Наблюдая за бактериями, учёные смогли разгадать генетический механизм, лежащий в основе эволюции. Это не только расширило границы научного знания, но и привело к важным практическим последствиям. Например, созданию микроорганизмов, вырабатывающих инсулин для медицинской промышленности.
О процессах, происходящих внутри живой клетки, рассказала 16 апреля Елизавета Григорашвили — аспирант Сколковского института науки и технологий, биоинформатик и преподаватель. Посетители Образовательного центра смогли узнать, как в упорядоченную работу клеточных структур вмешиваются элементы случайности и к каким далеко идущим последствиям это приводит.
«Эволюция в пробирке»
Одним из знаковых и продолжительных исследований в истории биологии стал эксперимент по эволюции бактерий E.coli, который c 1988 года по настоящее время проводит группа под руководством Ричарда Ленски в университете штата Мичиган.
Учёные выращивают культуры бактерий, по-разному настраивая параметры среды. Так моделируется «эволюция в пробирке»: иногда некоторые микроорганизмы меняют свойства. Чаще всего это способ питания, скорость роста и другие физиологические аспекты. Чтобы пронаблюдать за изменениями, в лаборатории периодически отбирают небольшие аликвоты (пробы) с бактериями и замораживают их в качестве контрольных образцов. С помощью проб учёные хотят проследить, как развивались последующие поколения от предковой формы.
В эксперименте Ленски был показан пример адаптации штамма кишечных палочек к новому источнику энергии — цитрату натрия (натриевой соли лимонной кислоты). Было известно, что эти бактерии не могут питаться цитратом — это их фундаментальное свойство. Поэтому лимонная кислота использовалась как консервант для питательной среды, основным компонентом которой была глюкоза. Внезапно аспиранты заметили, что в одной из колб клетки стали очень быстро размножаться. Поначалу сотрудники приняли это за загрязнение среды, но впоследствии выяснилось, что они имеют дело с интересным феноменом, подтверждающим представления о том, как работает эволюция.
Геном и мутации
Материальная основа изменившихся свойств — генетический материал. Внутри каждой бактерии есть молекулы ДНК — две длинные цепочки, состоящие из четырёх видов блоков. Это своего рода химические «буквы»: белки тимин, гуанин, цитозин и аденин. В 1980-е годы был придуман метод расшифровки ДНК, благодаря которому учёные узнали очень много нового о свойствах организмов и о том, как и почему они меняются, рассказала Елизавета Григорашвили.
Изменения в генетическом материале потомков относительно предков называются мутациями. Они бывают нескольких видов. Например, замена одной «буквы» в ДНК на другую — это точечная мутация. Удаление нескольких «букв» из последовательности — делеция. Появление нескольких новых — инсерция.
Cамая интересная с точки зрения Елизаветы Григорашвили мутация — это дубликация. В этом случае определённый кусочек ДНК полностью копируется и вставляется в ту же молекулу немножко на отдалении от её оригинальной позиции. По словам лектора, дубликации помогают эволюции экспериментировать над последовательностью ДНК.
— Каждый ген отвечает за определённую функцию. Например, за то, чем питается бактерия. Представим, что в ходе случайной мутации ген дублицировался. Затем в одной из копий этого гена начинают накапливаться новые мутации: точечные, делеции, инсерции и другие. Они могут оказаться неудачными: ген начнёт работать плохо или вообще перестанет работать. Но из-за того, что у нас есть вторая копия этого гена, он продолжает выполнять свою функцию и не даёт этой линии клеток погибнуть.
Большинство изменений нейтральны: они ничего не портят, но и ничему не помогают. Бывают и такие изменения, которые приводят к гибели линии бактерий или целых организмов — например, раковые опухоли. А случаются и такие, которые приводят к скачку в развитии популяции.
Случайность как двигатель эволюции
— Эволюция — это во многом случайный процесс. Мутации происходят в результате ошибок в работе ДНК или под влиянием агрессивной среды. Но именно этот «хаос в жизни клеток» помогает им приобретать новые свойства и развиваться, — подчеркнула Елизавета Григорашвили. — Многие люди думают об эволюции как о направленном процессе, но это в корне неверное понимание. Эволюция — это череда счастливых случайностей.
Бактерии размножаются бесполым путём, разделяясь на две половинки. Как правило, дочерние клетки — это клоны, полные копии клетки исходной. Однако в ходе эксперимента Ленски были зафиксированы случаи, когда свойства бактерий менялись. Почему это происходит?
— Клетка — это маленький мешочек с гелем внутри, и она «плавает» в некой среде, — поясняет лектор. — Этот мешочек отделён от внешней среды мембраной, которая не пропускает в клетку что попало. Но если в окружающей среде появляется что-то, что клетка хотела бы забрать — например, сахар для питания, — в мембране «включаются» специальные молекулы. Это белки, напоминающие по форме трубочки, через которые молекула может транспортировать вещества из среды вовнутрь. Клетке нужно быстро среагировать на то, что вокруг есть сахар. Для того, чтобы точно знать, что синтезировать, клетка использует молекулы РНК — своего рода «рецепты» для того, чтобы делать белки. Они не присутствуют в клетке постоянно, но могут синтезироваться по мере необходимости по информации из генов, которые находятся в ДНК.
