Путь в генетику

- Половой процесс у микробов? От роду не слыхали ничего более нелепого, - говорили некоторые микробиологи. - Да зачем это им нужно? Разве их не устраивает простое деление?

Но вопрос "зачем" - вопрос к Природе, а она молчалива и во всех гостиных своих тайн не рассказывает. Она доверяет лишь тем, кто умеет слушать.

Американские ученые Ледерберг и Татум это умели, ибо иначе они не смогли бы столь успешно поставить и завершить опыт, роль которого трудно переоценить. В одном опыте они доказали существование полового процесса у бактерий и возможность скрещивания между разными их мутантами.

Открытие не свалилось Ледербергу и Татуму на голову, как рождественский подарок! Успех пришел именно потому, что наступление было продумано до мелочей. Не день и не два в тихих стенах лаборатории рождался план открытия.

- ...Спору нет, - задумчиво говорил Татум, - что если у бактерий существует половое размножение и, как результат его, - потомки-гибриды, то они так же редки, как находки мамонтов. Часто ли, скажите на милость, видели вы под микроскопом у бактерий процесс, похожий на спаривание?

- Кто возражает против этого? - горячился Ледерберг. - Дело вовсе не в данных микроскопии. Мало увидеть, как две бактерии сближаются друг с другом и между ними будто бы перекидывается протоплазматический мостик. Надо доказать, что это действительно скрещивание бактерий, что они на самом деле обмениваются наследственным веществом.

- Вы упустили из виду работы Шермана и Уинга, а также Гоуэна и Линкольна... - начал было Татум.

- Да ведь им по сути дела не удалось ничего доказать определенным образом. Они учитывали лишь признаки, по которым нельзя было отличить гибридов от мутантов.

- Это так, - соглашался Татум. - Мы пойдем другим путем: будем скрещивать друг с другом мутантов кишечной палочки, потерявших способность вырабатывать некоторые факторы роста. Опыты с нейроспорой показали, что признаки, связанные с пищевым "режимом", наследуются. У нас есть мутанты "дикого" штамма кишечной палочки, утратившие способность синтезировать сразу три вещества: биотин, фенилаланин и цистин, а также мутанты, не синтезирующие треонина, лейцина, витамина B₁...

Конечно, никто не поручится, что разговор шел именно таким образом. Скорее наоборот, он пестрил генетическими терминами и был гораздо короче. Главное в другом - разведчики, которым предстояло проникнуть за занавес Природы, были избраны: три "родных брата" - потомки кишечной палочки по имени К12.

Поскольку она попала в историю науки, с ней стоит познакомиться поближе.

Кишечная палочка обитает в кишечнике человека и животных. По форме она действительно похожа на палочку, одета в оболочку, способна к движению. Тело ее окружено множеством жгутиков. Жгутик - тонкий, подобный волоску белковый вырост из цитоплазмы. Это - орган движения.

Потребности кишечной палочки в питательных веществах умеренны. Дикий тип может расти и размножаться даже на "синтетической" жидкой среде, содержащей несколько неорганических солей и глюкозу. Эту среду называют еще минимальной. В ней глюкоза - единственный органический компонент среды - доставляет микробу углерод и с ним энергию. Кишечная палочка живет как без кислорода, так и в его присутствии. Добавляя к минимальной среде аминокислоты и витамины, можно определить потребность в них у того или иного мутанта кишечной палочки.

Но вернемся к опыту Ледерберга и Татума. Итак, ученые взяли для испытания три штамма кишечной палочки К12. Первый разведчик был прародителем двух других, и его называли во всех протоколах диким типом. Он отличался завидным "здоровьем" и прекрасно рос на простой синтетической среде. Его "товарищи" таким здоровьем не обладали, так как были мутантами, искалеченными мутагенами. Второй рос на синтетической среде лишь при добавлении туда биотина, фенилаланина и цистина - мутация, таким образом, коснулась целых трех генов. Третий "разведчик" рос на минимальной среде при добавлении тоже трех, но уже иных факторов - треонина, лейцина и витамина B₁.

