Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко

Элемент часто передается сам по себе, и тогда это похоже на обычную инфекцию. Но бывает, что элемент встроен в хромосому, и тогда он начинает перетаскивать всю хромосому за собой (а другая копия хромосомы остается внутри клетки, так что никто не умирает). Весь процесс занимает около полутора часов, но, если встряхнуть колбу с конъюгирующими бактериями, он прервется раньше, и от донора к реципиенту перейдет лишь часть генов. А поскольку генетики знают, в каком именно месте хромосомы встроен F-фактор у их домашних питомцев – бактерий, они могут использовать этот фокус, чтобы составлять карты генов. Генетическая карта кишечной палочки размечена в минутах. Если какой-то ген успевает перейти в клетку-реципиент за 30 минут конъюгации (а за 29 не успевает), значит, этот ген расположен «на 30-й минуте генетической карты».

Конъюгация уже так похожа на секс, что есть соблазн думать, будто это он и есть. У инфузорий – сложных ядерных организмов – половой процесс тоже называется конъюгацией, потому что внешне похож на бактериальный: две клетки соединяются мостиком и через него обмениваются ядрами. Но у инфузорий эти ядра – продукт мейоза, почти что наши гаметы, и все это просто часть обычного полового процесса. К тому же все происходит симметрично, родители вносят одинаковый генетический вклад. А при бактериальной конъюгации есть ярко выраженные «мама» и «папа» (папой будем считать штамм, в котором был F-фактор и который инициировал все это безобразие). По окончании процесса папа остается с чем был, а мама может использовать папину хромосому, чтобы заменить ею кусочек своей. А может и не использовать. Так что это не совсем одно и то же.

Тут нельзя не сказать, что все эти способы перенесения генов из одного организма в другой используются биологами-экспериментаторами. Взять хотя бы ту же трансформацию: это один из способов засунуть чужой ген в клетку, чтобы сделать из нее, о ужас, генно-модифицированный организм. Сам я умею делать это с бактериями и грибами, причем у грибов это даже проще – идеологически, если не технически. Сначала, правда, надо удалить клеточную стенку гриба, состоящую из хитина и других полисахаридов, для этого кусочек гриба обрабатывают особым ферментом. А потом просто добавляем чужую ДНК, резко помещаем клетки в концентрированный раствор чего бы то ни было (это называется осмотическим шоком), et voila – ДНК уже внутри клетки.

А что потом? А вот что: если она внутри, то какая-то ее часть доберется до ядра и найдет место, где встроиться в хромосому. Более того: если взять для трансформации два разных сорта молекул ДНК, то по итогам они с некоторой вероятностью прорекомбинируют между собой, объединившись в одну молекулу. Это значит, что рекомбинация вообще не такая уж диковина: это вполне обычная судьба «диких» молекул ДНК в клетке. Скорее уж организму надо принимать меры, чтобы такого не произошло, потому что происходит это буквально само собой, а рекомбинация непонятно чего с твоей единственной и незаменимой хромосомой может повредить какие-то нужные гены.

На такой неутолимой тяге к рекомбинации построен смешной способ клонирования генов, который придумал мой коллега Дэвид Джемс, а я осуществил. Тут, кажется, опять надо сделать отступление и рассказать, что такое клонирование. Это слово биологи употребляют, когда надо описать, как из чего-то живого – к примеру, овечки – получается много его копий. Но гораздо чаще слово «клонирование» относится к генам, и тогда оно означает, что мы наделали много-много копий нужного нам гена, чтобы было проще его изучать. Обычно эта процедура начинается с того, что биологи делают «библиотеку», или «банк», генов. Для этого ДНК интересного нам организма рубят на кусочки, а потом зашивают эти кусочки в какую-нибудь молекулу-вектор. В этой молекуле обычно есть особые приспособления, чтобы она могла самостоятельно размножаться в клетках, а также маркер – ген, по наличию которого мы узнаём, что молекула вообще попала в клетку. Потом наш «банк» генов вводят в организм-реципиент с помощью той самой трансформации и, наконец, каким-то способом отбирают «клоны», в которых заключен тот самый интересующий нас кусочек ДНК.

