Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Все хорошо, но пока это только теория. Если в клетках происходят такие серьезные повреждения, мы должны иметь возможность их измерить. Второй путь оценки количества выделяемых гидроксильных радикалов как раз и заключается в анализе нанесенных ими повреждений. Один метод анализа был разработан в конце 1980-х гг. Брюсом Эймсом и его группой в Беркли. Ученые следили за содержанием окисленных фрагментов расщепления ДНК в моче. Однако на этом пути возникает несколько сложностей. ДНК постоянно подвергается воздействию различных ферментов в нормальных процессах репликации и репарации, так что лишь некоторые типы окисленных фрагментов ДНК являются результатом действия гидроксильных радикалов, а другие могут возникать в нормальных физиологических процессах. Таким образом, мы должны точно знать, какие фрагменты являются результатом действия гидроксильных радикалов и какую часть всего набора фрагментов они составляют.

Одно такое основание — 8-гидроксидезоксигуанозин (8-ОНdG) — химически модифицированная форма дезоксигуанозина (G в четырехбуквенном коде ДНК). Эймс и его коллеги измеряли концентрацию этого вещества в моче крыс, а затем на основании полученных данных пытались рассчитать число гидроксильных радикалов, которые «атакуют» ДНК в каждой клетке тела крысы. Они пришли к выводу, что за сутки в каждой клетке происходит до 10 тыс. таких «атак», но бóльшая часть повреждений ликвидируется, и поэтому 8-OHdG оказывается в моче. В более поздних исследованиях аналогичный анализ был выполнен на людях. В клетках человека, по-видимому, выделяется меньше гидроксильных радикалов, чем в клетках крыс, но все же число «атак» за сутки в одной клетке достигает нескольких тысяч. Это на несколько порядков меньше, чем приведенное выше расчетное значение (4 млн радикалов), однако не стоит забывать, что речь идет только о повреждениях ДНК, но не о возможных повреждениях липидов клеточных мембран или белков, которых в клетке значительно больше, чем ДНК.

Несмотря на сильный разброс данных, тот факт, что гидроксильные радикалы образуются и при дыхании, и под действием излучения, позволяет сравнивать между собой эти процессы. Джеймс Лавлок использовал примерно такие же значения для расчета эквивалентной дозы облучения, которую мы получаем в процессе дыхания. По его оценкам, за год в процессе дыхания в организме возникают такие же повреждения, как при однократном поглощении дозы в 1 зиверт (1 Дж/кг). Доза облучения при стандартном рентгенологическом обследовании грудной клетки составляет 50 мкЗв, так что год дыхания кислородом оказывается в 10 тыс. раз более опасным, чем рентген грудной клетки, или в 50 раз более опасным, чем все излучение, которое мы в норме получаем из самых различных источников за всю жизнь.

Да, цифры впечатляющие, но не совсем честные. Для начала, мы не знаем, подвергается ли «атакам» функциональная или так называемая мусорная ДНК, которая ничего не кодирует, но составляет преобладающую часть человеческой ДНК. Кроме того, между дыханием и облучением есть одно важное различие — начальная точка. Под действием излучения из воды сразу образуются гидроксильные радикалы, случайным образом распределенные во внутриклеточном пространстве. Поскольку в норме мы не подвергаемся высоким дозам радиоактивного излучения, у нас нет механизма немедленной защиты. Напротив, при дыхании поначалу образуются в основном супероксидные радикалы, которые менее реакционноспособны, чем гидроксильные, и у клеток больше времени для их уничтожения. Кроме того, супероксидные радикалы образуются в строго определенном месте, и клетки умеют от них защищаться. Возможно также, что существует некий порог репарации, связанный с силой повреждений. При дыхании повреждения в ДНК накапливаются медленно, так что практически все они могут быть исправлены. Понятно, что при сильном облучении, сопровождающимся большим количеством повреждений за короткий промежуток времени, ситуация совсем иная.

