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

Сейчас ученые пытаются разобраться в генетических схемах других биологических видов так же тщательно, как Алон и его коллеги разобрались в схемах E. coli. Но этот процесс займет немало времени. Знаний ученых о том, как работают в этих схемах гены и белки, пока недостаточно, чтобы строить хорошие, достоверные модели. Во многих случаях нам известно лишь, что ген А включает гены В и С; мы не представляем, что заставляет его «щелкать выключателем» и что происходит после этого.

Но Алон сумел извлечь замечательный урок даже из такого крохотного объема информации. Вместе с коллегами он тщательно исследовал гены E. coli и нескольких других хорошо изученных видов — дрожжей, уксусных нематод, плодовых мушек, мышей и человека. Соединение отдельных блоков этих схем стрелками происходит в соответствии с неким шаблоном намного чаще, чем можно было бы ожидать при их случайном формировании. Противопомеховый фильтр E. coli, к примеру, принадлежит к классу схем, которые инженеры называют схемами регулирования с прямой связью или схемами непосредственного регулирования. (Цепочка связей в противопомеховом фильтре идет от FlhDC к FliA и далее к генам синтеза жгутика.) Как показали Алон и его коллеги, схемы непосредственного или прямого регулирования необычайно популярны в живых системах. Кроме того, природа демонстрирует склонность к использованию еще нескольких типов схем, которые, судя по всему, также дают жизни возможность извлекать выгоду из таких инженерных решений, как противопомеховые фильтры. E. coli и слон, похоже, не просто построены на базе одного и того же генетического кода. Вдобавок, они скомпонованы с использованием одних и тех же стандартных схемотехнических приемов.

На землю опустились оранжевые зимние сумерки. За окном виднеется паутина голых кленовых ветвей. Поток фотонов струится через окно и попадает на фоторецепторы, выстилающие сетчатку моих глаз. Фоторецепторы вырабатывают электрические сигналы, которыми они сначала обмениваются между собой, а затем посылают по волокнам оптических нервов в затылочную часть мозга. Сигналы проходят сквозь мозг по сети из миллиардов нейронов, связанных между собой триллионами отростков. В мозгу формируется изображение. Я встаю из‑за стола, чтобы включить свет. В первый момент заоконный мир погружается для меня в темноту, но через мгновение мои глаза приспосабливаются к новым условиям. Я снова вижу раскачивающиеся деревья с голыми сучьями.

Мне приходится напоминать себе, насколько это замечательно — то, что я по — прежнему их вижу. Мгновением раньше мое зрение было тончайшим образом настроено на восприятие мира в сумерках. Если бы после включения света в настройках моего зрения ничего не изменилось, я бы практически ослеп. К счастью, мои глаза и мозг умеют настраиваться и на полуденное солнце, и на слабый свет молодого месяца. Если свет усиливается, моя нервная система быстро сужает зрачки, чтобы в глаз проникало меньше света. Когда свет пропадает, мои зрачки расширяются, а нейроны сетчатки усиливают контраст между светлым и темным в поле моего зрения. Инженер назвал бы человеческое зрение робастным — устойчивым к изменению внешних условий. Иными словами, оно надежно работает в нашем нестабильном мире.

Человеческое тело устойчиво во многих отношениях. Человеческий мозг нуждается в постоянной подпитке глюкозой, но мы не теряем сознания, если случайно пропустим обед. Чтобы сохранить нужную концентрацию сахара, тело прибегает к резервным запасам глюкозы. Из небольшого скопления клеток, непрерывно обменивающихся целыми водопадами сигналов, координирующих деление, развивается зародыш. На эти сигналы воздействуют разнообразные помехи, но все же из большинства зародышей получаются совершенно здоровые младенцы.

Раз за разом жизнь умудряется избежать катастрофических неудач и не сбиться с курса.

До недавнего времени у ученых не было достоверных свидетельств о том, почему жизнь обладает такой устойчивостью. Чтобы определить источник устойчивости, необходимо изучить живые системы на глубочайшем уровне подробнейшим образом, сжиться с ними — примерно так же, наверное, как конструктор сживается с создаваемой им системой автопилотирования, используя ее схему для проведения экспериментов. Однако принципиальные схемы живых существ по большей части по — прежнему остаются для нас тайной за семью печатями. E. coli — одно из немногих исключений.

В борьбе за выживание E. coli постоянно сталкивается с серьезнейшими угрозами. Положите в солнечный день чашку Петри на подоконник, и вы поставите обитающих в ней бактерий на грань катастрофы. Жара оказывает на белки E. coli губительное действие. Чтобы работать правильно, каждому белку необходимо все время сохранять характерную только для него скрученную форму, по сложности напоминающую оригами. Перегретый белок разворачивается и становится похожим на спутанный клубок — он денатурируется. Такой белок уже не способен выполнять работу, от которой зависит выживание E. coli.

И все же кишечная палочка не умирает от повышения температуры на несколько градусов. Когда температура поднимается, бактерия начинает синтезировать так называемые белки теплового шока. Они выполняют двойную защитную функцию. Некоторые обхватывают начавшие денатурироваться белки E. coli и возвращают им надлежащую форму. Остальные распознают белки, пострадавшие от жары настолько, что их уже невозможно привести в порядок, и разрезают на части, пригодные для строительства новых белков.

Белки теплового шока вполне способны спасти хозяйке жизнь, но E. coli не в состоянии держать «под рукой» запас таких белков на случай будущих неприятностей. Надо сказать, что эти белки — одни из самых крупных в ее арсенале, а чтобы пережить тепловой удар, могут потребоваться десятки тысяч таких молекул. Производить их про запас — все равно что заставить двор своего дома пожарными машинами на случай, если дом вдруг загорится. С другой стороны, если пожарная машина нужна, то нужна она быстро. E. coli, затратив слишком много времени на производство белков теплового шока, может погибнуть, не дождавшись помощи.

Эта особенность привлекла внимание инженера Калифорнийского технологического института Джона Дойла и его коллег. В прошлом Дойл занимался теорией создания систем управления для самолетов и космических кораблей многоразового использования. Однако оказалось, что в клетке E. coli скрыты конструкторские решения, ничуть не уступающие тем механизмам, в создании которых ему довелось принимать участие. Вместе с коллегами Дойл начал изучать белки теплового шока и то, как бактерия с их помощью выживает.

Исследователи выяснили, что E. coli контролирует запас белков теплового шока с помощью механизма отрицательной обратной связи. С точки зрения инженера, обратная связь возникает тогда, когда выход какой‑то схемы начинает влиять на ее же вход. Так, термостат поддерживает температуру в доме примерно на одном уровне при помощи одной из простейших форм обратной связи. Термостат измеряет температуру в доме и, если она оказывается слишком низкой, включает обогреватель. Если температура слишком высокая, он выключает обогреватель.