Гены, бактерии, вирусы

При слове «бактерия» у людей, далеких от биологии, возникают самые неприятные ассоциации. На памяти человечества – жуткие инфекционные напасти вроде опустошительной эпидемии «черной смерти», выкосившей в XIV столетии более 30 % населения Европы. Но это только средние цифры: в Норвегии умерли четыре пятых всего населения, а некоторые европейские страны совершенно обезлюдели. По мнению специалистов, это была вторая пандемия[10] чумы. Первая случилась в Византии, в годы правления императора Юстиниана (VI век новой эры), и потому называется юстиниановой. Третья пандемия пришлась уже на вполне исторические времена. Она началась в Гонконге в 1894 году и растянулась почти на три десятилетия, захватив большие портовые города. Именно тогда был открыт возбудитель инфекции – палочка под названием Yersinia pestis.

Микробиология делала большие успехи, но и в новые времена вспышки инфекционных болезней всегда были непременными спутниками социальных потрясений. Достаточно вспомнить хотя бы азиатскую холеру, разразившуюся в Европе в середине XIX века, или тифы – брюшной и сыпной – на фронтах Первой мировой и Гражданской войны. И даже сегодня, когда большинство грозных инфекций вроде бы давным давно канули в небытие, мы продолжаем сталкиваться с сальмонеллами, вызывающими тяжелые пищевые отравления, или с вездесущими стафилококками, прозванными чумой XX века.

Чумная палочка под микроскопом

Однако не стоит демонизировать микробов. Уже к началу ХХ века биологи знали, что бактерии распространены повсеместно, а совокупность их маленьких тел образует тот незримый фундамент, на котором покоится весь органический мир[11]. Если этот микробный фундамент необратимо разрушить, то через короткое время рухнет и вся величественная пирамида жизни на планете Земля. Разумеется, патогенные (болезнетворные) бактерии способны доставить человеку массу неприятностей, но все же большая часть микробов приносит нам скорее пользу, чем вред.

Огромное количество различных микроорганизмов населяет почву. По некоторым оценкам, в одном грамме плодородного чернозема их содержится несколько миллиардов. На одном гектаре пахотной земли проживает около трех тонн микробов! А суммарная масса всех микробов нашей планеты примерно в 25 раз превышает массу всех животных.

Функции этих крох многообразны. Например, так называемые клубеньковые бактерии, или ризобии, селятся на корнях бобовых растений и специализируются на фиксации атмосферного азота, который растению жизненно необходим. Такое взаимовыгодное сотрудничество называется симбиозом. Растение снабжает клубеньковые бактерии питательными углеводами, а взамен получает азот, ценные витамины и некоторые вещества роста. Естественно, бобовые – не единственные растения, сумевшие «приручить» полезных азотфиксаторов, поскольку ботаникам известны по крайней мере шесть семейств высших цветковых растений, которые охотно прибегают к услугам одноклеточных накопителей азота. Правда, природа этих симбионтов пока окончательно не установлена.

Клубеньковые бактерии (ризобии) под микроскопом

Организмы животных – от членистоногих до человека – тоже основательно «нафаршированы» разнообразной микрофлорой. Пугаться этого не стоит, ибо в абсолютном большинстве случаев это не вторжение извне безжалостного врага, а взаимовыгодный симбиоз, обеспечивающий виду эволюционное преимущество.

Например, термиты способны запросто переваривать не только древесину, но и всякие другие малосъедобные вещи. Причем исключительно благодаря постоянным обитателям их задней кишки – жгутиконосцам, спирохетам и бактериям. Состав кишечной микрофлоры термита уникален и не встречается у насекомых других видов. Если «постояльцев» кишечника термита убить (такие опыты неоднократно проделывались), и посадить искалеченное насекомое на привычную диету из древесных опилок и фильтровальной бумаги, то оно довольно быстро погибнет.

Очевидно, что секрет пищеварения этих удивительных насекомых теснейшим образом связан с естественными обитателями их кишечника. Когда ученые догадались высадить одноклеточных симбионтов термита на питательную среду, то без труда сумели получить особый фермент, эффективно разлагающий целлюлозу.

А электронно-микроскопическое исследование кишечника термитов позволило обнаружить целый зоопарк, работающий в поте лица над перевариванием пищи. Главной фигурой кишечного симбиоза оказался жгутиконосец, облепленный со всех сторон колышущимися спирохетами и палочковидными бактериями, а внутри его тела удалось разглядеть еще какие-то мелкие бактерии. Дружные усилия этой компании позволяют термиту с легкостью переваривать самые невообразимые вещи.