Способ клонирования, который предложили мы с Дэвидом, получил название instant gene bank, то есть что-то типа «быстрорастворимый банк генов». Он устроен невероятно просто: не надо никуда зашивать никакие кусочки ДНК. Просто перемешиваем все компоненты – вектор, донорскую ДНК и клетки плесени с переваренной клеточной стенкой. Бабах! – и вот уже на чашках Петри растут нужные клоны, только выбирай. Почему это вообще работает? Да потому, что разные сорта ДНК, попав в грибную клетку, тут же бросаются рекомбинировать между собой, и никто не в силах им в этом помешать. Именно эту историю я и пытался рассказать в тот день Гвидо Понтекорво, намеренно ограничивая себя лексикой из сказки «Златовласка и три медведя», что, как мне казалось, было уместно в общении с пожилым человеком.

Пока читатели окончательно не запутались в побочных линиях повествования, вернемся к основному сюжету. Все эти подробности приведены здесь для того, чтобы намекнуть: ни слияние клеток, ни слияние ядер, ни рекомбинация не таинства, а повседневность. Они происходят повсюду на древе жизни и при самых разных обстоятельствах. Половой процесс у высших организмов просто систематизировал эти разрозненные наработки и объединил в стройную схему. Наверное, вот теперь все-таки пора рассказать, как именно он это сделал.

БИБЛИОГРАФИЯ

Arnold B. J., Huang I. T., Hanage W. P. Horizontal Gene Transfer and Adaptive Evolution in Bacteria. Nature Reviews. Microbiology. 2022. 20(4): 206–218.

Avery O. T., MacLeod C.M., McCarty M. Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Deoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III. Journal of Experimental Medicine. 1944. 79(2): 137–158.

Gems D., Aleksenko A., Belenky L., et al. An 'Instant Gene Bank' Method for Gene Cloning by Mutant Complementation. Molecular & General Genetics. 1994. 242(4): 467–471.

Johnston C., Martin B., Fichant G., et al. Bacterial Transformation: Distribution, Shared Mechanisms and Divergent Control. Nature Reviews. Microbiology. 2014. 12(3): 181–196.

Lang A., Zhaxybayeva O., Beatty J. Gene Transfer Agents: Phage-Like Elements of Genetic Exchange. Nature Reviews. Microbiology. 2012. 10(7): 472–482.

Pontecorvo G. The Parasexual Cycle in Fungi. Annual Review of Microbiology. 1956. 10: 393–400.

Virolle C., Goldlust K., Djermoun S., et al. Plasmid Transfer by Conjugation in Gram-Negative Bacteria: From the Cellular to the Community Level. Genes (Basel). 2020. 11(11): 1239.

World Changing Project. Discovery of the 'Parasexual' Cycle. University of Glasgow World Changing. University of Glasgow, 2010. P. 81.

Глава двадцать восьмая, в которой тля, осока и нерадивый студент путаются в фазах мейоза

Схема мейоза

О том, кто именно открыл мейоз, существуют разные мнения. При этом совершенно ясно, что ни один из кандидатов в первооткрыватели не имел ни малейшего понимания, что именно он видит в микроскоп и к чему все это. Тогда, в 1870-х годах, до переоткрытия законов Менделя оставалось еще четверть века, до осознания, что хромосомы как-то связаны с наследственностью, – больше десятилетия, не говоря уж о ДНК как носителе наследственности. Я упоминаю об этом не для того, чтобы принизить заслуги этих биологов, а, наоборот, чтобы выразить свое восхищенное изумление.

В научно-популярных заметках автор обычно обозначает в общих чертах загадку и тут же переходит к разгадке, потому что читателю интересно, что там на самом деле происходит, а не что было в голове у ученого на момент открытия. Вообразите же себе героизм исследователей, ясно осознающих, что никакого «на самом деле» не видно даже на горизонте. Им лишь остается скрупулезно фиксировать факты и верить, что за этими фактами скрывается какой-то важный смысл, о котором, возможно, догадаются только через пару поколений. Вот как выразил это самоотверженное настроение бельгийский биолог Эдуард Жозеф Мари ван Бенеден (1846–1910): «Клетка сегодня представляется сложным объектом, механизмы которого по-прежнему непонятны. Для начала нам надо разобраться в морфологических изменениях, которые сопровождают функции жизни» (1883). Другими словами: смотри в микроскоп, зарисовывай и не задавай лишних вопросов.

Этим ван Бенеден и занялся, и многие считают именно его первооткрывателем мейоза. Кстати, его отец тоже был биологом, и ему мир обязан открытием жизненного