Хромосома бактерий

Это - современнейшая современность. О хромосоме бактерий стали говорить почти в то же время, что об Ангарске и Братске. Но знают о ней куда меньше.

Мы уже упоминали где-то, что хромосома высших животных и растений - это пучок нежнейших волокон толщиной около 200 ангстрем каждое. В волокне (его называют фибрилла) хромосомы ДНК еще неведомым способом связаны с белками - протаминами и гистонами. Эту сложную структуру трудно согласовать с теми простыми концепциями о молекулярных основах наследственности, которые были найдены на бактериях и вирусах.

Хромосома бактерий- название условное. Возможно, что это чистая ДНК, без примесей белка, и хотя вопрос до сего дня еще спорный, ясно, что хромосома бактерий серьезно отличается от хромосомы высших организмов.

Но ученых волнует не столько устройство, сколько "работа" хромосом. А она у всех, видимо, в принципе одна и та же. Вот почему ученые надеются, что, вскрыв тайны строения и работы хромосом микробов и вирусов, можно будет затем и у высокоорганизованных существ отличить признаки, имеющие отношение к наследственности, от признаков, такого отношения не имеющих. Впрочем, до этого еще далеко. А пока ученые вдоль и поперек исследуют хромосомы бактерий. И уже многое удалось узнать.

"Портрет" нуклеоида написан при изучении ультратонких срезов бактерий. Этому занятию много времени уделял швейцарский ученый Келленбергер. Он убедился, что у нуклеоида нет мембран, нет образований, похожих на хромосомы высших организмов.

- Нуклеоид состоит из фибрилл чистой ДНК, - заключил Келленбергер. - Похоже, что фибриллы скручены в виде каната...

Эти наблюдения помогли исследователю создать модель нуклеоида бактерии. В ней он пытался объяснить также линейное расположение генов и кольцевую структуру хромосомы, о которой свидетельствовали опыты" конъюгации бактерий, механическую и геометрическую подвижность молекул и, главное, данные Мезельсона и Сталя. Эти ученые нашли, что из хромосомы бактерий можно выделить нити ДНК с молекулярным весом около 10 миллионов, и рассчитали, что если учесть общее содержание ДНК в нуклеоиде бактерии, то таких нитей должно быть около тысячи.

"Можно думать, - решил Келленбергер, - что ДНК бактерии похожа на зигзагообразную кривую". Прямыми линиями он изобразил эти 1000 молекул ДНК, а в углах связал их кружочками-белком. Почему белком? Да потому, что в хромосоме бактерий находили белок (хотя истинной роли его еще не постигли). Но ведь хромосома у бактерий похожа на кольцо. Помните? Это доказали Хейс, Жакоб, Вольман и другие ученые в генетических опытах. Келленбергер вовсе не собирался игнорировать этот тогда уже очевидный факт и изобразил модель хромосомы бактерий в виде зигзагообразной ленты, свернутой в клубок (а).

Модель Келленбергера превосходно объясняла и радиальную исчерченность нуклеоида, наблюдаемую в электронном микроскопе (В-R), и то, как ДНК строит свою копию (новый цилиндр развертывается и скользит по внешней стороне старого) (Д), и многое другое. И все-таки... Все-таки модель Келленбергера удовлетворила далеко не всех. Многие нерушимо верили, что эта тысяча молекул ДНК - некое недоразумение. Как говорят в науке, артефакт. И не уставали утверждать, что модель Келленбергера построена на зыбком фундаменте.

- В нуклеоиде бактерий всего одна молекула ДНК, - говорили они. - Просто слишком грубы методы ее изолирования. Они разрывают ДНК на сотни осколков. Вот и кажется, что она состоит из кусков.

Модель строения бактериального нуклеоида, по Келленбергеру

- В опытах Келленбергера дело решает не первичная структура ДНК, а скажем... количество оборотов центрифуги, которое вы установите, - не унимались другие. - Может влиять и скорость тока жидкости в пипетках, которыми перекачивают ДНК из одной пробирки в другую...

Словом, многие подозревали, что хрупкое творение природы попадало в слишком жесткие руки и потому менялось по форме до неузнаваемости, разрываясь в наиболее слабых точках... Но как доказать это? Надо было проявить чудеса терпения и находчивости, чтобы устранить все "ухабы" и "рытвины" на пути извлечения молекулы ДНК из нуклеоида бактерии. Это сделал немец Клайншмидт в 1961 году. Он нежно оберегал молекулу ДНК микрококка лизодейтикус от случайностей и для этого применил ряд сложнейших методик, провел все исследования на специальных пленках, устранил в жидкостях и системах даже конвекционные токи.

Сквозь окошечко сверхмощного электронного микроскопа Клайншмидт увидел похожую на перепутанный клубок нитей единую, монолитную ДНК, без концов и разветвлений, сбереженную так, как если бы ее вовсе не извлекали из нуклеоида бактерии (фото 15). Но это была еще половина победы.

Фото 15. Такой увидел ученый Клайншмидт ДНК микрококка лизодейтикус в электронном микроскопе при увеличении в 31 200 раз

- А кто поручится, что концы нити не спрятались где-то в глубинах клубка? - спросили скептики.

- Нет, этого не могло быть, - ответил им австралиец Кэйрнс. - ДНК хромосомы бактерий без конца и без начала. Она - круг. Смотрите!

Этот новый "портрет" мир ученых увидел на страницах журнала в 1963 году.

Кэйрнс выделял свою ДНК с той же трогательной заботливостью, что и Клайншмидт.

Выделенную бактериальную ДНК, меченную радиоактивным тритием по тимидину, он очищал от белка и затем давал ей медленно распутываться на стенке специальной камеры под влиянием броуновского движения, конвекционных токов и сил поверхностного натяжения. После этого мембрану покрывали фотографической эмульсией и получали радиоаутограммы. На некоторых из изящных радиоавтографов можно было видеть непрерывные замкнутые нити ДНК.

Остается положить еще один мазок для завершения ее портрета. Исследователи не только убедились в том, что ДНК хромосомы бактерий кругла, как обруч, они сумели даже подсчитать ее длину - от 1000 до 1400 микрон, то есть один- полтора миллиметра. Нить ДНК микроба оказалась почти в 1000 раз длиннее, чем он сам (ведь длина тела кишечной палочки не превышает 2 - 3 микрон). И знаете, что больше всего порадовало генетиков? Физическая длина ДНК кишечной палочки К12 точно совпала с ее длиной, вычисленной Хейсом, Жакобом и Вольманом в опытах конъюгации со знаменитыми Hfr.

Эти опыты отвергли модель Келленбергера - для белковых связок между отдельными фрагментами ДНК не нашлось места.