Научное мировоззрение изменит вашу жизнь. Почему мы изучаем Вселенную и как это помогает нам понять самих себя? - Евгений Плисов

История этой микоплазмы крайне необычна. Двадцати ученым из лаборатории синтетической биологии в Институте Дж. Крейга Вентера была поставлена задача найти бактерию с минимальным геномом. Ее нашли, ею оказалась бактерия Mycoplasma genitalium, внутриклеточный паразит, вызывающий различные заболевания мочеполовых путей и дыхательного тракта. За мочеполовую систему она и получила свое название. Чем более специализированным паразитом вы являетесь, тем меньше вам нужно счастья для жизни, а именно собственных усилий. Питательные вещества плавают вокруг вас – кушай и радуйся. Mycoplasma genitalium содержит в своем геноме лишь 525 генов, и ей этого достаточно. Для сравнения, средний геном кишечной палочки, Escherichia coli, содержит порядка 5 тыс. генов. Исследовательская мысль неостановима, поэтому возник новый вопрос: а как много генов можно у нее удалить, чтобы она осталась живой? Ученые начали удалять по одному гену и следить за бактерией. Оказалось, что в ее геноме лишь 382 гена являются критически необходимыми, то есть удаление любого из них приводит к остановке жизнедеятельности клетки. Довести бактерию до столь маленького генома оказалось нереально, поскольку многие гены работают в связке друг с другом, и минимальный геном, которого удалось добиться, составил 473 гена. Созданную бактерию назвали Mycoplasma laboratorium, поскольку ее жизнь очень сильно зависела от тепличных лабораторных условий.

Появился последний, самый важный вопрос: можно ли синтезировать бактериальный геном искусственно, на машине, а затем вставить в бактерию-пустышку? Будет ли она работать? Оказалось, можно. Хромосому из 473 генов синтезировали в специальном аппарате, удалили из ничего не подозревающей бактерии ее собственный геном и вставили новый. Она оказалась вполне жизнеспособной и получила в дальнейшем прозвище Синтия, или искусственная бактерия. В дальнейшем ее предполагалось использовать как модельный организм для создания новых бактерий, способных очищать нефтяные разливы, поглощать излишки углекислого газа из атмосферы, делать водород и биотопливо и еще кучу разных вещей. Многие считают, что самая изученная бактерия, E. coli, может лучше справиться с такой задачей, но тут уже дело вкуса и времени. Вроде бы отличное исследование, у нас есть теперь «искусственная» бактерия в пробирке, хотя искусственного в ней только ДНК, можно порадоваться, но не тут-то было.

Мы живем в век невежества. Невежество принимает разные формы, мы поговорим еще об этом, но с Синтией невежество приобрело какие-то невообразимые масштабы. Если вы сейчас наберете «Синтия» в поисковой строке, то Интернет выдаст вам примерно такие заголовки: «Бактерия-убийца угрожает пляжам Средиземноморья и США», «Чума в Мексиканском заливе», «Бактерия по имени Смерть съедает всех» и тому подобные. Журналисты, движимые легкой сенсацией, буквально из воздуха сотворили грандиозную новость, что бактерия-Франкенштейн, созданная в результате мерзких опытов, вместо нефти начала грызть рыбу и людей. Куча фотографий, рассказов очевидцев, как на их теле буквально за сутки не оставалось ни одного здорового места, как бактерия пожирает всех и вся. И люди в это верят, не сделав ни малейшего усилия проверить эту информацию. Даже не то что проверить, а просто задать один простой вопрос: «Вы что, серьезно?» Как бактерия, представляющая собой до сих пор внутриклеточного паразита, способна грызть нефть? Способы существования клетки для этих двух функций настолько различны, насколько это вообще возможно. Как бактерия с самым маленьким геномом может выживать в агрессивной морской воде? Она даже называется «лабораториум», она и так еле дышит в пробирке, а журналисты ее записали в главные угрозы года. Но людей это не волнует, при рассказах о синтетической бактерии полет фантазии уже не остановить, и получаются вот такие заголовки. Если вы видите где-то что-то подобное, задайте себе вопрос: «Вы что, серьезно?» И скорее всего, первая же ссылка на нормальный научный ресурс расставит все точки над i.