В человеческом организме бактерий тоже хоть отбавляй. Подсчитано, что в одном кубическом сантиметре желудочного содержимого обитает примерно 25 тысяч бактерий, а в одном грамме содержимого толстого кишечника (попросту говоря, в каловых массах) их на несколько порядков больше – до 30–40 миллиардов. По мнению специалистов, одноклеточные организмы, населяющие полости и ткани человека, представлены более чем 250 видами различных микробов.

Разумеется, все это гигантское бактериальное сообщество – отнюдь не бесполезные нахлебники, а наши верные друзья, добросовестно и неутомимо синтезирующие аминокислоты, витамины и ферменты, жизненно необходимые для нашего повседневного существования. Они выполняют и важную барьерную функцию, противодействуя вторжению патогенных микроорганизмов – дизентерийных, брюшнотифозных, гнилостных и прочих. Более того, сбалансированная и разнообразная кишечная микрофлора – бесспорный показатель здоровья.

Микрофлора кишечника человека под микроскопом

К сожалению, мы часто относимся к нашим симбионтам без должного уважения. Едва ли нужно напоминать, что неумеренный прием антибиотиков по поводу и без повода, выкашивающий целые популяции полезных микроорганизмов, сплошь и рядом приводит к развитию тяжелого дисбактериоза, справиться с последствиями которого оказывается весьма и весьма непросто.

Бактерии, как мы помним, относятся к числу доядерных организмов – прокариот, ибо оформленного ядра у них нет. Их ДНК, которую принято называть нуклеоидом, или бактериальной хромосомой (хотя с хромосомами эукариотических клеток она не имеет ничего общего), представляет собой собранную в клубок двойную спираль, замкнутую в кольцо. Этот эквивалент клеточного ядра свободно плавает в цитоплазме, не имеет собственной мембраны и не содержит белков, хотя обычно зафиксирован на мембране бактериальной клетки. При этом гены внутри нуклеоида расположены в линейном порядке, как и в клетке эукариот, а сам нуклеоид в функциональном отношении полностью соответствует геному ядерной клетки. Кроме того, в клетках прокариот встречаются небольшие кольцеобразные фрагменты ДНК, никак не связанные с нуклеоидом, – так называемые плазмиды.

В бактериальных клетках нет органелл, типичных для эукариотических клеток, – ни хлоропластов, ни митохондрий, ни центриолей. А рибосомы (структуры, отвечающие за белковый синтез) свободно плавают в цитоплазме, поскольку аналог эндоплазматической сети в клетках прокариот отсутствует. Размножаются они тоже иначе – амитотически, путем простого бинарного (поперечного) деления. Сначала происходит удвоение нуклеоида, причем оно всегда начинается в точке прикрепления к цитоплазматической мембране, где локализован ферментативный аппарат, за нее отвечающий. Редупликация (удвоение) ДНК запускает механизм синтеза клеточной стенки, которая растет от периферии к центру. Образуется перетяжка, и бактерия делится пополам. Деление может осуществляться не только в одной, но и в нескольких плоскостях, и тогда возникают клеточные цепочки или скопления различной формы. Вариантом бинарного деления является почкование, когда на теле материнской клетки образуется увеличивающийся вырост. Достигнув величины материнской клетки, почка отшнуровывается. В среднем бактерии делятся каждые 20 минут.

Итак, бактерия гораздо примитивнее эукариотической клетки, но рядом с вирусом она – воплощение сложности, уникальная фабрика, нацеленная на бесперебойный выпуск сотен различных белков и ферментов. А вирус даже клеточного строения не имеет. Все, что у него есть, – это молекула нуклеиновой кислоты, упакованная в белковую оболочку. Но такая конструктивная простота имеет и отрицательную сторону: чтобы продолжить свой род, вирус должен просочиться в живую клетку и завладеть всеми ее ресурсами. Без посторонней помощи он размножаться не умеет. Вне клетки-хозяина вирус мертв и не обнаруживает никаких признаков жизнедеятельности. Вирусологи называют своих подопечных строгими (облигатными) паразитами, поскольку весь их жиз ненный цикл неотделим от клетки, в которую они стремятся проникнуть.

Вирусы гораздо мельче бактерий и вообще любых одноклеточных микроорганизмов – от грибов до простейших. Поэтому их величину измеряют не в микронах, то есть миллионных долях метра, а в нанометрах (нм) – миллиардных долях метра. Другими словами, нанометр в тысячу раз меньше микрона. Например, поперечник амебы составляет примерно 50 микрон, а размеры вируса полиомиелита находятся в пределах 27–29 нанометров, то есть «по росту» он меньше амебы почти в две тысячи раз. Понятно, что отношение объемов их тел выражается еще большей цифрой со многими нулями. Самые большие вирусы достигают величин вполне «бактериальных» – например, вирус оспы человека и животных вырастает до 300 нм.

