Достопримечательности страны гибридов

Кстати, если уж говорить о достопримечательностях, то первой были объявлены.., гибриды кишечной палочки К12. И знаете почему? После того, как опыты Ледерберга и Татума доказали существование полового размножения этих микробов, никто не смог найти их у других видов бактерий.

- Невероятно! - восклицали иные неудачливые экспериментаторы. - Выходит, что генетические рекомбинанты - лабораторная диковинка и только.

- Вполне согласны с вами, - вторили их коллеги. - Несколько тысяч опытов - и ни одного удачного. Сомневаемся, так ли уж безупречны были опыты первооткрывателей генетических рекомбинаций. Может быть, половое размножение у кишечной палочки - ошибка эксперимента...

Но, как говорится, каждый склонен судить о ярмарке по собственной выручке. Безуспешные исследования были плодом методических трудностей ученых, как только они углублялись в лабиринт изучения микробов-гибридов. Ведь надо было уметь получать столь же ловких "разведчиков-мутантов", которые были у Ледерберга и Татума.

Но терпенье и труд все перетрут. Перетерли они и эту преграду. Рекомбинации (в среднем около 5%) обнаружили у других кишечных палочек. Они перестали казаться лабораторной диковинкой, но остались загадкой. Почему рекомбинанты рождаются не всегда, а лишь в определенных случаях? Нельзя ли сделать их более частыми? Какова роль партнеров? Есть ли. у бактерий "самцы" и "самки"? До какой степени простирается сходство между половыми процессами у микробов и высших организмов?

Самой большой преградой для ученых было множество отклонений в процессе конъюгации бактерий от обычных законов генетики. Странные, сбивающие с толку отклонения... Они не умещались в привычных рамках и в конце концов привели ученых к мысли:

- Микробы-гибриды? Да это же генетические уродства!

Даже сам первооткрыватель Ледерберг как-то с грустью заметил: "Пожалуй, нам следует спросить себя: а не ошибка ли сама эта попытка использовать при анализе расщепления признаков у кишечной палочки привычные понятия хромосомной теории цитогенетики? Не сталкиваемся ли мы в этом случае с совершенно особым механизмом генетической рекомбинации?"

...Открыв половое размножение у бактерий, ученые лишь через шесть лет научились узнавать у них "самцов" и "самок". Опыт был поставлен знаменитым английским ученым Вильямом Хейсом, издавшим в 1964 году замечательную книгу "Генетика бактерий и фагов".

В этом опыте "действовали" наши старые знакомые - два мутанта кишечной палочки К12, с которыми в свое время работали Татум и Ледерберг. Первый мутант, назовем его А, совершенно разучился вырабатывать метионин и биотин (М^-В^-), второй (В) - треонин, лейцин и витамин B₁ (T^-L^-B₁^-). Кроме того, оба мутанта были взяты в двух видах - устойчивом и чувствительном к стрептомицину.

Итак, опыт шел в лаборатории Хейса. Вернее, было два опыта. В первом скрестили мутанта А, чувствительного к стрептомицину, с мутантом В, устойчивым к нему, и высеяли эту пару на минимальную среду со стрептомицином. На ней погибнут чувствительные к антибиотику микробы, но выживут и дадут колонии потомков все устойчивые.

На следующее утро, как всегда, "чтение" результатов. Рекомбинанты росли как ни в чем не бывало, как будто в среде не было ни крупицы стрептомицина. Значит, все они получились устойчивыми, унаследовав этот признак от родителя В. Но один опыт не мог дать ответа на вопрос. Хейс это прекрасно понимал. Иначе зачем бы ему было ставить рядом с первым второй эксперимент?

В этом опыте партнеры были бы точной копией первых, если бы не один легкий штрих. К стрептомицину теперь стал устойчив мутант А. Столь легкое на первый взгляд отличие в родителях оказалось для рекомбинантов прямо-таки катастрофическим. Стрептомицин безжалостно "скосил" их всех. Они погибли, не дав ни одного потомка, невзирая на то, что один из родителей был устойчив к стрептомицину. Неслыханно!

Причина могла быть одна - родители неравноценны в конъюгации. Мутант В смог передать "детям" свою устойчивость к антибиотикам, а мутант А - нет. Это возможно лишь в том случае, если рекомбинанты получили всю хромосому от В и только часть - от А. В обоих случаях это было только так: родитель А всегда давал, а родитель В - принимал наследственный материал бактерии.

