Век генетики: эволюция идей и понятий

Секвенирование геномов и их сравнительный анализ (геномика) у бактерий показывают большую роль горизонтального переноса в круговороте ДНК в природе. Полностью расшифрованный в 2000 году геном холерной бактерии Vibrio cholera состоит из двух кольцевых хромосом. Большая хромосома имеет длину в 2 961 146 п. н., а малая — 1 072 314 п. н. Как показал сравнительный анализ, основные гены жизнеобеспечения сосредоточены в большой хромосоме, а малая хромосома рассматривается как "мегоплазмида, захваченная одним из предковых видов рода Vibrio" (Heidelberg, et al., 2000). Таким образом, холерный вибрион напоминает систему земля — луна. В хромосоме-мегаплазмиде находят комплексы генов, обеспечивающих горизонтальный перенос или так называемые "факторы колонизации", гены вирулентности и устойчивости к антибиотикам. В мегаплазмиде собирались гены из разных бактерий, прежде чем она была захвачена холерным вибрионом. В природных условиях непатогенные бактерии рода Vibrio живут в эстуариях рек и солоноватых водах и относятся к зоопланктону. Патогенность холерного вибриона — результат его "одомашнивания" и вхождения в новую экологическую нишу после захвата мегаплазмиды, ставшей из факультативного облигатным компонентом генома, так как в нее перешли некоторые облигатные гены.

Пожалуй, самым замечательным из известных примеров природной генетической инженерии является симбиоз между почвенными бактериями рода Agrobacterium и двудольными растениями. Бактерия А. tumefaciens вызывает опухолевое разрастание — корончатые галлы на границе стебля и корня. А бактерия A. rhizogenes вызывает заболевание "бородатый корень" — сверхнормальное разрастание корней в пораненном участке, инфицированном бактерией. Оба феномена были известны еще с начала века, но расшифрованы лишь в 80-е годы и были образно и точно названы "генетическая колонизация".

Галлы и разрастания вызываются горизонтальным переносом — встраиванием в клетки корня растения-хозяина опухолеродного мультигенного сегмента ДНК из плазмид, которые как факультативный элемент содержатся в природных популяциях бактерий. Опухоль синтезирует производные аргинина, которых нет у растения-хозяина и структура которых полностью определяется штаммом бактерий. Они необходимы для роста бактерий. Agrobacterium представляет собой утонченного паразита, заставляя зараженное растение (посредством встраивания в геном растения своих генов) превращать часть его запасов аргинина в питательные компоненты, которые инфицирующая бактерия избирательно усваивает (Гейзен и др., 1990).

Поразительно, замечают авторы, что в то самое десятилетие, когда человек начал работать с бактериями с целью заставить их синтезировать животные белки, была обнаружена природная генно-инженерная система, позволяющая бактериям передавать свою ДНК и колонизировать их. С эволюционно генетических позиций поразительно и то, что (а) у обоих видов бактерий, вызывающих галлы и "бородатые корни", опухоли связаны с кольцевыми плазмидами бактерий и с встраиванием части ДНК из этой плазмиды в хромосомы растения-паразита; (б) сами плазмиды из двух видов бактерий совершенно несходны между собой по составу ДНК; иными словами, сценарий генетической колонизации возникал в эволюции независимо и неоднократно. Теперь исследователи успешно пытаются "приручить" созданные природой инструменты для направленной генетической трансформации растений, благо фитопатогенные бактерии рода Agrobacterium относятся к семейству клубеньковых бактерий Rhizobiaceaea, столь важным для увеличения фиксации азота у культурных растений (Генетические основы селекции клубеньковых бактерий, 1990).

Горизонтальная передача генов и их блоков, опосредованная транспозонами и плазмидами, может быть сравнима с передачей от одного народа к другому крупных инженерных изобретений. Особенно велика роль плазмидной миграции генов в случае приобретения у бактерий устойчивости к антибиотикам и способности к санации окружающей среды от биосферных и антропогенных загрязнителей. Так ли уж парадоксален вывод Р. Б. Хесина (1984, с. 104), что не будь в природе плазмид, не было бы не только многих видов бактерий, но и нас, "поскольку мы бы уже отравились продуктами своей мощной химической промышленности, которые бы не обезвреживались бактериями".

5.4. Вирусы и информационный обмен в биосфере