Первое задание было простое, как дважды два. Экспедицию "высадили" на чашки с минимальной средой, и вырос только "дикий" микроб. Ущербные мутанты не дали ни единого потомка, хотя на посев брали до ста миллионов микробов. И это никого не удивило - ведь мутанты не могли, подобно "отцу", вырабатывать все, что им нужно.

Но второе задание уже было штурмом природы. Ученые послали в разведку второго и третьего мутантов вместе - попросту говоря, перемешали их и высеяли на чашку с минимальной средой. И вдруг... это было похоже на чудо. Вечером начали опыты, а утром на чашках появились ровные, гладенькие колонии. Наверное, в тот день лаборатория ликовала...

Чтобы лучше разобраться в опыте, давайте нарисуем портреты обеих калек - мутантов. Пусть темная часть тела означает потерю: у одного (II) она будет слева, у другого (III) - справа. Вверху разместим "здоровяка" - дикий тип, у него "все ноги целы", а по цвету он - белый.

Теперь изобразим тех микробов, которые выросли на чашках в ту памятную для лаборатории ночь. Какими красками рисовать их портреты? Тут и раздумывать не о чем - конечно, белой, ведь выросли они на минимальной среде. Значит, они уже не калеки, так как могут обеспечить себя всем необходимым и синтезируют все шесть факторов роста, которые утратили их "родители".

Что же получается? Порознь каждый из микробов-мутантов не растет на голодной среде, а вместе - растут. Почему? Похоже на то, что наследственный материал двух калек-родителей каким-то непостижимым образом объединился и родились здоровые дети. Непостижимым? Нет, это могло произойти лишь вполне определенным образом - путем соединения генетического вещества обоих родителей. Это значит, что в то памятное утро перед взорами исследователей предстали истинные гибриды микробов.

И сегодня на карте бактериальной генетики, думается, нет места примечательней, чем учение о генетических рекомбинациях у бактерий. Понятие "рекомбинация" не такое уж сложное. Речь идет о какой-то повторной комбинации. Тут надо вспомнить, что при соединении хромосом (или их частиц) двух родителей хромосомы вытягиваются так, что гены, несущие одну и ту же функцию (аллели), приходятся друг против друга. И если совершается перекрест (кроссинговер) двух нитей, то в некоторых участках идет обмен генами. Этот обмен называют рекомбинацией. Как видите, ничего загадочного. При последующем делении хромосомы, поменявшиеся участками, разойдутся в разные клетки. Бактерий с измененными участками хромосом в генетике микробов окрестили рекомбинантами, или гибридами.

Половой процесс у бактерий назвали конъюгацией. Почему же ее не открыли раньше? Ведь бактерии-то появились перед взорами исследователей не сегодня и не вчера. Неужели микробиологи до пятидесятых годов нашего века не замечали полового размножения у бактерий?

Ответ на эти вопросы дали сами первооткрыватели. В опытах Ледерберга и Татума полноценные потомки от скрещивания двух мутантов-калек появлялись с частотой не более одного на сто тысяч, миллион клеток. Подумайте: всего одна клетка-рекомбинант на сто тысяч скрещиваемых! Найти ее так же трудно, как меченое зернышко в стоге сена (к тому же не зная, как оно выглядит и даже есть ли оно там!).

Ледерберг и Татум начали искать генетических рекомбинантов бактерий, убежденные, что они должны существовать. Это не было случайное открытие. Опыты привели к нему лишь потому, что были точно рассчитаны.

И все-таки нельзя утверждать, что гибриды такая уж редкость в мире невидимых. Ведь их открывают лишь тогда, когда ищут, а ищут по тем признакам, которые поддаются отбору. В руки экспериментаторов попадают не все гибриды, и лишь те, чьи измененные признаки легко уловить в условиях опыта. Сам опыт уже налагает ограничения, не позволяя выявить всех рекомбинантов.

Итак, генетика смело ступила на микробиологическую лестницу. И вот что изумляет. Уже первый шаг не был бесплоден и помог снять завесу с сокровеннейшей тайны микробов - процесса конъюгации. Генетики смогли увидеть гибридов и сказали:

- Если есть дети, то должны быть и родители.