Разнообразием форм вирусные частицы (вирионы) не отличаются: чаще всего они похожи на миниатюрные шарики с выростами на поверхности или без них, а вирусы растений часто напоминают вытянутый цилиндр. Скажем, длина цилиндра вируса табачной мозаики достигает 350 нм, но разглядеть его в оптический микроскоп все равно невозможно, поскольку толщина этого цилиндра не превышает 15 нм. Нить с практически нулевой поперечной размерностью увидеть, естественно, нельзя.

Вирусы под микроскопом

Однако ничтожные размеры большинства вирусов – далеко не самое удивительное. Гораздо интереснее тот факт, что они – единственные на Земле живые организмы, не имеющие клеточного строения. Вирус устроен настолько просто, что больше напоминает какой-то механизм, а не живое существо. В сердцевине вирусной частицы лежит нуклеиновая кислота, окруженная снаружи белковыми молекулами, которые образуют своего рода защитный чехол – капсид. Белки (или белок) оболочки вируса, как и любые другие белки, сотканы из аминокислот, уложенных в длинные цепочки. Капсид – не монолитная конструкция: он построен из отдельных субъединиц (капсомеров), которые состоят, в свою очередь, из одной или нескольких идентичных или разных полипептидных цепей. Генетический материал в центре вириона может быть представлен любой из нуклеиновых кислот – как ДНК, так и РНК, и по этому параметру вирусы подразделяются на ДНК-содержащие и РНК-содержащие.

Вирусы различаются между собой не только по размерам, форме и строению генома (вирусная ДНК или РНК есть не что иное, как геном), но и по уровню сложности своей структуры. Если наиболее мелкие и простые вирусы состоят из обособленной молекулы РНК и белка, то у крупных вирионов можно обнаружить многослойную «упаковку», в состав которой входят не только белковые молекулы, но углеводы и липиды.

Например, конструкция бактериофагов[12], по форме напоминающих головастика или гимнастическую булаву, включает в себя шаровидную головку, где помещается нуклеиновая кислота, и полый чехол в виде длинного хвоста, собранный из молекул белка. С помощью этого выроста бактериофаг прикрепляется к оболочке бактериальной клетки, прокалывает клеточную мембрану и впрыскивает, как через шприц, свою нуклеиновую кислоту в цитоплазму бактерии.

А вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), возбудитель СПИДа, представляет собой шарик диаметром 100 нм, поверхность которого утыкана многочисленными отростками, похожими на шляпки обойных гвоздей или головки шурупов. Это вирусный белок – гликопротеид, белково-углеводный комплекс (биологи обозначают его как gp 120), от которого зависит не только адсорбция (поглощение) вируса клеточной мембраной (а следовательно, начало инфекционного процесса), но и необычайная изменчивость вируса. Гликопротеидные «гвозди» пронизывают оболочку вируса и образуют под ней сложное переплетение, своего рода вироскелет, который сохраняет форму вириона и удерживает в определенном положении вирусную «начинку» – геном вируса.

Вирус иммунодефицита человека под микроскопом

Итак, даже относительно крупные и сложно организованные вирусы несопоставимо примитивнее любой клетки и гораздо меньше ее по размерам. Но тогда немедленно возникает вопрос: почему живая клетка, это воплощение гибкости и неприхотливости, замечательно умеющая выживать в горячих водах термальных источников и на арктическом льду, уникальная миниатюрная фабрика по бесперебойному синтезу белков и ферментов, так легко сдается на милость победителя? Почему она не в силах успешно противостоять столь незначительному врагу, которого и живым-то назвать можно с очень большой натяжкой? Чтобы разрешить этот парадокс, необходимо как следует разобраться в механизме репродукции убийц-невидимок.

На заре вирусологии ученые договорились считать, что вирусы – просто очень маленькие бактерии, размножающиеся вполне традиционно, посредством элементарного поперечного деления, когда из одной клетки образуются две, из них – четыре, и т. д. Наибольшая скорость деления, доступная бактериальным клеткам, исчисляется тремя удвоениями в час, и если бы вирус вел себя аналогично, то его потомство за три часа последовательных удвоений составило бы не более тысячи вирионов.

Но когда ученые сумели наконец вычислить истинный темп накопления вирионов в клетке, от стандартной модели не осталось и следа. Опыты с бактериофагами показали, что вирионы размножаются в 100 тысяч раз быстрее бактерий, давая уже через три часа потомство в 100 миллионов вирусных частиц. Стало ясно, что механизм репродукции вирусов не имеет ничего общего с «пополамным» делением бактерий.