Вернемся в прошлое. Первые эукариоты, скорее всего, использовали помощников для собственных нужд. Со временем бактерии (вероятно, родственники современных риккетсий), помогавшие первым ядерным клеткам справляться с кислородом, переселились внутрь клетки, утратили многие сложные структуры, поделились собственным генетическим аппаратом с клеткой-хозяином и стали митохондриями. Митохондрии – «легкие» клетки. Они имеют две мембраны, причем внешняя имеет сходство с вакуольной мембраной, а внутренняя – бактериального типа. Их ДНК замкнута в кольцо, размножаются они бинарным делением, имеют собственные рибосомы бактериального типа. В каждой клеточке вашего тела есть древние порабощенные бактерии, позволяющие вам жить. Впрочем, скорее это взаимовыгодное сотрудничество, все зависит от того, с какой стороны посмотреть. Митохондрии без клеток уже существовать не могут, как и клетки без них. Однако не всем в современном мире нужны митохондрии, кто-то довольствуется другими подрядчиками. Симбионты термитов, одноклеточные эукариоты Mixotricha paradoxa, мало того что прикрепляют к своим клеточным стенкам четверть миллиона бактерий и двигаются благодаря им, словно шевеля ресничками, так еще и потеряли в ходе своей эволюции нормальные митохондрии. Вместо них в их клетках работают аэробные бактерии, заменяющие эти органеллы. Так же поступают и некоторые амебы.

Теперь представьте, что вы ученый. В вашей голове засела странная мысль: «Можно ли искусственно заставить два микроорганизма работать друг на друга? Повторить то, что случилось миллиарды лет назад?» Такие эксперименты были поставлены в 2018 году. Исследователи из Института Скриппса в Америке выбрали для этих целей одни из самых изученных организмов на свете: пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) и кишечную палочку (Escherichia coli). Никто по доброй воле просто так не работает, поэтому сперва нужно было провести ряд модификаций. Во-первых, бактерию лишили самодостаточности. Кишечная палочка – живучий микроб, и, чтобы для нее сотрудничество стало выгодным, нужно что-то у нее отнять и предложить вернуть это что-то за работу. В данном эксперименте ее сделали ауксотрофом по тиамину (витамину B1), необходимому для углеводного обмена. Термин «ауксотроф» означает, что организм не способен производить какое-либо вещество самостоятельно, и оно ему необходимо во внешней среде. Тиамин же вырабатывается клетками дрожжей. Удаляя из бактериальной хромосомы гены, ответственные за синтез собственного тиамина, исследователи также вставили в это место гены, производящие зеленый флуоресцентный белок, а еще белки, помогающие бактерии справляться с антибиотиком канамицином. Получились зависимые от тиамина бактерии, которых легко отделить от остальных, добавив в среду антибиотик (выживут только ваши, устойчивые), а также можно отследить в специальный микроскоп – они светятся. Очень удобно.

Во-вторых – сделали кишечную палочку полезной для того, в ком она будет жить. Для этого в нее вставили специальные гены, способные забирать разряженные молекулы энергии у хозяина (АДФ, аденозиндифосфат) и отдавать заряженные (АТФ, аденозинтрифосфат). Клетка бактерии, таким образом, превращается в зарядную станцию. В-третьих, ученые сделали клетки дрожжей зависимыми от бактерии. Для этого у дрожжей удалили один из ключевых митохондриальных генов, то есть теперь у них есть митохондрии, но они не работают. Дрожжи перестали вырабатывать собственные молекулы АТФ, и теперь единственным способом получить их остается взаимодействие с бактериями.