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

E. coli защищается от высокой температуры примерно так же. Ключевой белок ее «термостата» называется сигма-32, который регулирует, какие именно гены будет считывать РНК — полимераза. Даже при невысокой температуре бактерия постоянно считывает ген, отвечающий за синтез сигма-32, и синтезирует его РНК — копии. Но при нормальной температуре молекулы РНК сигма-32 находятся в свернутом состоянии, и E. coli не может использовать их для синтеза белка. Поэтому при нормальной температуре в бактериальной клетке много РНК сигма-32, но совсем нет соответствующего белка.

Однако, когда температура окружающей среды повышается, РНК сигма-32 разворачивается. Теперь рибосомы могут прочитать эти молекулы и синтезировать по ним белок сигма-32, и E. coli за короткое время производит огромное количество этого белка. Молекулы сигма-32 быстро находят молекулы РНК — полимеразы и направляют их к генам, отвечающим за производство белков теплового шока. Таким образом, на синтез десятков тысяч молекул белка теплового шока уходит всего несколько минут.

Столь стремительный ответ может спасти E. coli от перегрева, но в нем же скрыт и большой риск. Внезапный и бесконтрольный синтез белка сигма-32 опасен — даже хорошей вещи может быть слишком много. Ведь описанным способом бактерия наверняка произведет намного больше белков теплового шока, чем нужно. Но мы знаем, что этих молекул в клетке E. coli появляется ровно столько, сколько необходимо для данной температуры: больше, если температура высокая, и меньше, если не очень. Такое тонкое регулирование осуществляется при помощи целой системы петель обратных связей.

Белки теплового шока не просто защищают E. coli от перегрева, но и контролируют количество сигма-32. Одни из них хватают молекулы сигма-32 и прячут «в карман»; другие режут их на части. Когда температура поднимается, в первые несколько мгновений белки теплового шока слишком заняты, чтобы нападать на сигма-32, — ведь необходимо помочь множеству других молекул, подвергшихся губительному воздействию высокой температуры. Но как только им удается взять ситуацию под контроль, свободные белки теплового шока (а их становится все больше) переносят свое внимание на сигма-32. А по мере снижения числа молекул сигма-32 падает и производство новых белков теплового шока.

Этот механизм обратной связи не позволяет E. coli синтезировать слишком много белков теплового шока. Кроме того, она достаточно точно регулирует уровень этих белков. Если температура окружающей среды лишь слегка повысилась, но E. coli еще не умирает от жары, то белки теплового шока быстро снижают уровень сигма-32. Но если температура продолжает повышаться, то их внимание поглощено помощью развернувшимся молекулам и уровень сигма-32 — а значит, и производство белков теплового шока — остается высоким. Когда же окружающая среда остывает до комфортной температуры, «термостат» E. coli практически полностью прекращает производство белков теплового шока.

Устойчивость системы саморегуляции E. coli объясняется наличием в ее управляющих схемах встроенной системы петель обратных связей. Для инженера такая конструкция совершенно естественна. Автопилот в «Боинге-777» использует примерно такие же обратные связи, чтобы удерживать самолет на нужной высоте при любых порывах ветра и нисходящих течениях. Устойчивость и бактерии, и самолета обеспечивает не всезнающее сознание, а сама управляющая схема.

Объедините гены в группы, и они смогут сделать намного больше, чем сделали бы по отдельности. Объедините группы в единую систему — и получите живой организм.

В 1940–е гг. Эдвард Тейтем и другие ученые получили первые сведения о том, для чего предназначены некоторые гены E. coli. К 2007 г. исследователи имели более или менее полное представление о том, чем занимаются примерно 85 % ее генов, что превратило обычную кишечную палочку в золотой стандарт расшифрованности генома. Сегодня по генам E. coli, ее оперонам и метаболическим путям созданы и работают онлайновые базы данных. Загадки, конечно, остаются. Так, у E. coli обнаружен 41 фермент, для которых ученым еще только предстоит найти кодирующие их гены. Тем не менее постепенно вырисовывается примерный портрет E. coli. Пока это максимум того, что удалось сделать биологам в плане полной расшифровки устройства живого организма.

Ученые под руководством Бернарда Палссона, профессора биоинженерии из Калифорнийского университета в Сан — Диего, попытались построить модель метаболизма клетки E. coli. По состоянию на 2007 г. они ввели в компьютер данные о 1260 генах и 2077 реакциях. На базе этой информации компьютер может вычислить, сколько углерода проходит по метаболическим путям E. coli в зависимости от характера поглощаемой ею пищи. Модель Палссона умеет делать то, что делают все хорошие модели, — предсказывать реальность. В частности, она очень неплохо предсказывает, как быстро E. coli будет расти на глюкозе и сколько углекислого газа она при этом выделит. Если Палссон условно отключит бактерии кислород, модель перенаправит углерод на другую, не связанную с кислородом метаболическую траекторию (точно так, как это делает E. coli). Если Палссон исключит из схемы один из белков, модель реорганизует свой метаболизм так же, как это делает реальная мутантная E. coli, у которой отсутствует этот белок. Модель надежно предсказывает поведение E. coli в тысячах самых разных ситуаций; она показывает, что E. coli действительно всегда выбирает наилучший путь и настраивает свой метаболизм так, чтобы размножаться как можно быстрее.

Каким образом обмен веществ E. coli остается таким гибким, если в него входят сотни химических реакций? Почему бактерия, имея перед собой тысячи возможных метаболических путей, всегда выбирает несколько самых лучших? Почему вся эта система попросту не рушится? Оказывается, устойчивости системы способствует сама форма сети, география ее лабиринтов.

Когда ученые изобразили на бумаге метаболический маршрут атома углерода в клетке E. coli, получилась фигура, напоминающая галстук — бабочку. Одно его «крыло» образуют химические реакции поступления в клетку и расщепления пищи. Они следуют одна за другой по простым маршрутам, которые можно изобразить веером стрелок, сходящихся в центре «галстука», на «узле». Здесь траектории становятся гораздо более сложными. Продукт, полученный в результате какой‑то реакции, может быть вовлечен во множество других реакций в зависимости от текущих условий. Именно на «узле» — там, где скрещиваются маршруты — E. coli создает строительные кирпичики для всех своих молекул. Затем эти кирпичики поступают в другое «крыло», образуя веер расходящихся траекторий, на каждой из которых производится свой тип молекул: на одной — молекула мембраны, на другой — кусочек РНК, на третьей — какой‑то белок. Расходящиеся траектории второго «крыла» никогда не пересекаются. Молекула, начавшая движение к тому, чтобы войти в белок, уже не станет частью молекулы ДНК.

Надо сказать, что архитектурное решение в виде «бабочки» с инженерной точки зрения имеет для E. coli глубокий смысл. Рукотворные сети — например, телефонные или электрические — нередко тоже прокладывают по схеме «бабочки». Такая архитектура позволяет сетям работать эффективно и устойчиво. В Интернете, к примеру, входящий веер составляют сигналы всевозможных программ: браузеров, почтовых программ и многих других, причем каждая из них обрабатывает информацию по — своему. Чтобы все эти данные попали в Интернет, их следует преобразовать в коды, соответствующие интернет — протоколам. Потоки данных движутся от персональных компьютеров к серверам, а затем на небольшую группу роутеров, установленных в Лос — Анджелесе, Нью- Йорке и других крупных городах. Роутеры, подобно узлу галстука — бабочки E. coli, прочно связаны между собой. После этого сигналы через веер расходящихся маршрутов направляются к другому персональному компьютеру, где стандартный поток данных будет преобразован в картинку, текстовый документ или другую конкретную форму.