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

Оболочка E. coli — клеточная стенка — представляет собой капсулу из углевод — белковых полимеров — пептидогликанов, взбитых, как нити сахарной ваты. Снаружи она покрыта сложно устроенной внешней мембраной, которая несет множество функций: к примеру, препятствует проникновению в клетку токсических веществ. Под слоем пептидогликанов располагается трехслойная цитоплазматическая мембрана обычной структуры. Эта мембрана не позволяет крупным молекулам проникнуть в клетку E. coli и удерживает внутри микроорганизма его собственные молекулы. Сама жизнь бактерии зависит от этих молекул, постоянно взаимодействующих между собой. Благодаря тому, что 60 млн молекул E. coli плотно упакованы, химические реакции в ней могут протекать быстро. Если бы внешнего барьера не было, молекулы разбрелись бы кто куда — и E. coli перестала бы существовать.

В то же время жизнь нуждается в связи с внешним миром. Любому организму нужно, чтобы извне к нему поступали необходимые для роста вещества; кроме того, куда‑то нужно выбрасывать ядовитые отходы. Если организм не сможет питаться и избавляться от отходов, он превратится в саркофаг. E. coli решает эту проблему при помощи сотен тысяч различных пор, канальцев и насосиков во внешней мембране. Каждое отверстие имеет специфическую форму и пропускает только определенные молекулы. Некоторые из них открываются перед нужными молекулами будто в ответ на пароль.

Однако проникнуть сквозь внешнюю мембрану недостаточно; это всего лишь половина пути. Пептидогликановый слой E. coli погружен в тонкую прослойку жидкости, отделяющую его внешнюю мембрану от внутренней, так называемую периплазму. Периплазма богата ферментами, способными обезвредить опасные молекулы, прежде чем те сумеют пройти сквозь внутреннюю мембрану. Эти ферменты также разрезают ценные молекулы на части, чтобы они прошли сквозь канальцы внутренней мембраны.

Одновременно с этим через другие канальцы E. coli выводит отходы своей жизнедеятельности. Таким образом, сквозь оболочку E. coli в обоих направлениях постоянно проходят различные вещества, но это не бурный и смертельно опасный поток, а упорядоченный ручеек тщательно отобранных веществ.

Несомненно, E. coli сумела изящно решить одну из универсальных проблем жизни. Но любые решения имеют тенденцию создавать новые проблемы. Из‑за конструкции внешних барьеров этот микроорганизм постоянно находится на грани взрыва. Молекулы воды достаточно малы, чтобы свободно проскальзывать сквозь его мембрану внутрь и наружу. Внутри E. coli много белков и других крупных молекул, и для воды места остается немного. Это означает, что в любой момент молекул воды, стремящихся проникнуть внутрь E. coli, больше, чем тех, которые стремятся выйти из нее наружу. Поступившие внутрь молекулы создают в бактериальной клетке E. coli огромное давление, в несколько раз превышающее атмосферное. Даже небольшое отверстие в оболочке может привести к взрыву микроорганизма. Если уколоть человека, пойдет кровь, но E. coli, получив укол, просто взорвется.

Надо сказать, что у E. coli есть свои способы борьбы с повышенным внутренним давлением. Один из них — тот самый пептидогликановый слой, или, как его еще называют, муреиновый мешок из переплетающихся, как сеть, молекул между внешней и внутренней мембранами. Этот корсет достаточно прочен, чтобы противостоять силе поступающей воды. Кроме того, E. coli посылает к мембране целую армию ферментов, которые устраняют любые повреждения молекул, вызванные воздействием кислот, радиоактивного излучения или других факторов. Чтобы расти, бактерия должна непрерывно перестраивать свои мембраны и муреиновый мешок, осторожно встраивая дополнительные молекулы и ни на мгновение не оставляя отверстий.

Проблема, с которой сталкивается E. coli, существенна и для нас. Клетки человеческого организма тщательно регулируют потоки веществ, проходящие через их стенки внутрь и наружу. Наши тела используют как барьер кожу, в которой есть, разумеется, отверстия — поры потовых желез, слуховые проходы, ротовое отверстие и т. п. Поврежденные и старые клетки кожи постепенно отшелушиваются, а подстилающие их новые растут и делятся. То же самое происходит с клетками слизистой оболочки, выстилающей пищеварительный тракт: по существу, это просто внутренняя кожа. Быстрая естественная смена клеток позволяет покровной ткани эффективно залечивать небольшие повреждения и защищать организм от инфекции. Но эта же быстрая смена клеток создает новую серьезную опасность. Всякий раз при делении клетки существует небольшой риск мутации и перерождения ее в раковую. Так что не удивительно, что рак кожи и прямой кишки относятся к наиболее распространенным формам рака. И человек, и E. coli вынуждены расплачиваться за защиту и сохранение формы.

Внешние барьеры и гены необходимы для жизни, но их одних далеко не достаточно. Поместите ДНК внутрь мембраны — и вы получите лишь пузырек, не имеющий ничего общего с жизнью. Живые существа должны поглощать молекулы разных веществ и энергию и превращать их в живую материю. Им необходим обмен веществ, или метаболизм.

Метаболизм построен из сотен химических реакций. Каждая из них по отдельности может быть очень проста. К примеру, какой‑нибудь фермент отнимает атом водорода у определенной молекулы. Но затем эту молекулу захватывает другой фермент, с помощью которого с ней происходят те или иные превращения, а дальше она включается в цепь все усложняющихся реакций: они могут пересекаться с другими цепями, ветвиться, замыкаться в кольцо. Первым живым существом, в чьем метаболизме ученым удалось разобраться до тонкостей, была E. coli.

На это у них ушла большая часть XX в. Они кормили бактерию радиоактивной пищей, чтобы затем отслеживать, какими путями в бактериальной клетке происходит движение атомов от молекулы к молекуле. Это была долгая и трудная работа. После того как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК, их фотография появилась в журнале L ife: двое ученых, а между ними возвышался скелет молекулы ДНК. Фотографии исследователей, общими усилиями создавших схему метаболизма E. coli, не существует. Кроме того, подобная фотография в любом случае получилась бы неудачной: несколько сотен человек вокруг одной диаграммы, исчерченной множеством стрелок и напоминающей спутанный клок кошачьей шерсти. Но тот, кто умеет читать подобные диаграммы, увидит в метаболизме E. coli скрытую элегантность.

Метаболические реакции в клетках E. coli протекают не спонтанно — точно так же, как яйцо не варит себя само. На соединение атомов, как и на их разделение, требуется энергия. E. coli получает ее двумя способами. Во — первых, она умеет использовать мембраны как своего рода аккумулятор, во — вторых, извлекает энергию из пищи.