Карл Циммер - Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Предки E. coli отделились от предков сальмонеллы в те времена, когда на Земле властвовали динозавры, а над головой летали птерозавры и птицы, которые по — прежнему могли похвастаться зубастыми клювами и когтями на крыльях. Из млекопитающих самыми типичными тогда были мелкие существа, напоминавшие белку. Около 65 млн лет назад эта картина начала резко меняться. Птерозавры и крупные динозавры вымерли — отчасти, вероятно, из‑за астероида, упавшего в Мексиканский залив. Вскоре после этого млекопитающие разделились на летучих мышей, громадных слоноподобных травоядных, кошкоподобных и собакоподобных хищников, грызунов и прыгающих по деревьям приматов. Птицы тоже приобрели современный вид. Но млекопитающих и птиц объединяет не только успех в вопросе выживания. Их предки независимо друг от друга развили способность поддерживать постоянную температуру тела. Их кишечник стал подходящей средой обитания для бактерий, в том числе для предков E. coli. Активный метаболизм теплокровных животных требует обильной пищи, а богатый питательными веществами рацион способен прокормить, помимо хозяина, еще и целую уйму бактерий. Жизнь в кишечнике, где всегда тепло, позволяет ферментам микроорганизмов работать быстро и эффективно. Возможно, тот факт, что расцвет E. coli совпадает по времени с расцветом ее нынешних хозяев, — не просто совпадение.

От E. coli, которые жили в давние времена, произошло множество штаммов, населяющих наши внутренности; некоторые из них безвредны, а иные даже полезны, одни разрушают мозг или губят почки, а другие даже приспособились к жизни вне теплого уютного тела. Если условия позволяют, жизнь нередко отвечает вспышкой разнообразия. Но E. coli — особый случай. Ученые могут разобрать историю ее эволюции во всех подробностях, буквально ген за геном.

Чтобы получить представление о том, насколько E. coli разнообразна как вид, достаточно посмотреть на два штамма — К-12 и 0157: Н7. Бактерия штамма К-12 — домашняя собачка мира микроорганизмов. Она настолько безобидна, что ученые при работе с ней не принимают никаких мер предосторожности; напротив, им приходится защищать ее от грибов и других бактерий. А вот 0157: Н7 — настоящий волк. Она впрыскивает в наши клетки химические соединения, нарушающие их работу, разрушает кишечник и вызывает кровотечения, травит нас токсинами, а иногда отключает целые органы и даже убивает нас. Каждый из этих штаммов опирается на сеть вполне конкретных генов и белков, которые позволяют бактериям благоденствовать в определенной экологической нише, и сети эти сильно различаются между собой. Тем не менее, несмотря на все различия, К-12 и 0157: Н7 происходят от общего предка, жившего, по оценкам ученых, 4,5 млн лет назад — в те времена, когда наши предки были еще прямоходящими человекообразными обезьянами.

В 2001 г. исследователи впервые сумели получить представление о том, как один микроорганизм мог дать начало двум таким разным потомкам. Именно тогда две команды ученых — японская и американская — независимо друг от друга опубликовали полную расшифровку генома штамма 0157: Н7. Появилась возможность сравнить его, ген за геном, с геномом штамма К-12, расшифровка которого была опубликована четырьмя годами ранее. Никто не мог сказать наверняка, что даст такое сравнение.

Еще в 1970–е гг. ученые начали сравнивать небольшие фрагменты ДНК разных штаммов E. coli. Фрагменты оказались практически идентичными как по последовательности генов, так и по расположению в хромосоме. Ученым удалось даже найти соответствующие генные фрагменты в ДНК бактерии Salmonella enterica. На основании этих данных многие ученые полагали, что весь геном E. coli устроен по той же схеме. Им казалось, что эволюционная история E. coli была гладкой и последовательной. Бактерия — предок дала начало множеству линий, некоторые из них эволюционировали в сегодняшние штаммы. В каждой линии, естественно, возникали мутации, часть их подхватывалась естественным отбором; в этом случае мутанты вытесняли менее удачливых родичей. Горизонтальный перенос, возможно, добавил в геном несколько генов от других видов бактерий, но многие ученые, несмотря на работу Ледерберга и Ватанабэ, считали, что такой перенос всегда был редким явлением.

Когда же ученые получили наконец возможность сравнить два генома, удивлению их не было предела. В геноме каждого штамма обнаружились обширные участки ДНК, не имевшие очевидных соответствий со вторым штаммом. Оказалось, что в ДНК штамма 0157: Н7 присутствует 5,5 млн пар нуклеотидов, тогда как у К-12 их всего 4,6 млн. Примерно 1,34 млн пар нуклеотидов штамма 0157: Н7 попросту отсутствуют у К-12, а более чем 0,5 млн пар нуклеотидов К-12 не имеют соответствия в ДНК 0157: Н7. Кроме того, ученые составили карту обоих геномов; картина получилась аналогичная. У штамма К-12 есть 4405 генов, из которых 528 не имеет аналога в геноме 0157: Н7; примерно 1387 генов штамма 0157: Н7 отсутствуют в геноме К-12.

Каждый из рассмотренных геномов напоминает круг на диаграмме Венна [21] Диаграмма Венна — схематичное изображение всех возможных пересечений нескольких (часто трех) множеств. — Прим. ред. . Пересечение кругов штаммов К-12 и 0157: Н7 представляет основу генома — гены, присутствующие в обоих штаммах и унаследованные бактериями от общего предка. После расхождения линий каждая из них приобрела немало новых генов. Речь, разумеется, не только о тех нескольких генах, которые обеспечивают бактерии резистентность к антибиотикам. Оба штамма приобрели сотни «собственных» генов, которые сегодня составляют до четверти их генома.

Через год после расшифровки генома штамма 0157: Н7 еще одна группа исследователей опубликовала расшифровку генома третьего штамма E. coli — CFT073. Он населяет кишечник, не причиняя никому вреда, но при попадании в мочевой пузырь может вызвать болезненную инфекцию. Ученые обнаружили, что геном этого штамма представляет собой третий круг диаграммы Венна для E. coli. У CFT073 есть некоторое количество генов, общих с К-12, которых нет у 0157: Н7. Некоторые его общие с 0157: Н7 гены отсутствуют у К-12. Но для 1623 генов этого штамма ученым не удалось обнаружить соответствия ни в одном из двух других штаммов. В центре новой диаграммы Венна образовалась новая сердцевина из генов, которыми обладают все исследованные штаммы E. coli. Вошло в нее всего 40 % генов. Сердцевина — основа, общая для всех штаммов вида, — сжимается.

К моменту написания этой книги уже секвенированы геномы примерно 30 штаммов E. coli, но гораздо большее число штаммов еще ждет своего исследователя. С каждым новым штаммом ученые открывают десятки и даже сотни новых генов, которых нет больше ни у одного другого штамма бактерии. У каждого есть гены, общие с несколькими другими штаммами. Список генов, общих для всех штаммов E. coli, все укорачивается, в то время как список обнаруженных хотя бы у одного штамма — расширяется. Ученые называют эту совокупность генов E. coli пангеномом. В нем в настоящий момент насчитывается около 11 000 генов, и, по некоторым оценкам, при подобных темпах вскоре их количество может превысить 18 000.