Однако на качественном уровне средства защиты от радиационной и кислородной интоксикации одни и те же. Гершман, Гилберт и другие ученые, занимавшиеся данным вопросом в 1950-х гг., это поняли и установили, что некоторые антиоксиданты помогали защитить мышь от летальной дозы рентгеновских лучей и кислородной интоксикации.

Разобраться в этом помогла одна удивительная бактерия, которая невероятно устойчива к ионизирующему излучению — в 200 раз устойчивее всем известной кишечной палочки ( Escherichia coli ) и, возможно, в 3000 раз устойчивее человека. Это настолько неожиданно, что астрофизик Фред Хойл предположил, что эта бактерия попала на Землю из космоса. Хойл высказал свою идею в подтверждение теории панспермии (что означает «семена повсюду») в 1983 г. в книге «Разумная Вселенная». Споры бактерий настолько нечувствительны к излучению, что могут находиться в космосе, практически не испытывая влияния космических лучей. Это позволяет предположить, что жизнь могла быть привнесена на Землю из космоса. Идеи Хойла развил космолог Пол Дейвис в книге «Пятое чудо». Он считает, что такая высокая радиационная устойчивость имеет смысл только в том случае, если жизнь на какой-то стадии развития вынуждена была пройти через испытание излучением.

Маленький монстр, о котором пишут Хойл и Дейвис, представляет собой красноватую бактерию Deinococcus radiodurans , относящуюся к небольшому семейству из шести бактерий, и все они устойчивы к радиации. Эта бактерия является одним из самых радиационно устойчивых организмов на Земле. Впервые ее обнаружили в облученном консервированном мясе, а затем — в выветренных гранитных скалах почти безжизненной Антарктики, на стерилизованных излучением медицинских инструментах, а также во множестве вполне обычных мест, таких как комнатная пыль или экскременты животных. Бактерия устойчива не только к действию ионизирующего излучения, но и к разным другим типам физического и химического воздействия, включая ультрафиолетовое излучение, нагревание, высушивание и действие пероксида водорода и различных токсинов. Этот комплекс качеств, возможно, позволит использовать D. radiodurans для восстановления среды, пострадавшей от излучения и химического воздействия. Наличие коммерческого потенциала вызвало интерес к исследованиям генома (полного набора генов) данной бактерии. В ноябре 1999 г. в журнале Science Оуэн Уайт и большая группа ученых (в основном из Института геномных исследований в Роквилле, Мэриленд) опубликовали полную нуклеотидную последовательность ее генома. И теперь мы гораздо лучше понимаем, в чем дело.

Эта бактерия — химера, прекрасный пример способности природы быстро находить решение, исходя из уже существующих элементов, и придавать ему вид заранее продуманного плана. Здесь нет никакого волшебства, и космос тут ни при чем. Практически все механизмы репарации ДHK, имеющиеся у D. radiodurans , есть и у других бактерий, но они редко соединяются в одной клетке. Единственным уникальным свойством D. radiodurans является удивительно эффективная система удаления отработанного материала, с помощью которой все поврежденные молекулы удаляются из клетки до того, как они вновь встроятся в ДНК в процессе репарации или репликации. Удивительная живучесть бактерии объясняется наличием множества копий ее собственных генов, а также генов, полученных от других бактерий [38] Бактерии одного вида или родственных видов обмениваются генами при конъюгации, аналогичной половому размножению. Иногда эти гены являются частью хромосом, иногда частью кольцевых внехромосомных молекул ДНК, называемых плазмидами. Например, на плазмидах содержится большинство генов устойчивости к антибиотикам, что облегчает их распространение в бактериальной популяции. Кроме того, бактерии могут получать гены неродственных бактерий различными способами, включая прямое поглощение фрагментов ДНК из окружающей среды. Такой обмен генетической информацией называют горизонтальным (латеральным) переносом генов. Горизонтальный перенос генов затрудняет определение эволюционного родства между бактериями. . Большинству бактерий для счастливой жизни хватает всего нескольких защитных механизмов, тогда как D. radiodurans собрала их все, причем во множестве копий. Это позволяет бактерии процветать в неблагоприятных условиях, где у нее значительно меньше конкурентов.