Д. И. Ивановский

Ученым пришлось вплотную заняться изучением жизненного цикла вирусов. Выяснилось, что на стадии вириона (или вироспоры), то есть до проникновения в клетку, вирус не обнаруживает никаких признаков жизнедеятельности. В связи с этим в науке до сих пор нет единого мнения о том, можно ли вирусы на этой стадии считать живыми. Более того, некоторые вирусы способны к кристаллизации (например, кристаллы вируса табачной мозаики впервые обнаружил еще Д. И. Ивановский), но стоит им только проникнуть в клетку, как они немедленно «оживают».

Таким образом, вирусы представляют собой «переходный этап» между миром живых организмов и миром мертвой органики, а вироспора – лишь одна из форм существования вируса.

После соприкосновения с клеткой в жизненном цикле вирусов можно выделить следующие несколько фаз: фаза адсорбции (прикрепления вируса к клетке), фаза внедрения, латентная фаза, фаза образования нового поколения вирусов, фаза выхода вироспор.

Процесс начинается с избирательной адсорбции вируса на особых рецепторах, расположенных на поверхности клетки. При этом одни вирусы, имеющие в своем арсенале специальный фермент проникновения (наподобие нейраминидазы у вируса гриппа), активно внедряются внутрь, растворяя клеточную стенку мишени, а другие ведут себя пассивно и не торопят события: клетка проглотит их сама, приняв за вкусную и здоровую пищу.

Оказавшись внутри, вирус перестает существовать – это как раз и есть латентная фаза. Он истаивает, как призрак, бесследно исчезает в буквальном смысле этого слова, и отныне уже никакими самыми чувствительными методами в клетке не удается обнаружить ни цельной вирусной частицы, ни отдельных ее компонентов. Эта фаза его жизненного цикла настолько необычна, что даже получила особое название – эклипс (от греч. ekleipsis – «исчезновение, затмение»). Кажущееся исчезновение вируса объясняется просто: просочившись в клетку, вирион сбрасывает толстую белковую оболочку и освобождает свою нуклеиновую кислоту. Весьма примечательно, что процедуру «разоблачения» осуществляет сама клетка – с помощью набора ферментов, которые атакуют вирусную частицу с целью лизировать (растворить) и скушать питательный белок. По окончании «трапезы» клетка встречается лицом к лицу с вирусной нуклеиновой кислотой, и это определяет всю последовательность дальнейших событий.

Когда вирус проникает в клетку, великолепно отлаженная схема белкового синтеза немедленно дает сбой, поскольку все процессы внутриклеточного обмена ставятся под неусыпный контроль вирусной нуклеиновой кислоты. Вместо того чтобы синтезировать белки, необходимые для собственной нормальной жизнедеятельности, клетка начинает усердно тиражировать вирусные частицы. Все ресурсы, имеющиеся в наличии, пускаются на бессмысленное производство сотен тысяч вирионов, и клетка, по сути дела, превращается в автоматическую фабрику по сборке своих убийц, так как многочисленное потомство внедрившегося вируса, стремясь выйти наружу, расплавляет клеточную стенку.

1

От греч. homos – подобный, одинаковый; heteros – другой, разный. Зигота – это оплодотворенное яйцо, возникшее в результате слияния мужской и женской половых клеток, то есть будущий зародыш.

2

Соматическая клетка – клетка с двойным набором генов; соматическими являются все клетки организма за исключением половых.

3

Локус (от лат. locus – место) – участок, занимаемый одним геном в хромосоме.

4

Единственным исключением являются вирусы, не имеющие клеточного строения, но о них разговор впереди.

5

В наши дни гелеподобное содержимое клетки называют цитоплазмой (от греч. kytos – «клетка»).

6

Осмос – диффузия (просачивание) растворителя через полупроницаемую мембрану. Обусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций раствора по обе стороны мембраны.

7

В основе расщепления и удвоения хромосом лежит редупликация (удвоение) молекулы ДНК (хромосомы, как мы помним, построены из белков особого типа и дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК). Этот процесс будет рассмотрен в следующей главе.

8

Инсулинзависимый сахарный диабет, требующий регулярных инъекций, и диабет инсулиннезависимый, протекающий гораздо легче.

9

C. elegans стал в последние годы излюбленным объектом нейробиологов, потому что его нервная система состоит ровно из 302 клеток. Геронтологи тоже не остаются в стороне: прозрачное тело этого круглого червя позволяет наблюдать деление, миграцию и созревание каждой его клетки, а продолжительность жизни C. elegans составляет всего лишь около трех суток. Так что на сегодняшний день он является одним из самых изученных животных планеты.

10

Пандемия – масштабная эпидемия, охватывающая целые страны и континенты.

11

В микробиологии есть даже специальный термин – убиквитарность (от лат. ubique – «повсюду»), который в переводе на общепонятный язык как раз и означает повсеместное распространение.

12

Бактериофаги (в буквальном переводе «пожиратели бактерий») – группа вирусов, поражающих сальмонеллы и ряд других кишечных бактерий.