает, но хлоропласты водоросли оставляет нетронутыми, поставляя их в собственные клетки. Так проходит вся молодость этого моллюска: он ест водоросли, но их хлоропласты не трогает, забивает ими свои собственные клетки и сам становится зеленым, как водоросль. Далее его ждет растительный тип жизни, ведь теперь он способен фотосинтезировать. Перемещаясь на солнечный свет, он поглощает его украденными хлоропластами и так питается. Если моллюск будет долго находиться в тени, он начнет обесцвечиваться из-за гибели хлоропластов, но это не проблема — он же животное, и время вернуться на гетеротрофный тип питания, пока запасы хлоропластов вновь не будут восполнены. Какое-то время оставалось загадкой, каким образом элизия способна поддерживать жизнь чужих хлоропластов внутри себя. Оказалось, что у нее есть гены, ответственные за поддержание порабощенных рабочих в активном состоянии, и эти гены достались ей, судя по всему, от водорослей, которые она пожирает. Возможно, так получилось из-за горизонтального переноса генов, и помогают обычно в этом процессе вирусы. Элизии все эти размышления, скорее всего, абсолютно не интересны. Она — животное, превратившее себя в растение, и от ее крутизны падают в обморок все брюхоногие моллюски в округе.