В стране мутаций

Проблема изменчивости микробов подобна Эйфелевой башне в Париже: путешественник может ничего не знать о ней, но не заметить ее нельзя. Даже на заре микробиологии, когда в самой науке о невидимых господствовал хаос, идея изменчивости уже жила и работала на людей, хотя ученые ничего не знали о скрытых пружинах этого процесса.

В начале XX века сообщения об изменчивости стали все чаще появляться на страницах научных журналов. Оказалось, что у "чистопородных" рас микробов могут меняться не только болезнетворные свойства, но и способность вырабатывать ферменты, чувствительность к ядам, температуре, не говоря уже о внешнем облике клеток, их форме и размерах.

В стареющих культурах короткие палочки чумы становились похожими на змей, нежные вибрионы, как по мановению волшебника, превращались в причудливые шары. В умелых руках исследователей сибиреязвенные микробы и "снимали" капсулу и "надевали" ее, безвредная кишечная палочка обретала болезнетворность, микробы дизентерии становились до такой степени непохожими на всех прочих представителей своей породы, что невольно возникал спор: да точно ли это палочка дизентерийная? Уж не подменили ли ее?

Но вот можно ли считать эти изменения мутациями - этого никто не знал. Во взглядах на механизм изменчивости царила поистине редчайшая неразбериха. Литература тридцатых годов служит непревзойденным образцом того, сколь тонко можно рассуждать по поводу ошибочно понятых фактов. И этому есть несколько причин.

Не рассказать о них было бы несправедливо по отношению к жрецам науки того времени. Ведь что бы там ни говорили, именно они, порой блуждая впотьмах, выложили в науке ступень, на которую оперлась современная генетика микробов. Молодые идут дальше лишь потому, что часть пути им вымостили отцы и деды.

Им первым досталась нелегкая кладь проблем. Вооружены они были отнюдь не совершенной методикой, в основе рассуждений часто лежали случайные наблюдения, а не подлинный эксперимент, очень многое додумывалось, подразумевалось.

Вот, к примеру, статьи об изменчивости кишечной палочки, об изменении ее способности сбраживать молочный сахар - лактозу. Кишечная палочка необычайно быстро приобретает этот признак и, видимо, передает его по наследству. В самом деле, на средах без лактозы она не выделяет нужного для сбраживания фермента. Но стоит пересеять ее на среду с лактозой и дать пожить там - нужный фермент появляется. Потомки ее уже выделяют фермент немедленно. Более того, потомки сохраняют приобретенное свойство при длительном существовании. Ну, о какой, скажите на милость, мутации может здесь идти речь? Ведь мутация - процесс скачкообразный, а у кишечной палочки способность к выработке белка-фермента ее гены приобрели после длительной (сутки для бактерий - это смена десятков поколений!) жизни на среде с лактозой. Этот факт расценивался, как подтверждение теории, по которой изменчивость считалась результатом не мутаций, а адаптации. По теории адаптации выходило, что условия окружающей среды непосредственно вызывают наследственные изменения у бактерий. Совсем так же, как у ламарковского лютика. Вместе с этим существовала точка зрения, что изменения у кишечной палочки - это проявление совместного действия мутаций и отбора в быстро растущей популяции бактерий.

Спор в течение многих лет оставался неразрешенным. Может быть, потому, что его вели не генетики, а микробиологи, которые имеют дело с большими популяциями (т. е. культурами, насчитывающими миллиарды микробов). Судить так, это все равно, что определять характер знакомого вам англичанина на основании энциклопедической справки об особенностях нрава английской нации в целом.

Было ясно - надо следить за судьбой отдельных клеток. В 1934 году американец Льюис сделал эксперимент, в котором попытался узнать, все ли клетки или только их небольшая часть адаптируются и растут в новых условиях. Он убедился, что в исходной популяции попадались клетки, которые с самого начала сбраживали лактозу. Правда, таких клеток было немного-одна на сто тысяч. И Льюис решил, что, видимо, это мутанты. Они получают преимущество на среде с лактозой и потому быстрее размножаются. Однако его опыт не убедил сторонников теории адаптации. Они справедливо отметили, что Льюис не доказал наличие у клеток именно врожденной способности сбраживать лактозу.

Восполнить этот пробел взялся американский ученый Джошуа Ледерберг. Подобно Льюису, Ледерберг и его жена решили изучить потомство многих тысяч бактерий на присутствие в них мутантов, но пошли они иным путем.

