Битва в пути

Грань между генетикой и микробиологией была крепче и долговечней границ государств. И охранялась она так же неукоснительно...

- Методы генетики неприменимы к бактериям, - заявляли микробиологи.- В клетках животных и растений наследственность "записана" на хромосомах. Эти образования "упрятаны" в ядре клетки и состоят в основном из дезоксирибонуклеиновых кислот. А кто может похвастаться тем, что наблюдал у бактерий четкое, обособленное ядро, содержащее нуклеиновую кислоту?

- Разве вы не видели, что когда бактерия делится пополам (а это ее единственный способ размножения), то строгого деления наследственного вещества нет, - добавляли их коллеги. - Возникают два неравноценных фрагмента тела - и все. О потомстве бактерий можно говорить условно.

- Смешно даже думать о хромосомных картах существ, у которых никто не видел подобия хромосом, - вторили им генетики.

- А мутационный процесс? Ведь у бактерий нет достоверных примеров мутаций. Они меняются под воздействием внешней среды, и эти изменения нестойки, - продолжали микробиологи.

- Раз нет мутаций, значит, нельзя применить к микробам генетические методики.

- Постойте, постойте! - возражали некоторые ученые. - Но в микробиологии действует еще один фактор - среда, где культивируют микробов. Она - причина их изменчивости. Она же - фактор отбора. И, разумеется, если у какой-нибудь бактериальной клетки произошла неблагоприятная мутация (а они почти всегда таковы), то мы просто ее не увидим - клетка погибнет. Исходный же тип, обладающий преимуществом в битве за жизнь, выживет. Вот почему мы не замечаем мутаций, но это вовсе не значит, что их не бывает. Надо найти методы их обнаружения.

- О какой генетике бактерий может идти речь, если у них нет даже подобия полового процесса, а потому нет и гибридов, - настаивали их оппоненты.

Итак, три камня преткновения не давали генетике приобщиться к микробам: отсутствие обособленного ядра, мутаций и полового процесса.

Ядро бактерий... Вот книга, изданная в 1962 году. Называется она "Руководство по микробиологии, клинике и эпидемиологии инфекционных болезней, т. I". Здесь - все о строении микробной клетки. Что же говорится об ядре? "Проблема ядра у бактерий на протяжении многих лет вызывает оживленную дискуссию. Несмотря на применение новейших методов исследований, единой точки зрения по этому вопросу не существует", - это пишет известный ученый-микробиолог.

Читаем дальше. Оживают многолетние дискуссии о ядре у бактериальной клетки. Вот первые шаги познания. Известный микробиолог Геккель сколько ни старался, не смог найти у бактерий ядра. За безъядерность он назвал жителей микромира цитодами. Но его исследования убедили далеко не всех.

А если окрасить бактерии специальными красителями, обнаруживающими хроматин? Ну, скажем, провести окрашивания по Фельгену? В микробных клетках тогда можно заметить изящные комочки хроматинового вещества (фото 5). Хроматин в бактериях есть. Но комочки не обособлены от протоплазмы, как в клетках высших оргнизмов. Ядро ли это?

Фото 5. В этих быстро растущих бактериях хорошо видны нуклеоиды (увеличение около 3000 раз)

Хроматиновые образования у бактерий получили множество названий: эквивалент ядра, хроматиновые тельца, ядерная вакуоль, бактериальное ядро, нуклеоид (подобный ядру). Последнее употребляли чаще всего. Нуклеоиды иногда имели вид шаров, иногда палочек и даже подков. Чаще видели два нуклеоида, иногда четыре. Оказалось, что форма нуклеоида различна в разные периоды жизни клетки. В норме он похож на амебу, распластанную в центре клетки, - так много у него выпячиваний и вдавлений. Центральная часть нуклеоида не окрашивается, по Фельгену, и, возможно, состоит из протеина. Но где грань между нуклеоидом и цитоплазмой клетки? Еще никому не удалось увидеть ее. Нередко нуклеоидов вообще не находили. Казалось, что наследственное вещество рассеяно по всей цитоплазме.

