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

Эксперимент Ромесберга наглядно продемонстрировал, что мутации могут быть не настолько случайными и слепыми, как считалось раньше. Возможно, E. coli, вместо того чтобы пассивно коллекционировать мутации, изобрела способ управлять ими к собственной выгоде.

Первые намеки на существование не слишком случайных мутаций были получены в эксперименте 1988 г., который можно назвать «кругом вода, а с питьем беда». Джон Кейрнс, работавший тогда в Гарварде, вместе с коллегами получил мутантный штамм E. coli, почти совершенно не способный утилизировать лактозу. Его lас — оперон был в полном порядке, a вот последовательность нуклеотидов промотора[20], задача которого — включать оперон, была слегка изменена. Затем Кейрнс и его коллеги перестали давать своим бактериям какую бы то ни было пищу, кроме лактозы. Бактерии перестали размножаться и начали голодать. Однако полностью они все же не вымерли.

Через шесть дней появилось около 100 новых колоний. Кейрнс проверил lас — оперон бактерий и обнаружил у них новую мутацию, которая вновь позволила им включать этот оперон. Но если бы бактерии мутировали спонтанно с обычной частотой, то за это время они, по оценке Кейрнса, успели бы образовать лишь одну колонию. Вывод ученого был прост: подопытные бактерии обзавелись работающими генами в сто раз быстрее, чем можно было ожидать.

«Возможно, у клеток есть способы выбирать, какие именно мутации будут происходить», — констатировали Кейрнс и его соавторы.

«Направленные мутации» — именно под таким названием стало известно это явление — вызвали настоящую бурю. Мысль о том, что E. coli способна в кризисной ситуации заставить мутировать конкретный ограниченный участок ДНК, попахивала ламаркизмом. Критики обвиняли Кейрнса практически в мистицизме: ведь согласно его гипотезе E. coli должна понимать, что мутации конкретного участка ДНК помогут ей справиться с конкретной критической ситуацией. Последовала целая волна новых исследований; ученые пытались понять, что все‑таки происходит.

В конце концов научная общественность пришла к единому мнению: загадочные мутации не являются в строгом смысле слова направленными и не предназначены для достижения какой‑то конкретной цели. У многих бактерий, переживших голод и вновь получивших способность использовать в качестве источника питания лактозу, обнаружились и другие мутации, на этот раз в генах, не имевших никакого отношения к лактозе. Вместо «направленных мутаций» ученые заговорили о «гипермутировании». Добавляя к слову приставку «гипер», они подразумевали, что в критической ситуации частота мутаций у E. coli может подскочить в сто, а то и в тысячу раз. Исследования показали, что ДНК — полимеразы низкой точности и есть те ферменты, которые вызывают дополнительные мутации.

Некоторые ученые утверждают, что гипермутирование — элегантная стратегия борьбы с вымиранием. В нормальных условиях естественный отбор благоприятствует низкой частоте мутаций, поскольку в большинстве своем мутации вредны. Но в критических, стрессовых ситуациях дополнительные мутации резко повышают шансы на то, что вид сумеет — и успеет — случайным перебором вариантов найти выход из кризисной ситуации. Чтобы избежать голода, E. coli не обязательно знать, что для этого хватит одной крохотной мутации в переключателе, который управляет работой генов, участвующих в метаболизме лактозы. Ей просто придется испытать разные варианты изменений ДНК и в конце концов добраться до нужного варианта.

В гипермутировании заключается очевидный риск: вместе с необходимой благоприятной мутацией оно может породить множество мутаций вредных. Сьюзен Розенберг из Бейлоровского медицинского колледжа в Техасе и ее коллеги считают, что E. coli минимизирует этот риск, распределяя его на всю колонию. Когда у E. coli в критической ситуации происходят дополнительные мутации, у каждой отдельной бактерии изменяется литтть один крохотный участок ДНК. Естественно, у разных микроорганизмов эта область мутаций приходится на разные участки молекулы; в противном случае каждая особь получила бы множество неблагоприятных мутаций, рассредоточенных по всему геному. В то же время в многочисленной колонии могут быть одновременно опробованы новые версии едва ли не всех генов. Если хотя бы несколько бактерий наткнется на удачный вариант, эти особи тут же начнут стремительно размножаться.

Возможно, гипермутирование для E. coli — хороший способ справиться со стрессом, но возник этот механизм по совершенно иным причинам. Оливье Тенайон из Национального института здоровья и медицинских исследований Франции указывает, что для синтеза высокоточных ДНК — полимераз требуется немало энергии и материалов.

Может быть, в моменты стресса E. coli просто не может позволить себе роскоши тщательной и точной репарации ДНК. Вместо этого она обращается к ДНК — полимеразам низкой точности. Работают они, конечно, весьма небрежно, но зато E. coli укладывается в энергетическую смету. На самом деле естественный отбор, предполагает Тенайон, благоприятствует вовсе не высокой частоте мутаций, а просто возможности энергетически менее затратного исправления ДНК.

Но даже если кардинальное изменение частоты мутаций у бактерий возникло как побочный эффект, в определенных обстоятельствах оно все же может быть полезным. Тенайон с коллегами продемонстрировал, что у E. coli частота мутаций различается чрезвычайно сильно. В стрессовой ситуации одна бактерия может мутировать в тысячу раз быстрее другой. Должно быть, такой огромной разницей микроорганизмы обязаны генам, отвечающим за гипермутирование, которые могут передаваться от поколения к поколению.

Вполне возможно, что в разных ситуациях естественный отбор подхватывает варианты с разной частотой мутаций. Тенайон и его коллеги отслеживали среднюю частоту мутаций у E. coli при колонизации ею мыши. В самом начале колонизации, когда бактерии испытывали сильный стресс, наибольшее распространение в популяции имели особи с высокой частотой мутаций. Когда же бактериям удавалось основать в кишечнике мыши стабильные колонии, первенство переходило к редко мутирующим особям. Антибиотики, вероятно, также приводят к появлению множества часто мутирующих особей, потому что у них устойчивость к лекарству может появиться быстрее, чем среди бактерий, которые мутируют реже.

Некоторые критики скептически настроены по отношению к направленным мутациям, гипермутациям и их «идеологическим» следствиям. Так, Джон Рот из Калифорнийского университета в Дэвисе и Дан Андерссон из Уппсальского университета в Швеции полагают, что Кейрнс в своих первоначальных экспериментах не открыл ничего необычного. Просто у бактерий, которые он использовал, lас — оперон не был заблокирован полностью и мог все же производить нужные белки, хотя и в очень небольшом количестве; и это позволяло бактериям не погибнуть от голода. При этом вполне могло быть так, что обычная случайная мутация удвоила у одной из бактерий lас — оперон, позволивший ей утилизировать больше лактозы и размножаться быстрее. У кого‑то из потомков этой бактерии могла столь же случайно возникнуть третья копия этого участка ДНК, и естественный отбор в условиях эксперимента подхватил и эту мутацию.