Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

E. coli умеет демонстрировать свою индивидуальность и другими способами. Так, в колонии генетически идентичных клонов одни бактерии образуют на поверхности клетки нитевидные выросты — фимбрии, а другие нет. В стремительно растущей колонии всегда найдется несколько бактерий, которые вдруг прекратят размножение и войдут в состояние анабиоза. Часть бактерий в колонии E. coli может расщеплять лактозу, а другие — нет.

Разное отношение отдельных микроорганизмов к лактозе впервые было выявлено в 1957 г., когда два биолога из Чикагского университета, Аарон Новик и Милтон Уэйнер, решили проверить, как отдельные особи E. coli реагируют на присутствие лактозы. Они добавили в питательную среду вещество с лактозоподобными молекулами, способными, как и лактоза, запустить в организме бактерии производство бета — галактозидазы. При низких концентрациях этого вещества лишь крошечная часть колонии отозвалась на его присутствие производством фермента, а большая часть микроорганизмов никак на него не отреагировала.

Новик и Уэйнер увеличили концентрацию имитатора лактозы. Те бактерии, которые сразу начали его расщеплять, продолжали производить фермент; остальные по — прежнему не реагировали. Их поведение изменилось только после того, как концентрация имитатора преодолела определенное пороговое значение. Внезапно те микроорганизмы, которые раньше не реагировали на присутствие «лактозы», начали вырабатывать бетагалактозидазу с той же скоростью, с какой это делали любители этого сахара.

Получалось, что бактерии, несмотря на генетическую идентичность, почему‑то ведут себя двумя принципиально разными способами. Новик и Уэйнер отделили любителей «лактозы» от тех бактерий, которые не желали ее утилизировать, и поместили их в свежие чашки Петри, где они смогли положить начало новым колониям. Их потомки вели себя точно так же. Любители производили на свет новых любителей, а потомки тех, кто не мог расщеплять лактозу, тоже не были способны это делать. Новик и Уэйнер обнаружили наследование признаков, не связанное с наследственностью!

Можно многое узнать о E. coli, если рассматривать ее как устройство, следующее фундаментальным принципам инженерного искусства. Это верно, но до определенного предела. Два «Боинга-777», находящиеся в одинаково хорошем техническом состоянии, должны вести себя абсолютно одинаково, но если бы они были похожи на E. coli, то в тот момент, когда один из них повернул бы налево, второй вполне мог бы повернуть направо.

Разница между E. coli и самолетом заключается в материале, из которого они сделаны. Если начинку самолета составляют провода и транзисторы, то внутри у E. coli — гибкие, подвижные и непредсказуемые молекулы. И работают они не равномерно, а «приступами». Электроны по схеме движутся равномерным потоком, а молекулы E. coli теснятся, толкаются и блуждают где попало. Когда какой‑нибудь ген активируется, это не значит, что соответствующий белок теперь будет производиться равномерно во все возрастающих количествах. Ферменты не всегда вовремя появляются там, где они нужны. Отдельная E. coli иногда вдруг резко увеличивает производство тех или иных белков. Если у нее включается lаcоперон, он может за первый же час выдать шесть молекул фермента бета — галактозидазы, а может и ни одного.

Именно благодаря неравномерности синтеза белков колония генетически идентичных E. coli становится группой индивидуальностей. Майкл Еловиц, ученый из Калифорнийского технологического института, сумел продемонстрировать это при помощи остроумного эксперимента. Вместе с коллегами он добавил к lac — оперону дополнительный ген, отвечающий за производство светящегося белка. Когда экспериментаторы заставляли бактерию включить этот оперон, она начинала производить такой белок. Вот только бактерия при этом не светилась — она мерцала. Каждый раз, когда синтез флуоресцентных белков ускорялся, происходила вспышка света. Одни вспышки были сильными и продолжительными, другие — совсем слабыми. А когда Еловиц сфотографировал всю колонию разом, то оказалось, что бактерии светятся не одновременно. На любом снимке присутствовали и темные, и ярко светящиеся бактерии.

Подобная неравномерность может привести к индивидуальным различиям между генетически идентичными бактериями. Оказывается, именно благодаря им некоторые особи E. coli с готовностью расщепляют лактозу, а другие не способны этого делать. Если бы мы могли заглянуть внутрь бактерии, которая не может расщеплять лактозу, то обнаружили бы репрессор, плотно обхвативший lас-оперон. Когда лактозе удается пройти сквозь мембрану бактерии, она изменяет форму молекулы репрессора, и тот отсоединяется от оператора. Как только lас — оперон высвобождается, РНК — полимеразы E. coli очень быстро приступают к работе. Они производят РНК — копию генов оперона, а рибосома синтезирует на ее матрице белки, в том числе и бета — галактозидазу.