"Титулованные" микробы

Каких-нибудь 10-15 лет тому назад, чтобы написать по- латыни имя кишечной палочки, достаточно было одного росчерка пера: E. coli - все. А сегодня? Вот, скажем, в лаборатории института Пастера в Париже исследователи Жакоб и Вольман собираются экспериментировать с мутантом кишечной палочки. Ее название будет выглядеть так:

E•coliK12T-L-B₁-Az^rT1^rLac-Gal_b^-Mal-Xyl-Man-S^rλ^rT3^r.

Каждая буква здесь означает способность микроба вырабатывать (если за ней стоит знак +) или не вырабатывать (если за ней идет знак -) какое-либо жизненно необходимое вещество, устойчивость (если стоит буква r), либо чувствительность (если стоит буква s) к фагам, антибиотикам и другим агентам. Причем "титулы" мутантов будут со временем не сокращаться, а расти по мере картирования все новых и новых признаков.

Как составляют карты хромосом микробов? Это нелегкий труд, но принцип его остался таким же, каким его впервые применил Томас Гент Морган. За основу берут процент рекомбинантов, образующихся в результате скрещивания бактерий разного пола, которые отличаются друг от друга по биохимическим признакам. Но, конечно, опыты и расчеты идут по-другому.

Знаменитые Hfr не обманули ожиданий. Они осведомили науку о том, что одни признаки передаются с высокой частотой, а другие - с низкой. Это помогло вычертить карту участка хромосомы бактерии. Более того, теперь, когда в руках ученых оказались великолепные Hfr, вычислить процент рекомбинантов оказалось легче: ведь их число неизмеримо возросло. Давайте разберем процесс составления хромосомных карт в опыте Жакоба и Вольмана.

Исследователи скрещивали материнскую клетку кишечной палочки, название которой мы только что написали, с отцовской клеткой Hfr, несущей противоположные признаки. Потомков отбирали на среде со стрептомицином, без тиамина и лейцина. Там могли вырасти только гибриды S^rT⁺L⁺ (иными словами, лишь особи, устойчивые к стрептомицину (S^r), способные сами вырабатывать тиамин и лейцин (T⁺L⁺). Частота появления этих рекомбинантов будет уже не 0,001 процента, как в ранних опытах, а 10 процентов, то есть в 10 000 раз больше. (Еще бы! Ведь "отец" знаменитый Hfr.)

Любопытно, что рекомбинанты появлялись у одной и той же скрещиваемой пары неодинаково и зависели от признака, по которому отбирали гибридов. Так, если их отбирали по признаку T⁺L⁺ (на среде без тиамина и лейцина), то частота их была 10 процентов (10 гибридов на 100 клеток Hfr), а если отбирали по признаку Gal_b⁺ (на среде без галактозы) - они проявлялись лишь в количестве 2,5 процента. В опытах Жакоба и Вольмана все рекомбинанты "научились" синтезировать тиамин и лейцин, то есть были T⁺L⁺. Это могло быть только "отцовское" наследие.

А чье наследство доставалось им в других случаях? Помните, у материнской клетки по всем статьям "титула" стояли минусы (T-L-B₁-Az^rT1^rLac-Gal_b-Mal-Xyl- и т. д.), у отцовской - плюсы (T+L+B₁+Az^rT1^sLac+Gal_b+ и т. д.).

Так вот, "титул" Mal-Xyl-Man-B₁-S^rT3^r "дети" полностью получили от матери. "Отец" здесь никоим образом не смог повлиять на потомство. От "отца" потомки получали признаки T+L+ в 100 процентах, признак Az^r - в 90, признак T1^r(устойчивость к фагу T1) - в 70, способность вырабатывать фермент лактозу (признак Lac⁺) - в 45, способность вырабатывать фермент, сбраживающий галактозу, (Gal_b⁺) - в 25 и носительство фага X - в 15 процентах случаев.

Не надо пугаться, что изложение материала внезапно запестрело цифрами и латинскими буквами, а смысл сказанного становится доступным, только если еще и еще раз перечитать страницу. Ведь это самый трудный перевал на пути к высотам генетической мысли, и одолевший его уже легко разберется в следующем рисунке.

Это - карта участка хромосомы кишечной палочки. В левом углу разместили признаки T и L, они передаются в 100 процентах рекомбинаций. В правом углу - признаки, которые вообще не передаются. И если мы вообразим, что прямая между ними включает сто делений (100 процентов), то между двумя крайними точками любой читатель легко изобразит признак Az^r передающийся с частотой 90 процентов, далее, рядом с ним, окажется более редкий признак - T1^r, передающийся с частотой 70 процентов и т. д. Вот и получился эскиз карты участка хромосомы кишечной палочки Hfr. Генетики называют его участок TL - GaL.

Если посмотреть внимательнее, то похоже, что гены в участке хромосомы неравноценны: более "удачливы" в передаче те, что рядом с участком TL, менее - те, которые сидят дальше. И чем дальше они от участка TL, тем у них меньше шансов проникнуть в клетку матери. Кто же столь неравноценно "распределил" дары природы?

Вопрос о том, как совершается передача признаков от бактерии-"отца" к бактерии-"матери", волновал многих генетиков. И они строили на этот счет различные догадки.

Как только речь заходит о гипотезах, объясняющих процесс конъюгации, перед глазами невольно возникает голубоватый сумрак вечерней лаборатории, трепетное мерцание ультрафиолетовых ламп, и слышатся негромкие голоса, то решительные, то исполненные сомнения.

- Мне представляется, - говорит Джошуа Ледерберг, - что половой процесс у бактерий подчинен законам классической генетики. Вслед за конъюгацией образуется полноценная клетка с двойным набором хромосом.

- И, заметьте, - с мягким акцентом добавляет Кавалли-Сфорца,- она включает весь генетический материал "отца" и "матери".

- Позвольте, позвольте! - возражает им Хейс. - Вы упустили из виду, что гибрид получает, как правило, почти все признаки "матери" и очень мало от "отца". Чаще всего лишь те, по которым исследователь отбирает гибридов. Как же вы объясните эту неполноценность гибридов?

- Ну это-то понятно, - отвечает Ледерберг. - Потом, после нормального скрещивания, у гибрида просто удаляется излишний кусок хромосомы, а то и вся хромосома.

- Нет, я думаю, это происходит на первой стадии, - решительно прерывает его Хейс. - Ненормальности присущи самому процессу конъюгации уже с его начала. Передача наследственного вещества идет только в одном направлении: от бактерии-"отца" к бактерии-"матери". Гибрид получает не всю хромосому "отца", а лишь какой-то более или менее значительный по величине ее кусочек. Далее вступают в силу законы классической генетики: "пришелец" может исчезнуть в клетке, может заменить собою соответствующий участок хромосомы "матери", может...

В общем, все различия гипотез Хейса, Ледерберга и Кавалли-Сфорца упирались в одно: до или после рекомбинации проявляются аномалии, отличающие конъюгацию у бактерий от процесса оплодотворения высших организмов.

Но не в голословном споре должна была открыться истина. И на помощь ученым пришел вирус бактерий - бактериофаг, пока еще мало известное нам действующее лицо.