Константин Северинов: «Жизнь бактерий на самом деле тяжела и наполнена опасностями»


О поиске термофильных бактерий, молекулярных воспоминаниях и бактериофагах

termo.jpg
Озеро, окрашенное термофильными бактериями. Йеллоустонский национальный парк, США (commons.wikipedia.org)

— Какие бактерии вы берете для своих исследований?

— Мы работаем с термофильными бактериями. Вся планета густо заселена бактериями, и те условия окружающей среды, которые кажутся нам губительными, пригодны для некоторых из них. Бактерии можно найти в глубинах океана, на ледниках, в условиях повышенной кислотности или солености. В частности, в условиях повышенной температуры при 70, 80 и даже 100 градусах таких больших существ, как мы с вами, не бывает, а бактерии там могут жить. Некоторые из них очень древние. Земля исходно была горячей, и жизнь, по-видимому, возникла, когда она еще не остыла, при температуре около 60–70 градусов.

— Насколько древние эти бактерии?

— Напрямую на древность посмотреть сложно. У нас нет машины времени, чтобы переместиться на один-два миллиарда лет назад или еще дальше и посмотреть, какие микроорганизмы тогда обитали на Земле. Но если вы возьмете участки ДНК, кодирующие похожие белки в разных организмах, то вы сможете их сравнить, так же как лингвисты сравнивают похожие слова между родственными языками. В результате таких парных множественных сравнений вы найдете нечто под названием «консенсус», то есть некое слово, которое одинаково удалено или похоже на каждое из сравниваемых вами слов в разных языках. В нашем случае это будет последовательность ДНК. Такую консенсусную последовательность можно считать самой древней, потому что она наиболее похожа на весь тот массив последовательностей, что вы сравниваете.

— То есть это тот участок ДНК, который, по вашему предположению, повторялся многократно?

— Нет, он не повторялся многократно. Просто из него можно вывести все остальные последовательности, существующие сейчас. Причем количество шагов, которое нужно для того, чтобы из исходной последовательности прийти к каждой из существующих, будет минимальным.

Совершая такую процедуру, вы можете оценить, последовательность ДНК какой из существующих сейчас бактерий ближе или дальше отстоит от протопоследовательности, от общего корня-консенсуса. На основании этого можно говорить о древности или, вернее, похожести на древнюю последовательность. Но надо понимать, что современные нам бактерии живут здесь и сейчас. Они абсолютно современные. Я не задавался специально вопросом, который вы задали, но думаю, что многие термофильные древние бактерии существуют в нормальных с нашей точки зрения температурных условиях. Моя логика исходит из утверждения, что жизнь возникла на высокой температуре. С другой стороны, это не обязательно должно быть так. Знаете, морские черепахи попали в море дважды: они сначала там жили, потом вышли на сушу, и часть черепах вернулась в море. Может быть, бактерии рода Thermus, которые мы изучаем, тоже переселились на высокую температуру вторично.

— Какими характеристиками должна обладать бактерия, чтобы она стала объектом исследования в лаборатории?

— Она должна быстро делиться, чтобы ее можно было легко нарастить в достаточных количествах. Питательная среда для ее роста должна быть достаточно простая и дешевая, ведь есть бактерии, которые живут только на очень сложных средах, а большинство вообще не культивируется в лаборатории, им «не нравятся» предложенные учеными источники пищи.

Так как мы в конечном счете занимаемся биохимическими исследованиями, для нас важно, чтобы биомасса, после того как она наращена, могла быть без особого труда разрушена. Таким образом мы получаем клеточный экстракт, с которым можно проводить какие-то биохимические опыты. Клетки ряда организмов, например некоторых дрожжей, похожи на крохотные грецкие орехи с толстыми стенками, которые очень сложно разломать. Соответственно, если вы захотите исследовать внутреннее содержимое клетки, сделать это будет очень сложно, потребуются специальные, часто дорогие приборы только для того, чтобы разрушить клетки.