У нас есть специальный белок, который умеет синтезировать РНК, — полимераза. Для того, чтобы полимераза «поняла», где начало гена, перед геном есть регуляторная последовательность, которую она может химически «узнать». Когда необходимость в синтезе РНК пропадает — например, сахар из внешней среды ушёл, — специальный белок начинает блокировать регуляторную последовательность, мешая работе полимеразы.
— Если обобщить эту схему, получается такой цикл. У нас есть много сахара, и мы включаем производство белка. Из-за того, что мы включили производство белка, который утилизирует сахар и позволяет его всосать в клетку, сахара в окружающей среде становится меньше и в какой-то момент он расходуется. Тогда нам нужно отключить производство белка. И так по кругу. Это называется «принципом обратной связи», и это элемент порядка, который уравновешивает хаос в жизни клетки.
Как бактерии научились питаться цитратом натрия
Бактерии конкурируют между собой: каждая хочет получить как можно больше ресурсов, размножиться и всех вокруг «задавить». На этой конкуренции строится их взаимодействие: им нужно уметь эффективно использовать свои ресурсы и находить конкурентные преимущества в среде. Поэтому клетки могут адаптироваться и находить новые источники энергии.
Представим, что наша клетка потребляет обычный источник энергии — тот же сахар. Но внезапно в окружающей среде появляется новый источник. Поначалу клетка не может им питаться, потому что у неё для этого нет соответствующих белков, механизмов регуляции и механизмов обратной связи. Научиться питаться этим новым источником энергии клетке может быть очень полезно, но сложно. Изменение концентрации сахара — это краткосрочное изменение. А изменение источника энергии – это серьёзный вызов, который требует больших изменений внутри клетки.
— Можно сравнить это с тем, как если вы привыкли ходить в булочную у себя в подъезде, а она возьмёт да и закроется. И вам нужно думать, где теперь покупать хлеб, — говорит лектор.
Как популяция кишечных палочек в эксперименте Ленски научилась питаться цитратом? Здесь в полной мере проявили себя случайность в виде мутации и порядок в виде механизмов обратной связи. Оказалось, что рядом с геном поглощения цитрата у этого микроорганизма есть другой ген — исследовательница для простоты иллюстрации назвала его «геном X». У предковой формы бактерий ген поглощения цитрата не работал. Однако у мутировавших бактерий он дублицировался, присел на хвост «гену Х» и стал включаться или выключаться вместе с ним. Это позволило клеткам научиться питаться натриевой солью лимонной кислоты, потому что у них появился соответствующий белок, который может импортировать цитрат внутрь клетки, и они получили конкурентное преимущество.
— Никто не ожидал, что клетки будут питаться цитратом. Но случайная дубликация изменила то, как ген регулируется. Хаос провзаимодействовал с порядком, и это позволило клетке адаптироваться к среде. Баланс между хаосом и порядком даёт клетке баланс между гибкостью и устойчивостью. Гибкость — в том, что бактерия может реагировать на окружающую среду и адаптироваться к ней. Устойчивость в том смысле, что в ней достаточно порядка, чтобы функционировать, несмотря на изменения в среде, — отметила эксперт.
О важности фундаментальных исследований
В завершение лекции Елизавета Григорашвили рассказала о практической значимости эксперимента Ленски и других подобных исследований. Зная то, как бактерии умеют регулировать гены, мы можем создавать штаммы для производства лекарств. Например, инсулин производится сейчас с помощью бактерий. Раньше его добывали из свиней, а теперь можно свиней не убивать. К тому же свиной инсулин иногда вызывал у людей иммунную реакцию, а рекомбинантный инсулин намного более безопасен.
Кроме того, если мы в принципе больше знаем про регуляцию в клетках, мы можем понимать причину болезни и придумывать лекарства. Типичный пример болезней, связанных с нарушением регуляции, — это различные виды рака. Зная о том, как они возникают, мы можем пытаться их предотвращать или лечить.
По словам эксперта, важно изучать регуляцию бактерий, потому что мы сосуществуем с микроорганизмами. Они находятся на поверхности и внутри нашего тела. Некоторые учёные считают, что те бактерии, которые живут у нас в кишечнике, — это отдельный орган. Понимая, как регулируется их жизнедеятельность, мы можем использовать те бактерии, которые нам полезны, и бороться с теми бактериями, что вызывают заболевания.
Елизавета Григорашвили убеждена: всегда должны быть учёные, занимающиеся фундаментальной наукой. Это позволяет расширять границы нашего познания о природе и узнавать такие вещи, которые мы не могли бы даже себе представить.
— Раздвигая границы знания, мы находим новые сведения, которые оказываются практически применимыми. Но если бы не было людей, которым просто было интересно покопаться, мы бы никогда о них и не узнали. Поэтому мне кажется очень важным изучать науку с фундаментальной точки зрения.