Надо хорошо себе представлять, что одна выросшая на чашке колония - это потомство одного микроба. Льюис находил мутантов с частотой один на 100 тысяч. И чтобы изучить потомство каждой из ста тысяч бактерий, он петлей снимал колонию и сеял ее на несколько чашек с селективными средами. Это был неслыханно кропотливый труд. Ледерберги вместо многих операций с одной "иглой" решили производить одну операцию со многими "иглами", прикрепленными к общему основанию. Роль "игл" они поручили исполнять... бархатной подушечке, ведь бархат представляет собой частую щетку из мельчайших, правильно расположенных упругих игл. Чашку, где выросли колонии, слегка прижимают к поверхности бархата, и на импровизированном штампе получается четкий отпечаток. Чистые чашки-реплики, на которых предполагают засеять колонии-отпечатки, накладывают на бархат, и посев готов. С одного образца можно сделать 6-8 отпечатков. Если такие отпечатки перенести на чашки, предварительно засеянные фагом, то на месте отпечатков вырастут только колонии, устойчивые к фагу. А теперь надо на исходных чашках найти те колонии, которые дали устойчивых к фагу потомков. Это и есть мутанты кишечной палочки, устойчивые к фагу, хотя они никогда с ним не соприкасались. И такие колонии были найдены. Здесь, конечно, не могло быть адаптивных изменений. Ведь на первой чашке-матрице фага не было, а значит, и привыкать было не к чему.

Теория адаптации существует в микробиологии и по сей день, несмотря на полное отсутствие ее убедительного экспериментального обоснования.

Вот, например, как трактуют процесс развития у бактерий устойчивости к лекарственным препаратам (антибиотикам, сывороткам, фагам и др.) спорящие стороны. Как известно, такую устойчивость микробы могут приобретать чрезвычайно быстро. Представьте себе, что вам надо получить стафилококков, устойчивых к пенициллину. Нет ничего проще. Посейте обычную чувствительную расу на плотную питательную среду с антибиотиком. Поставьте чашки с посевом в термостат. А завтра там вырастут только устойчивые потомки. Копья ломаются на вопросе - в чем же "работа" пенициллина? Что он - кузнец, который выковывает стойкие расы микробов, или попросту сортировщик, отбирающий то, что стойко? Что происходит в среде-адаптация (привыкание к пенициллину) или отбор предшествующих устойчивых к пенициллину мутантов?

Современные апологеты теории адаптации отталкиваются от высказываний английского ученого Хиншилвуда (1946 г.) о химической кинетике клетки. Они считают, что при контакте с низкой концентрацией антибиотика в теле чувствительных бактерий происходит сдвиг нормального баланса химических реакций в сторону нового равновесия. В результате - клетка становится менее чувствительной к антибиотику. Такое равновесие может передаваться дочерним клеткам. Когда бактерия делится надвое, то надвое делится и цитоплазма. Дочерней клетке передается от материнской вместе с половинкой цитоплазмы тип обмена веществ. Итак, речь идет о цитоплазматической передаче наследственности. Ученые, придерживающиеся этой точки зрения, не исключают мутаций и отбора там, где их удалось доказать. Они не утверждают, что приспособление наследуется генетически, но их концепция до сих пор не доказана.

Большинство микробиологов склоняются к мысли, что антибиотики в данном случае служат для отбора расы, ставшей по причине мутаций устойчивой к антибиотикам. Кстати, теперь доказано, что микробы могут стать устойчивыми к стрептомицину под воздействием не стрептомицина, а... фага. Тогда на среде антибиотик отберет уже готовые мутанты, тут уж для адаптации не найдется места.

Итак, вопрос о наличии у бактерий мутаций в настоящее время решен положительно.

Метод Ледербергов послужил убедительным доказательством существования у бактерий спонтанных преадаптивных мутаций, т. е. мутаций, совершенно не связанных с адаптацией. Позднее Ледёрбергу. и итальянскому ученому Кавалли-Сфорца удалось показать, что мутации являются единственной причиной изменчивости бактерий. В культурах бактерий этих мутантов очень мало: одна на десять тысяч-миллиард клеток. Но если мутант даст потомков, то через сутки их будет целая армия, не заметить которую нельзя. Вот почему исследователи считали, что у бактерий частота спонтанных мутаций во много раз превосходит частоту мутаций у высших организмов.

Превосходство это, как видите, мнимое. Но оно утверждает превосходство бактерий как генетических объектов. Ведь если у какого-либо высшего существа (у крольчихи или овцы) десятилетиями нельзя обнаружить мутантную форму, то у бактерий их находят через сутки. Но это еще не все. Мутации бактерий тоже можно получить искусственно, при помощи неблагоприятных для микроба агентов, повысив частоту мутаций в десять, сто тысяч раз. Этих агентов назвали мутагенами. Среди них на почетном месте разместились ультрафиолетовые, рентгеновы и x-лучи.

Мутагенный эффект лучей зависит не только от дозы, но и от длины волны. Особенно у ультрафиолетовых лучей. Вне конкуренции длина волны в 2650 ангстрем - спектр поглощения лучей нуклеиновыми кислотами.