Именно из соображений быстроты роста и простоты культивирования в свое время была выбрана кишечная палочка, которая стала самым излюбленным объектом молекулярных биологов. Вообще это, наверное, самый изученный из всех существующих организмов. Не потому, что она какая-то особенная, а потому, что с ней просто работать. Ученые в этом смысле абсолютные оппортунисты. Зачем тратить время на то, чтобы мучиться и культивировать какую-то бактерию, если можно взять другую бактерию и изучать ее? В конечном счете принципы устройства всех клеток едины. Впрочем, это не отменяет того, что есть микробы, которых приходится изучать, несмотря на все неудобства, например возбудителей каких-то распространенных инфекций.

Те бактерии, которые мы изучаем, живут при высокой температуре, то есть им нужна вода, нагретая до 65–75 градусов. Наша конкретная бактерия не любит серу, поэтому от горячих источников, в которых живут наши бактерии, не пахнет сероводородом, что приятно. Просто горячая водичка. Такого рода источников, которые по физико-химическим и температурным свойствам подходят для наших бактерий, на самом деле не очень много. Места, где они находятся, хорошо известны: Чили, Мексика, Йеллоустонский парк в США, Этна и Везувий в Италии, Овернь во Франции, Новая Зеландия, Камчатка, Япония.

— И их удобно транспортировать?

— Да, их можно там «поймать» и перенести жить в лабораторию. Если вы поднимаетесь на гору и видите небольшую лужицу, от которой идет пар, то там эти бактерии наверняка есть. Или около фумарол — дырок в горе, откуда просто идет горячий пар. Конденсат этого пара оседает на близлежащих камнях, и там создается микрокосм, где эти бактерии тоже могут обитать.

С точки зрения бактерий, привыкших жить на высокой температуре, все за пределами их крохотного мирка должно представляться как ужасный холод. Представьте себе, если мы живем при температуре 25 градусов, то, если температура опустится на 50 градусов, мы попадем в глубокий минус, который явно не годится для нашей жизнедеятельности, и мы погибнем.

Казалось бы, с этими бактериями должно быть то же самое. Ведь мы точно знаем, что на низкой температуре они не растут. И тогда можно ожидать, что разбросанные по всему миру небольшие горячие источники будут вести себя как изолированные ванны, в которых бактерии размножаются независимо. Тогда в каждом из таких изолированных горячих источников должен развиться совершенно уникальный мир, в котором бактерии потихоньку эволюционируют, набирают какие-то мутации, изменяются в ответ на какие-то локальные проблемы и вызовы, которые в каждом источнике должны быть своими. В каждом источнике бактерии должны быть очень оригинальны, эндемичны, отличаться от своих родственников в других источниках.

Собственно говоря, для проверки этого соображения мы и стали изучать термофильные бактерии. И параллельно с бактериями заодно решили изучать их бактериофаги. Жизнь бактерий на самом деле тяжела и наполнена опасностями. И основную опасность для них представляют бактериофаги, которых на Земле великое множество. По современным оценкам, на каждую бактериальную клетку приходится не менее десяти бактериофаговых частиц. Клетки, конечно, должны с этими бактериофагами бороться. Следы такого рода борьбы могут записываться в ДНК бактерий за счет действия защитных CRISPR/Cas-систем, о которых сейчас много говорят.

Буквально несколько лет назад люди научились использовать CRISPR/Cas-системы в различных биомедицинских опытах, с их помощью можно лечить некоторые генные болезни. Но в природе эти системы используются миллиарды лет бактериями для борьбы с вирусами. CRISPR/Cas-системы содержат участки ДНК, где, как на магнитофонной ленте, бактерии записывают результаты встреч с вирусами, инфекциями. Если бактерия оказалась заражена вирусом и вирус победил, то бактерия просто погибает, образуются сотни новых вирусных частиц. Но так не может происходить всегда, потому что очень скоро бактерий бы не осталось, а были бы одни вирусы, которые без бактерий существовать не могут.

Оказывается, что с некоторой частотой, пусть и незначительной, небольшой участок ДНК вируса может попасть в CRISPR-район ДНК инфицированной бактерии, стать частью бактериальной ДНК. Такая бактерия становится устойчивой к этому вирусу. Это похоже на вакцинацию: в ДНК потомства такой бактерии будет отметка, «воспоминание» о том, что когда-то предковая бактерия была заражена таким вирусом, и, следовательно, все потомство тоже будет устойчивым. К другим, неродственным вирусам эти бактерии будут продолжать быть чувствительными, если только одной из них не повезет и она не захватит участок ДНК другого вируса.