- Обособленного ядра нет, - заключили скептики. И "выбросили знамя" теории диффузного ядра.

Они утверждали, что ядро видят при болезни микробов. Иногда оно "появляется" как артефакт (погрешность при окрашивании). И казалось, что они правы. Судите сами: "жители" мира невидимых на 20-30 процентов состоят из хроматина; ядро, если оно есть, должно занимать треть клетки, а его не видят!

Но сторонники теории обособленного ядра тоже не остались в долгу. Они привлекли к спору нового "арбитра" - электронный микроскоп. Электронный луч проник в сердце клетки, и оно оказалось светлым бликом на фоне темной протоплазмы. Но ядро ли это?

Разглядеть его мешала оболочка клетки. А что, если "разрезать" бактерии? Наконец и это стало возможным. Тогда ученые увидели, что темная протоплазма окружает светлое тело с уплотнением в центре - хроматин (фото 6). Прозрачное тело четко отграничено от протоплазмы. Только... только почему ядро светлое?

Фото 6. Срез кишечной палочки К12 при увеличении в 70 000 раз (кабинет электронной микроскопии Института молекулярной биологии АН СССР)

Об этом немедленно спросили защитники теории диффузного ядра. Ведь все ядра клеток высших организмов под лучами электронного микроскопа темные...

Но довольно об этом. Нельзя же перечислять все "за" и "против" в состязаниях фактов. Да и дело-то вовсе не в том, окружено ядро бактерии оболочкой или нет. Важно другое: из какого вещества оно построено и какую работу выполняет.

Вот как получили ответ на первый вопрос. Есть такой фермент - дезоксирибонуклеаза. Он разрушает ДНК, которая входит в состав ядер всех живых клеток. Нуклеоиды микроба не окрашивались методом Фельгена после обработки клетки дезоксирибонуклеазой. Фермент мог расщепить только одно вещество - ДНК и ничто другое. Значит, в состав нуклеоидов бактерий входит ДНК. Совсем так же, как в ядра высших организмов.

Впрочем, не совсем. Хромосомы высших животных и растений - это пучки волокон, построенных из ДНК и белков - протаминов и гистонов. Есть ли белки в нуклеоиде бактерий?

- Есть! - ответили несколько исследователей. - Мы нашли в нуклеоиде бактерий ДНК, рибонуклеиновую кислоту (РНК) и негистонный белок в соотношении 1:1:3. Белки заключены в центре нуклеоидов, построенных из ДНК и белкового стержня, а значит, подобны по устройству хромосоме высших.

- А нет ли здесь ошибки? - возразили им другие исследователи.- Мы не нашли в нуклеоиде белков и никогда их не находили. Нуклеоид - образование однородное и построен из чистой ДНК.

Спор еще не решен. Эти гипотезы до сего дня существуют бок о бок в биологии.

Но независимо от решения спора для генетики важно, что бактериальный нуклеоид содержит всю ДНК бактерий и ее количество увеличивается параллельно росту и делению клетки, что он делится и это деление предшествует делению клетки. Все это дало микробиологии право считать, что нуклеоиды - аналоги ядер клеток высших организмов.

Какую же работу они совершают в клетке? От этого вопроса ведет свое начало генетика микробов и, можно сказать, молекулярная генетика. Ибо ничему иному, как расшифровке функции ДНК хроматинового вещества микробов, биология обязана открытием связи между ДНК и наследственностью живой клетки, ДНК и биосинтезом белков, вскрытием механизма регуляции этих процессов и многим другим, о чем речь пойдет дальше.

Итак, при разгадке работы нуклеоида было доказано, что это аналог ядра.

Второй кардинальный вопрос: можно ли получить у бактерий мутации - наследуемые изменения?