В семье мутагенов есть и химические вещества. Они не слабее своих "собратьев по профессии" - лучей и работают на генетику вовсе не меньше; это - иприт, перекись водорода, эмбихин, сарколизин, этиленамин, гидроксиламин, профлавин, азотистая кислота и другие.

Индуцированные мутации... Без них теперь шагу не ступишь в лабиринтах современной генетики микробов. Причем один и тот же мутаген, например ультрафиолетовые лучи, может в одном случае сделать микробы недоступными для фага, в другом - устойчивыми к пенициллину, в третьем - к стрептомицину.

Изменение внешнего вида, чувствительность к лекарственным веществам, продукция ферментов... Какие же метаморфозы у бактерий стали помощниками генетики? Совсем ни к чему вникать в долгий путь состязаний фактов, где к финишу пришли избранники. Среди них - устойчивость к лекарственным веществам, способность сбраживать углеводы и синтезировать метаболиты (вещества, участвующие в обмене). Несколько слов об этих свойствах бактерий. Они заслуживают внимания не менее, чем устойчивость к антибактериальным веществам, хотя бы потому, что "пришли к финишу" вместе с нею.

Любой студент медицинского института, знакомый с началами микробиологии, расскажет вам, что способность сбраживать углеводы зависит от присутствия ферментов, что микробы горазды на выработку таких ферментов, что обнаружить многие из них легко, стоит посеять микроб на среду с соответствующим углеводом... Но генетиков привлекло другое - наследственная передача этих признаков, а также то, что они проявляются, как правило, только в присутствии специфического сахара. Право же, стоит преклонить колени перед мудростью природы, столь экономно расходующей силы даже ничтожнейших невидимок. Как ей удается это?

Еще несколько лет назад поиски механизмов такого явления напоминали погоню за манящим призраком. Сегодня - это предмет точного эксперимента. Генетики получили возможность отличать генотип микроба от его фенотипа и порознь наблюдать за их изменениями.

Генотип и фенотип - два очень важных слова в генетике. Любой организм наследует от родителей не признак как таковой, а только потенциальную возможность проявления этого признака. Появится ли он на самом деле, во многом зависит еще от условий жизни данного организма. Вот вам пример. У снежно-белых гималайских кроликов хвост, лапы и уши черные, так же расцвечены и все их потомки, то есть признак окраски наследуется. Это не казалось удивительным до тех пор, пока ученые не заметили: цвет шерсти зависит... от температуры. Опыт проходил так. Белую шерсть на боку у кролика выщипали и продержали его на холоде, пока плешь не заросла... черной шерстью. Озадаченные исследователи опять ее выщипали и вернули кролика в тепло: на боку выросла... белая шерсть.

Стало ясно: кролики наследуют не Характер распределения окраски, а способность синтезировать черный пигмент при определенной температуре. Температура (внешняя среда) определила проявление наследственных задатков кроликов, его генотип. Так вот, генотип это и есть совокупность наследственных задатков (генов) организма, а фенотип - совокупность проявляемых признаков. Иными словами, фенотип - это итог взаимодействия генотипа с окружающей средой...

Пожалуй, ни один из признаков не пользуется теперь таким успехом, как способность микробов к синтезу метаболитов. Тут могут быть аминокислоты (триптофан, лейцин и др.), витамины и иные факторы роста. Дикий тип, как правило, синтезирует все нужные микробу метаболиты и потому превосходно растет на синтетических средах с минимальным количеством питательных веществ.

В силу особых обстоятельств (действие ультрафиолетовых лучей, химических мутагенов и т. д.) среди клеток дикого типа могут возникать мутанты, утратившие способность к синтезу какого-либо метаболита, ну, скажем, аминокислоты триптофана. Они уже не будут расти на среде, не содержащей этой аминокислоты, но вырастут в параллельном посеве на среде с триптофаном. О том, как применили ученые этот признак для постижения тайн наследственности, лучше рассказать немного ниже,

Итак, жители невидимого мира стремительно размножаются, и это неслыханно ускорило бы процессы картирования. Они имеют "в ядре" наследственное вещество, способное мутировать, - это могло бы стать базой для составления карт генов, ответственных за тончайшие химические признаки живого. На микробах можно изучать наследование признаков, простых и единичных. В этом их преимущество перед высшими организмами, но...

Это "но" было настолько серьезным, что ни один генетик не рисковал брать бактерии в свою лабораторию. Судите сами. Ведь при составлении карт генов дрозофилы помогло существование кроссинговера - обмена признаками между двумя родительскими хромосомами. Картирование генов у нейроспоры также стало возможным лишь после того, как у них был обнаружен и изучен половой процесс. А кто мог сказать, что у бактерий есть половой процесс?