— Это аналогично нашему иммунитету?

— Да, это похоже на иммунитет. Другой вопрос, что есть принципиальные отличия. Мы с вами являемся многоклеточными организмами, и, когда мы рождаемся, у нас иммунитета в общем нет. Он приобретается в ходе нашей жизни после столкновения с различными антигенами, заболеваниями, бактериями. И внутри нас происходит селекция, отбор специальных клеток иммунности, которые производят те или другие белки-антитела. ДНК у этих клеток оказывается изменена так, что каждая из них специализируется на производстве только одного определенного антитела. Так как клеток много, в итоге мы можем производить разные антитела. Но когда происходит зачатие ребенка, то папа и мама передают неизмененную ДНК своих половых клеток. А бренное тело со всеми «знаниями», приобретенными нашей иммунной системой, со всем репертуаром различных иммунных клеток умирает вместе с нами, ребенку придется приобретать иммунитет заново.

У бактерий все не так, потому что бактерии одноклеточные. Когда бактерия делится, возникает две, четыре дочерние клетки и более. Они вынуждены всё, что с ними происходило, записывать в своей ДНК и передавать потомству напрямую, поэтому, если проанализировать CRISPR-район той или другой бактерии, вы увидите там кусочки ДНК, которые, по-видимому, отражают историю встреч предков этой бактерии с различными вирусами. Причем это история тех взаимодействий, в которых предки нашей бактерии побеждали, потому что, если бы победил вирус, предковая бактерия бы погибла, а значит, не было бы и современной бактерии.

«Воспоминания» о победах над вирусами записываются всегда в определенное место, а старые воспоминания сдвигаются назад. Так уж устроены эти CRISPR-районы ДНК. То есть вы знаете, что было недавно, а что давно. Изучая порядок встроенных кусочков вирусной ДНК в CRISPR-районы бактерий, вы как будто начинаете крутить назад, прокручивать магнитофонную ленту и заглядывать в прошлое, видеть следы событий, которые произошли когда-то давно.

— И при делении клетки ее воспоминания также дублируются?

— Да, они передаются дочерним клеткам. Понятное дело, что, так как бактерии существуют на Земле очень долго, а вирусов вокруг очень много, воспоминания не могут быть бесконечными. Мы же с вами тоже забываем. Это свойство нашей памяти — забывать. Бактерии тоже забывают. В том смысле, что некоторые старые воспоминания, вернее, фрагменты ДНК, приобретенные от каких-то давнишних вирусов, просто теряются, вырезаются из CRISPR-районов ДНК. Таким образом, летопись взаимодействий с вирусами, в которых клетки победили, небесконечна. У большинства бактерий содержится несколько десятков воспоминаний.

Молекулярные воспоминания есть у термофильных бактерий, с которыми мы работаем. Логично предположить, что воспоминания у бактерий, живущих в том или другом удаленном друг от друга горячем источнике, будут разными. У меня ведь нет воспоминаний вашего детства, мы же в разных местах были, по-разному росли. У вас свои воспоминания, у меня свои.

Хотя мы до сих пор не знаем природу человеческой памяти, с бактериальной памятью все вроде понятно: память — это просто определенная последовательность фрагментов ДНК вирусного происхождения в CRISPR-районах. Мы ловим бактерии рода Thermus в горячих лужах по всему миру, ловим их вирусы, которые обитают там же. У бактерий мы смотрим их воспоминания, записанные в CRISPR-районах. Вирусы мы секвенируем, то есть определяем последовательности их геномов. А затем мы сравниваем воспоминания бактерий в разных местах и определяем, как они соотносятся с геномами вирусов, которые в этих местах живут и паразитируют на этих бактериях.

Удивительным образом оказывается, что большинство молекулярных воспоминаний у бактерий общие, несмотря на гигантские расстояния между отдельными горячими источниками.

— А какие теории объясняют этот парадокс?

