Илья Рухленко - Что ответить дарвинисту? Часть II

В результате включения режима гипер-мутагенеза, частота возникновения мутаций в ДНК может повыситься сразу на несколько порядков. Понятно, что в таких условиях быстро находить необходимыеварианты одинарных или даже двойныхмутаций методом «полного перебора» становится намного легче (учитывая огромную численность бактериальных колоний). Таким форсированнымспособом можно быстро получить, например, устойчивость к тому или иному антибиотику (или к другому разрушительному фактору среды).

Однако решать проблемы подобным способом – это уже так называемый «вариант атас» . Потому что значительная часть бактерий станет получать мутации, либо вредные, либо вообще несовместимые с жизнью. В результате, бактериальная колония в целом станет либо хуже расти, либо вообще сокращаться. Но видимо, иногда проблемы бывают настолько серьезными, что всё-таки требуют включения механизма гипер-мутирования. Пусть большая часть бактерий при этом погибнет от вредных мутаций, но зато какие-то отдельные счастливчики могут стать обладателями именно такого генетического изменения, которое успешно решит возникшую проблему выживания. И в результате, данная линия бактерий сможет продолжить своё существование.

Таким образом, получается, что бактерии для приспособления к среде могут использовать не только обычный вариант «полного перебора», но и его форсированныйвариант (во всяком случае, в некоторых ситуациях). Такую способность можно рассматривать, как еще один (дополнительный) механизм, которым кто-то заботливо снабдил(?) бактерий, для того чтобы повысить надежность их выживания при самых экстремальных возмущениях среды. Действительно, трудно представить, каким образом подобный генетический механизм мог бы появиться у бактерий естественным образом. Ведь переход SOS-системы в режимгипер-мутагенеза полезен только иногда, в самых экстремальных условиях (для получения необходимой редкой мутации). В обычных же условиях, такой режим работы будет приводить к снижениюконкурентоспособности тех бактериальных линий, в которых SOS-система вздумает начать работать именно в таком режиме. Потому что в этом случае образуется слишком много бактериальных клеток с вредными мутациями. Следовательно, для того чтобы приносить пользу (а не вред!), такой режим работы SOS-системы должен был появиться сразу в готовом виде, то есть, уже уметьнадежно «засыпать» в нормальных условиях и просыпаться только в самых экстремальных. Но такая особенность работы SOS-системы обеспечивается несколькими специальными генами. Поэтому представить, как это могло образоваться методом постепенных «случайных тыков» – не очень получается.

Впрочем, проблема естественного возникновения подобного генетического комплекса ничуть не тяжелее проблемы естественного возникновения какой-нибудь системы свертываемости крови, или механизма мейоза, или биохимического пути гликолиза.

А теперь давайте вернемся обратно к результатам опытов Холла (Hall, 1991). Можно предположить, что бактерии, которые в экспериментах Холла поразительно быстро восстанавливали способность синтезировать триптофан – делали это не в силу обладания мистическими способностями, а просто в результате резкого повышения общего мутационного фона (вызванного, допустим, работой озвученной SOS-системы в режиме мутагенеза). Вследствие чего необходимая двойнаямутация находилась гораздо быстрее (в 100 млн. раз быстрее), чем это ожидалось в обычном «режиме» жизнедеятельности бактерий.

Однако при ближайшем рассмотрении такое предположение перестаёт выглядеть привлекательным.

Во-первых, потому что той частоты мутагенеза, которую могут обеспечить гены-мутаторы SOS-системы, всё равно не хватаетдля объяснения результатов опытов Холла. Например, в работе (Maisnier-Patin et al., 2005) исследователи использовали один из генов-мутаторов бактериальной SOS-системы, но даже самая активная работа этого гена обеспечила повышение частоты разных [182]мутаций не более чем на 2 порядка (то есть, всего в 100 раз или немного больше). Однако Холл оценил скорость восстановления «триптофановых способностей» у своих бактерий – в 100 миллионов раз выше, чем это ожидалось бы при случайном распределении мутаций (происходящих в обычном темпе мутагенеза). Получается, что наблюдаемая скорость восстановления бактерий в эксперименте Холла всё равно была в миллионраз выше, чем это ожидалось бы методом «полного перебора», даже после его форсирования в 100 раз.

Во-вторых, в работе (Maisnier-Patin et al., 2005) было показано, что работа гена-мутатора приводит к более-менее равномерномураспределению мутаций по всемугеному бактерии, при общем повышении частоты разных мутаций в 100 раз. В связи с этим возникает вопрос – а способны ли вообще бактериальные колонии выдержать повышение мощности мутагенеза не в 100 раз, а в 100.000.000? Не получится ли при такой частоте мутаций полного вымирания бактериальных колоний, вследствие мгновенного накопления вредных мутаций практически в каждой бактериальной клетке?

В общем, маловероятно, что быстрое восстановление бактерий (из состояния двойногомутанта) в экспериментах Холла происходило за счет общегоповышения уровня мутагенеза. Поэтому не исключено, что «недра» бактериальной клетки скрывают внутри себя еще какой-то (пока не очень понятный) специальный механизм, который в ответ на вызовы среды способен подбирать необходимые генетические изменения гораздо эффективнее, чем обычный мутагенез, и даже эффективней, чем гипер-мутагенез бактериальной SOS-системы.

То есть, бактерии, оказывается, не так просты, чтобы адаптироваться к изменениям окружающей среды толькос помощью естественного отбора случайных мутаций в обычном режиме мутирования. Помимо обычных случайных мутаций они могут: 1) обмениваться между собой нужными генами в ходе горизонтального переноса, 2) использовать форсированный вариант «полного перебора» (гипермутагенез), 3) возможно, обладают еще какими-то (более «умными») механизмами адаптаций.

Ну а каковы же возможности самого примитивного генетического механизма адаптации бактерий – метода «полного перебора» в обычном режиме? По этому поводу имеется некоторый разнобой фактов.

С одной стороны, имеются данные, что такой способ весьма неплох. Например, в работе (Weinreich et al., 2006) исследователи на практикепоказали, что « brute force search» в исполнении бактерий, в принципе, способен на многое. В этой работе исследователи продемонстрировали, что у бактерий, с которыми они работали, может выработаться устойчивость к новому антибиотику цефотаксиму. Для этого в ДНК исходных бактерий должны произойти 5конкретных точечных изменений (мутаций). В этом случае, устойчивость бактерий к новому антибиотику возрастает в 100000раз. Понятно, что сразу все 5 нужных изменений появиться у бактерий не могут. Для подобной мутации не хватит вообще всех существующих бактерий на планете Земля. Действительно, если частота точечной мутации (с заменой нужного нуклеотида) будет одна к миллиарду, то вероятность того, что сразу 5нужных нуклеотидов мутируют именно нужным образом внутри какой-нибудь одной бактерии, составит 1 к 10 45. Понятно, что такое событие не случится вообще никогда. [183]