История иммунной системы

Шестой защитный механизм бактерий представляет особый интерес в плане истории иммунных систем, потому что он используется нами и всеми другими многоклеточными организмами в повседневной борьбе за сохранение здоровья. Этот важнейший механизм заключается в программируемой смерти клеток. Клетки нашего тела постоянно обновляются, что позволяет органам регенерировать и сохранять свои функции. Старые клетки уступают место новым. Если состарившаяся или подвергшаяся нападению возбудителей болезни клетка отказывается умирать, в дело вступает наш врожденный иммунитет и сам убивает ее. Эту задачу берут на себя клетки, носящие название естественных киллеров, о которых речь еще впереди. После этого отмершие клетки удаляются, перерабатываются, а то, что от них осталось, вновь пускается в дело. Например, с помощью фагоцитов, о которых также будет подробно рассказано ниже.

Программируемая (добровольная) смерть зараженных клеток идет на пользу всему клеточному сооб­ществу, и ее эволюционные истоки мы находим у бактерий. После нападения бактериофагов они могут затормозить развитие инфекции с помощью генетической программы, носящей название апоптоз. Биологи нередко описывают этот процесс как «программу самоубийства клеток». Зараженная бактерия начинает производить энзимы, растворяющие ее внутренние структуры, прежде всего мембрану, так что клетка в конечном итоге разрывается на части, и развитие в ней инфекции прекращается. Правда, сама бактерия погибает, но это идет на пользу всей популяции. Точно так же программа самоубийства отдельных клеток в нашем организме, представляющих угрозу для здоровья, идет на пользу всем остальным.

Целые популяции бактерий могут быть невосприимчивыми к определенным бактериофагам, с которыми уже контактировали ранее их «предки». Для этого они, подобно археям, «изобрели» в ходе эволюции программу, которая соответствует разработанной человеком технологии CRISPR-Cas. Ее суть состоит в том, что ДНК целенаправленно разделяется на части и изменяется. Этот процесс называется редактированием генома. Биотехнологи подсмотрели этот метод у бактерий. Сегодня он широко применяется в исследовательской работе и генных технологиях для внесения в ДНК целенаправленных изменений.

Современные бактерии, как и археи и цианобактерии, способны в рамках редактирования генома вырезать определенные последовательности из наследственного материала опасных бактериофагов и встраи­вать их в свою ДНК в качестве своего рода архива возбудителей[5]. Если после этого бактериофаг атакует бактерию, то генетический материал агрессора сверяется с архивом. При совпадении из архива извлекается дополнительная информация, в том числе данные о том, какие защитные меры необходимо предпринять. В частности, из архива считывается генетическая программа создания иммунопротеина, который нужен для выведения возбудителя болезни из строя. Задача этого активированного белка заключается в том, чтобы расчленить генетический материал опасного бактериофага в строго определенных местах. Тем самым предотвращается перепрограммирование клетки и превращение ее в фабрику по производству вирусов.

Самое удивительное в этом процессе редактирования генома то, что он основывается на опыте. Бактерии и археи, которые контактировали с возбудителем болезни и смогли найти защиту против него, архивируют соответствующую информацию в своей ДНК. Поскольку ДНК передается по наследству, все последующие поколения этой бактерии будут снабжены информацией о возбудителе и мерах по борьбе с ним. С каждым новым поколением архив расширяется и дополняется. Хотя речь в данном случае идет о врожденной иммунной функции, она основывается на способности к обучению, передаваемой генетическим путем.

Бактерии могут размножаться слиянием или делением. При делении из одной бактерии получаются две генетически полностью идентичные друг другу, то есть клоны. В популяции бактерий это приводит к экспоненциальному росту: из 2 бактерий получаются 4, из 4 — 8, затем 16, 32, 64, 128 и т. д. Уже вскоре популяцию бактерий можно увидеть невооруженным глазом на лабораторной питательной среде, хотя каждая составляющая ее клетка имеет микроскопические размеры. Если учесть, что все образовавшиеся в ходе деления бактерии генетически идентичны, то можно рассматривать их в совокупности как один организм, который развивается не только в пространственном измерении, но и во временнόм. Это значит, что в результате деления появляются все новые клоны, хотя первоначальная бактерия, от которой они произошли, может уже и не существовать.