— На самом деле теория одна. Она, с одной стороны, тривиальная, но доказать ее непросто. По-видимому, несмотря на то, что наши бактерии существуют в горячих лужах с небольшим объемом и площадью поверхности, считать их полностью изолированными друг от друга нельзя. Бактерии очень легкие. За счет атмосферных эффектов, ветра, испарения они могут подниматься в воздух, распространяться по всей планете. Вирусы и бактерии из горячих луж могут «общаться» друг с другом через атмосферу.

У Вернадского была идея живой планеты, на которой все живое соединено друг с другом. Это почти наверняка верно для бактерий. За счет своих маленьких размеров и огромных количеств некоторая их часть попадает в воздух, перемещается вместе с воздушными массами и затем депонируется обратно на землю. Причем это депонирование, конечно же, ненаправленное, они опускаются везде. В тех случаях, когда бактерии попадают в правильные с их точки зрения условия, например туда, где температура способствует их росту, они начинают размножаться, а также обмениваться своими генами (и «воспоминаниями») с близкородственными резидентными бактериями. То же самое может происходить с вирусами (или, скорее, с бактериями-носителями вирусов). Бактерии и их вирусы из разных мест оказываются соединены друг с другом генным воздушным мостом.

— Значит, изолированность может выглядеть совершенно по-другому?

— Никто по-хорошему не оценивал интенсивность транспорта бактерий по воздуху. У меня было желание потратить часть средств мегагранта и выкопать в Санкт-Петербурге на кампусе Политеха яму, нагреть ее до 65 градусов и оставить под открытым небом. С какой-то частотой туда приходил бы лаборант, отбирал пробы воды и задавал бы простой вопрос: завелись ли там какие-нибудь зверюшки или нет? Вопрос контаминации, нестерильности здесь не стоит, потому что ни у кого из нас в нашем с вами обычном окружении таких термофильных бактерий нет.

— То есть, получается, ждать у моря погоды?

— Ждать у лужи бактерий. В зависимости от того, сколько придется ждать, можно будет оценить скорость переноса и количество бактерий в воздухе. Если бактерии летают часто и их много, то ждать придется недолго.

Второй вариант — запустить самолет с какой-нибудь ловушкой и пытаться собирать бактерии прямо в воздухе. В принципе такого рода опыты сейчас делаются. Технически они очень сложные, ведь для полноты картины надо собирать образцы воздуха по всей высоте воздушного столба над нами с учетом скорости и направления ветра, времени года и так далее. Задача совершенно нетривиальная. Самолет для этого, как мы выяснили, не годится.

— Тогда какой-нибудь воздушный шар?

— Воздушный шар — да. Но с шаром тоже проблема. Дело в том, что бактерии, скорее всего, присутствуют в воздухе в относительно небольших количествах. И для того, чтобы их детектировать, нужно создать эффективную принудительную систему фильтрации. То есть вам нужен пылесос, который засасывает воздух, желательно довольно большой объем, при этом фильтруя его через очень мелкопористый фильтр. Бактериальные клетки, которые находятся в воздухе, будут оседать на фильтре. Потом вы используете современные методы определения последовательности ДНК, для того чтобы понять, какие бактерии «попались». Как и с самолетом, речь идет о широкомасштабном комплексном исследовании, проведенном в разные времена года с отбором проб на различных высотах. Сейчас появляются данные, что бактерии детектируются вплоть до стратосферы. Представляете, такая живая планета, с поясом, в котором постоянно происходит обмен генетической информацией. Как у Джеймса Лавлока, предложившего концепцию единой планетарной жизни — Геи. Выясняется, что на воздушном шаре собирать бактерии так, как мы хотим, почти невозможно: для прокачивания многих кубометров воздуха нужен мощный источник энергии, а на шаре очень жесткие ограничения по весу. Так что лучше все-таки вырыть яму, наполнить ее горячей водой и ждать появления термофильных бактерий.

severinov.jpg

доктор биологических наук, заведующий лабораторией регуляции экспрессии генов элементов прокариот Института молекулярной генетики РАН, заведующий лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов Института биологии гена РАН, профессор Университета Ратгерса (США), профессор Сколковского института науки и технологий (SkolTech)

Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru