На грани жизни

Вирусам с самого начала не повезло. Когда в 1892 году русский ботаник Дмитрий Иосифович Ивановский впервые поведал миру о странных свойствах возбудителя мозаичной болезни табака, на микробиологов это не произвело ровным счетом никакого впечатления. В те годы их прямо-таки ослепил фейерверк блестящих открытий целой галереи бактерий - возбудителей заразных болезней человека. Ученые обнаруживали по одному, по два "преступника" ежегодно. Луи Пастер начал свои первые прививки против сибирской язвы, бешенства, возвращая к жизни обреченных на смерть. Восхищенное человечество увидело, наконец, реальную возможность победы над грозным врагом.

Мозаичная жизнь табака

Естественно, в то время никого не могло увлечь известие о том, что есть такое заразное начало, которое нельзя увидеть под микроскопом, которое проходит сквозь самые мелкопористые фильтры, но тем не менее способно размножаться.

Позднее губителю табачных листьев было присвоено имя "фильтрующийся вирус", или просто "вирус" (от латинского вирус - животный яд).

Только после первой мировой войны, когда эпидемия гриппа "испанки" унесла 20 миллионов жизней и оказалось, что ее виновник - вирус, наступил перелом в биографии вирусологии. Вот тогда-то и выяснилось, что вирусы - одни из самых стандартных изделий природы и к тому же - давние враги человека. Вслед за гриппозным в список возбудителей болезней человека были записаны вирусы кори, свинки, ветряной и натуральной оспы, бешенства, полиомиелита и множество других. Были открыты также вирусы, поражающие бактерии, - бактериофаги (сокращенно - фаги). Наконец, в список вирусных болезней были включены опухоли (сегодня уже не вызывает сомнения вирусная природа некоторых опухолей и лейкозов у млекопитающих). Наука уже открыла свыше трех тысяч жителей царства вира, но до сих пор исследователи обнаруживают по нескольку десятков новых видов вирусов ежегодно. Эта армия не может не внушать серьезных опасений, хотя многие вирусные болезни ликвидированы или сведены к минимуму.

Пожалуй, не меньший удельный вес занимают вирусы в решении проблем молекулярной биологии. И это понятно. Вирусы - существа, балансирующие на грани живой и неживой природы, там, где сегодня ведут поиск исследователи.

Долгие годы вирусы находились под покровом таинственности. Что такое вирус? Корпускула или молекула? Фермент или ультрамикроб? Можно ли их считать живыми, если они обойдены такими признаками, как обмен веществ, рост, деление? Первым приоткрыл завесу над тайной вирусов американский биохимик Стенли в 1935 году. Этот год теперь считают датой рождения молекулярной вирусологии.

Все началось с футбольного матча в Урбане, куда в 1926 году приехал двадцатидвухлетний капитан футбольной команды Эрлехемского колледжа Стенли. Он и не предполагал, что эта поездка в корне изменит его планы. Всему виной был долгий разговор с известным химиком, профессором Адамсом, который уговорил его переехать на работу к нему в Иллинойский университет. Начались кропотливые, напряженные исследования.

Схематичное изображение кристалла вируса полиомиелита

В результате открытие, принесшее мировую славу и Нобелевскую премию, Стенли сделал, как и Ивановский, на вирусе мозаики табака. Он выделил вирус в "чистой культуре". Причем вовсе не на питательных средах, как бактерии. Из сока больного табачного листа Стенли получил кристаллы. Они, к его великому изумлению, оказались инфекционными, то есть обладали способностью заражать здоровые растения. Стенли провел химический анализ первых кристаллов и убедился, что это... белок. Непостижимо! Ученые пожимали плечами, не в силах осознать такое. Мертвый кристалл - форма, свойственная неорганическому миру, и... размножается. Ведь до сих пор способность к размножению считалась неотъемлемой привилегией живой материи. Правда, очень скоро была внесена маленькая поправка: кристаллы содержали не только белок, но и 5 процентов нуклеиновой кислоты.

Итак, вирус оказался нуклеопротеидом, который можно получить в чистом виде. Открывались пути для изучения физической и химической природы обитателей царства вира. Вот тогда-то вирусами заинтересовались не только биологи, но и химики, физики, кристаллографы, даже философы, занимающиеся проблемой происхождения жизни. Вирусы оказались наиболее подходящими объектами для решения таких кардинальных проблем науки, как биосинтез белков и нуклеиновых кислот, передача их генетической информации, механизм наследственности и изменчивости, загадки кода и размножения.

Дружные усилия ученых всего мира были вознаграждены. За последние 30 лет молекулярная вирусология раскрыла несчетное число загадок из жизни вирусов. Прежде всего удалось увидеть и даже сфотографировать многие вирусы.

Получить портреты вирусов смогли только с помощью электронного микроскопа. Ни в одном из оптических микроскопов большинство вирусов увидеть нельзя - их размеры меньше половины длины световых волн. Теперь известно, что одни вирусы похожи на палочки, другие - на шестиугольники, третьи - подобны шару или овалу, четвертые имеют вид длинных нитей, пятые (вирусы бактерий, или фаги) смахивают на головастиков, хотя встречаются и нитевидные и шаровидные фаги. У фагов головка подобна шестигранной призме, а хвост может быть коротким или длинным, "змеиным". Это рационально организованный орган для прикрепления к бактериям (фото 8).

Фото 8. Фаг Т2, увеличенный в 200 000 раз. Видны сократившиеся чехлы и нити-присоски (кабинет электронной микроскопии Института молекулярной биологии АН СССР)

Размеры вирусов столь же разнообразны, как в мире бактерий. Есть среди них и свои карлики (120-140 ангстрем), и свои гиганты (5000-12 000 ангстрем). Но как ни малы вирусы, современная техника дает возможность разрезать их на 6-8 частей и благодаря этому изучать их анатомию. Оказалось, что нуклеиновая кислота вируса, как в шубу, закутана в белковую оболочку, которая защищает ее от неблагоприятных воздействий внешней среды. Оболочка, называемая еще капсид, состоит из белковых молекул - капсомеров, в свою очередь состоящих из нескольких белковых молекул. Капсомеры как бы упакованы в строгие ряды, отчего, к примеру, шаровидный вирус подобен ягоде тутовника или малины.

Белок и нуклеиновые кислоты... Для ученого, занимающегося химией вирусов, этого мало. По своему составу вирус "сработан" из органической материи: углерод, водород, азот, сера, кислород... Как будто бы никакого своеобразия. Но это впечатление немедленно исчезает, стоит только углубиться в изучение молекулярного состава вирусов. В самом деле, в состав всех вирусов входит белок, одна из двух нуклеиновых кислот РНК и ДНК, и лишь некоторые, более сложно организованные включают в себя углеводы и жиры. В этом-то качественное своеобразие вирусов. И если расположить все вирусы по степени сложности, то они заполнят пропасть между живой и неживой органической материей.

Следует подчеркнуть: грань между живым и неживым нашла выражение и в самих формах существования вируса. Их две. Первая - покоящаяся, внеклеточный вирус (вирион). Он мертв по всем статьям: не дышит, не размножается, не двигается... Вторая - вирус в клетке. До сих пор, говоря о строении и химии вирусов, мы ни словом не обмолвились об их ферментах, потому что вирусы (за малым исключением) просто-напросто лишены этого дара природы, за что их в свое время отчисляли из мира живых. Ведь отсутствие катализаторов означает полную биологическую инертность. Но как же они все-таки размножаются? Вся хитрость в том, что они "мертвы" лишь до того времени, пока находятся вне живой клетки. Стоит вирусу появиться в клетке, он активизируется и моментально парализует ее нормальный обмен веществ. Энергия вируса беспредельна. Он превращается в прожорливого диктатора, уничтожающего все на своем пути, и за счет клетки начинает размножаться. Такой тип взаимодействия вируса и клетки называют продуктивным, или литическим, а размножающийся вирус - вегетативным (фото 9).

Фото 9. Аденовирус вызывает катар верхних дыхательных путей. Колонии аденовируса, заселившего протоплазму клетки, похожи на соты. Увеличение в 90 000 раз (лаборатория электронной микроскопии ИЭМ АМН СССР имени Гамалеи)

Но не всегда поединок вируса с клеткой оканчивается так трагически. Возможно и другое: враги заключают перемирие. "Умиротворенные" вирусы (их называют умеренные), проникая в клетку, не убивают ее, а живут в ней, передаваясь в дочерние клетки при ее делении.

Пожалуй, ни один из вирусов не может поспорить с бактериофагом по части вклада, внесенного им в дело разгадки "самого себя" и помощи по составлению хромосомных карт. А уж если говорить о службе для общих проблем молекулярной биологии, то и подавно щедрость его ни с чем не сравнима. Прежде всего именно на модели фаг - бактерия были раскрыты основные пути взаимодействия вируса и клетки.

Как и вирус, фаг - это ДНК, одетая в белковый тулуп. Да такой толстый, что он равен половине объема и веса тела: 40-44,6 процента веса фага падает на ДНК и 52,4 процента - на белковую оболочку.

Для каждого вида бактерий известны определенные фаги. Они делают своей добычей только живые бактерии. Количество фага возрастает по мере гибели клеток.

В бульоне фаги, словно стая мух, облепляют бактерию-жертву. И вот что неожиданно: фаг прикрепляется к бактерии хвостовым отростком (почему-то всем, впервые знакомящимся с "повадками" фага, кажется, что он должен атаковать бактерию головкой. Может быть, потому, что в бою так поступило бы любое животное). Процесс прикрепления фага к оболочке бактерий называют адсорбцией. Однако прочно и необратимо фаговые частицы адсорбируются только на поверхности тех бактериальных клеток, у которых есть для них специальные рецепторы.

Но вот фаги, одолев все препятствия, прочно закрепились на поверхности бактерии. Как пробраться внутрь? И что собственно проникает внутрь клетки - весь фаг или только какой-то элемент его частицы?

Мы умышленно сейчас не будем разбираться в этом вопросе. И вовсе не потому, что в нем сокрыта какая-то тайна. Теперь ее уже нет благодаря блестящему по замыслу и выполнению эксперименту американских ученых Херши и Чейз.

Суть в том, что в этом ответе - тайна наследственного вещества на земле, и мы побережем его для глав, посвященных этим исследованиям.

Итак, фаги каким-то образом пробрались внутрь клетки, и она начинает менять свой облик. Прекращается движение тонких волосинок-жгутиков, в протоплазме появляется необычная мелкая зернистость, клетки перестают размножаться. Однако сам фаг надежно скрыт от посторонних глаз. Сотни ученых наводили линзы сверхмощных микроскопов на клетку, поглотившую частицу фага, но рассмотреть ничего не сумели.

Так начинается период внутриклеточного размножения фага. Но до чего же оно не похоже на размножение всех остальных существ, включая бактерии! Там - простое деление, здесь - нечто совершенно своеобразное: фаг как бы растворяется по телу клетки. Но вот внутри бактерии появляются какие-то плоские морщинистые образования, похожие на круглые булки. Их, кстати, так и называют - пышки или бублики. И не две, и не три, а множество, столько же, сколько будет потом частиц фага. Пышки кажутся пустыми, но у некоторых уже есть хвосты. Пройдет еще совсем немного времени, и пышки превратятся в зрелые фаги. На все эти процессы (от момента внедрения фага в клетку до появления частиц-потомков) требуется от 20 минут до 1,5-2 часов. И, заметьте, это время строго постоянно для одного и того же фага.

Но вот сложная созидательная работа в клетке окончена. "Пышки" превратились в зрелые частицы (фото 10, 11). Вместе с ними в клетке накапливается вещество, способное растворить оболочку. У фагов кишечной палочки оно сходно с лизоцимом яичного белка. Не исключено, в этом процессе повинны и ферменты бактерии, - фаг доводит клетку до самоубийства. И вот финал: фаг разносит оболочку клетки в щепки (фото 12). От некогда грозного микроба остается лишь легкая, еле заметная тень. Сотни молодых фаговых частиц выходят на простор, набрасываясь на новые клетки. В жидкой питательной среде бактерии размножаются и тут же растворяются. Поэтому с каждым часом растет количество фага, пока, наконец, среда не становится совершенно прозрачной. Однако питательный раствор насыщен миллионами частиц фага.

Фото 10. Бактериальная клетка через несколько часов после заражения фагом. Светлые нити - ДНК клетки, кружки - частицы фага. Увеличение в 40 000 раз (кабинет электронной микроскопии Института молекулярной биологии АН СССР)

О размножении фага можно узнать и другим путем. Разведенный фаг смешивают с чувствительным к нему микробом и расплавленным питательным агаром. Смесь выливают в чашку Петри, похожую на плоское блюдце, где агар застывает. Микробы размножаются, образуют на чашке сплошной ровный газон, а в тех местах, где имелась хотя бы одна жизнеспособная частица фага, возникает прозрачное пятно. Оно рождается так: сначала частица фага поражает одного микроба, затем ее потомство - соседних... Постепенно процесс захватывает все большую и большую территорию, все пораженные фагом клетки разрушаются, образуя на месте, где "поселилась" частица, колонию фага. Ее называют еще стерильное пятно, бляшка, негативная колония...

Но, как мы уже говорили, гибель клетки под беззвучным натиском вирусных фаговых частиц - только частный случай взаимодействия вируса с клеткой. Подобно другим вирусам, фаги могут мирно сосуществовать с бактерией. Такое взаимодействие называют лизогенией. Когда в 1950 году французский ученый Андре Львов и его соратники по науке проводили свои первые опыты в этом (правда, описанном еще в 1921 г.) направлении, все думали: лизогения-очередная причуда невидимого мира. Но очень скоро стало ясно, что это не так. В обширном семействе безвредных микробов и тех, которые вызывают тяжелейшие болезни человека и животных, до 80-90 процентов особей имеют одного или нескольких "квартирантов". (Странно подумать, что еще каких-нибудь 10 лет тому назад микробиологи почти ничего не знали об этом явлении.)

Фото 11. На мешок с икринками похоже тело мужского штамма кишечной палочки К12, заселенного РНК-вым фагом MS2. Увеличение в 130 000 раз (кабинет электронной микроскопии Института молекулярной биологии АН СССР)

Итак, некий миролюбивый бактериофаг внедрился в бактерию. Где же он селится? Как долго находится в своем новом жилище? В чем сказывается его влияние на бактерию-квартиру? Но еще до того, как ученые ответили на эти вопросы, они знали: сосуществование фага и бактерий имеет вполне мирный характер. Мало того, оно может быть даже полезным: клетка, в которой "засел" фаг, защищена от нападения других, родственных ему фагов. И вот что удивительно: фаги-пришельцы прекрасно удерживаются на поверхности клетки и, возможно, даже проникают внутрь ее. Но этим все дело и заканчивается-размножаться в новой квартире фагам препятствует "жилец", поселившийся тут ранее (фаг в роли "жильца" клетки носит имя профаг).

Фото 12. Бактериальная клетка, разрушенная фагом. Видны разрывы оболочки, 'новорожденные' частицы фага и частицы фага, адсорбированные на поверхности клетки. Увеличение в 45 000 раз (кабинет электронной микроскопии Института молекулярной биологии АН СССР)

Надо сказать, что у кишечных палочек К12 тоже можно обнаружить "квартирантов" бактериофагов. Впервые это сделала в 1951 году супруга Ледерберга Эсфирь Ледерберг. Фаг тут же окрестили по-гречески, дав короткое, но звучное имя - лямбда. Кишечные палочки, содержащие профаг лямбда, стали называть лизогенными. Жилец передается по наследству потомкам клетки. Микробы, имеющие жильца, устойчивы не только к фагу лямбда, но и к родственным ему фагам. Но если клетка почему-либо освобождается от своего квартиранта, ей грозит опасность погибнуть при встрече с ним или его собратьями. Фаг лямбда обнаружили и в знаменитом Hfr. Именно ему было суждено стать арбитром в споре трех генетиков.