Хейс вытягивал из своего опыта нитку за ниткой, пока, наконец, не заключил: "Партнеры при конъюгации бактерий неравноценны. Похоже на то, что бактерии-доноры, то есть способные "оплодотворять", обладают каким-то таинственным веществом".

Позднее это вещество стали именовать фактором плодовитости (фактор F). Мужские клетки, способные оплодотворять, назвали F⁺, женские - F^-. И вот что любопытно. Если пустить в среду бактерии F⁺ совместно с бактериями F^-, то в течение какого-либо часа до 70 процентов бактерий приобретают признак плодовитости и, следовательно, превращаются в F⁺. Но самое главное - в другом. Такая конъюгация... не имеет ровно никаких последствий для потомства. Рекомбинанты, получающие от родителей, кроме фактора плодовитости, биохимические признаки, все равно встречаются чрезвычайно редко.

Опыты Хейса были для молодой генетики бактерий как огонек для путника, заблудившегося ночью в лесных дебрях. Они с легкостью объяснили неравномерное наследование у микробов-гибридов признаков от родителей. Все очень просто. Партнеры неравноценны. Один из них - "материнская" клетка- отдает потомкам всю свою хромосому, другой - "отцовская" клетка - только ее часть. И понятно, что потомки получают в основном признаки клетки-"матери" и лишь несколько признаков клетки-"отца". Впоследствии такую односторонность подтвердили разные ученые.

В 1960 году скандинавские исследователи Орсковы доказали, что в мужских клетках кишечной палочки К12, кроме F-фактора, есть особый поверхностный антиген. Они назвали это вещество f⁺-антигеном. Позднее нашли, что он имеет вид тончайших нитей. Это специализированные "половые" ворсинки. Исчезновение полового фактора ведет к исчезновению половых ворсинок, представляющих собой белковые трубки диаметром около 25 ангстрем. Это отверстие вполне достаточно для прохождения двунитиевой ДНК.

Итак, законы генетики приложимы для мира невидимок, но с учетом его особенностей; они-то и смущали первооткрывателей конъюгации. Ученые в разных странах делали тысячи опытов. Но как же трудно уловить в них истину, если число рекомбинантов катастрофически ничтожно. Какой-нибудь один гибрид на сто тысяч-миллион партнеров! Помощь пришла неожиданно...

Для иных микробиологов сочетание букв "Hfr" звучит столь же чарующе, как, наверное, звучали в свое время для Ираклия Андроникова ныне разгаданные им инициалы "Н.Ф.И" в посвящениях М. Ю. Лермонтова. Впрочем, чтобы сразу все разъяснилось, заглянем в лабораторию уже знакомого нам итальянца Кавалли-Сфорца. Это произошло в 1950 году.

- Неслыханно! - взволнованно говорил ученый своим сотрудникам. - Еще никогда не получал такого богатого улова микробов-рекомбинантов!

Прародителем их был обычный мутант кишечной палочки К12, если можно так выразиться, мужского пола, поскольку он давал рекомбинантов с культурами, не имевшими полового фактора. Все его отличия сводились к непостижимо высокой плодовитости: при скрещивании он давал в 100-1000 раз больше гибридов, чем обычный F⁺-штамм. За это его окрестили Hfr (от первых букв английских слов high frequency of recombinations, означающих - высокая частота рекомбинаций). Через три года такой же Hfr выделил Хейс.

Новый мутант начал немедленно задавать исследователям мудреные загадки. Почему, например, плодовитые культуры награждают одними признаками всех гибридов, а другими - очень и очень немногих "счастливчиков"? Или вот, все гибриды от скрещивания нового мутанта "с женскими" бактериями не имеют фактора F... У него было как бы два лица: мужское (высокая частота рекомбинаций при скрещиваниях с F^--бактериями) и женское (отсутствие полового фактора). Но, пожалуй, самую "озорную проделку" позволил себе наш герой в отношении Кавалли-Сфорца. Об этом стоит рассказать особо.

А пока сокращался путь к построению карт хромосом бактерий, к постижению тайн наследственного вещества, размеров генов, к переходу генетики на язык химии.