До 1963 г., когда Ватанабэ написал на английском языке длинный обзор для журнала Bacteriological Review, мало кто из ученых за пределами Японии знал об этих открытиях. Западные ученые были поражены. Они поставили собственные эксперименты и убедились, что Цутомо Ватанабэ совершил крупное открытие. Оказывается, гены способны курсировать между бактериями, причем не одним способом. Некоторые из них переносятся с места на место плазмидами; в перемещении других принимают участие вирусы. Вирусы случайно встраивают в свой геном гены хозяина, а затем переносят их в нового хозяина, которого инфицируют. Иногда бактерии попросту целиком «заглатывают» ДНК, высвободившуюся в момент гибели другой бактерии. Так получается, что гены резистентности могут передаваться не только между особями одного вида, но и между разными видами микроорганизмов.
Горизонтальный перенос генов, как теперь называется это явление, лучше всего работает в тех местах, где в небольшом объеме сосредоточено множество бактерий. Так, передача генов между бактериями нередко происходит в человеческом организме, а также в организме цыплят и других домашних животных, которых кормят антибиотиками. Даже комнатные мухи, зараженные E. coli, могут стать местом обмена генами. Горизонтальный перенос позволяет генам перепрыгивать из одного микроба в другой и перемещаться территориально на поразительно большие расстояния. В джунглях Французской Гвианы ученые обнаружили резистентную к антибиотикам E. coli в кишечнике индейцев — ваямпи, никогда этих лекарств не принимавших. При исследовании E. coli, живущей в Великих Озерах, другая команда ученых обнаружила гены резистентности у 14 % бактерий.
Горизонтальный перенос не просто способствует распространению генов резистентности, но и подстегивает их эволюцию. Ген, обеспечивающий резистентность к антибиотику, может принести пользу не только своему первоначальному хозяину, но и другим бактериям, в чьем геноме он окажется. При этом в геноме новых хозяев ген продолжает подвергаться естественному отбору и вполне может стать еще более эффективным. Микроорганизм способен собрать в себе целый арсенал средств защиты от антибиотиков; при этом он не просто наследует эти средства от предков, а пользуется достижениями всего сообщества бактерий.
Биологи далеко не сразу поняли все значение японской вспышки шигеллеза. Горизонтальный перенос генов — причина настоящей медицинской катастрофы, которая продолжает разворачиваться в настоящее время. Но биологам долгое время не удавалось обнаружить какие бы то ни было свидетельства такого переноса в других ситуациях, помимо резистентности к антибиотикам. Тому были объективные причины. Только в 1990–е гг. ученые смогли сравнить полный геном E. coli с геномами других бактерий и как следует поискать в нем гены, полученные путем горизонтального обмена. Подобные исследования навсегда изменили наши представления об истории жизни на Земле. Сегодня мы знаем, что горизонтальный перенос генов — отнюдь не тоненький часто пересыхающий ручеек ДНК. Это настоящий поток. И сегодняшний облик E. coli — во многом его заслуга
Глава 8. Открытый код
Молодой вид
За судьбой E. coli внимательно следят тысячи персональных биографов. Они регистрируют рождение новых болезнетворных штаммов в Омахе и Осаке. В поисках микроорганизмов они тщательнейшим образом исследуют ручьи, озера и кишечник кенгуру. Они внимательно наблюдают, как ведут себя и какие трюки выделывают необычные мутантные штаммы. Поскольку мутантов передают из лаборатории в лабораторию, замораживают в хранилищах и вновь оттаивают для дальнейших экспериментов, ученые, как правило, в состоянии достаточно далеко проследить родословную своих E. coli. Ни один биологический вид — кроме, конечно, нас самих — не удостоился такого внимания со стороны человека.
На данный момент письменная история E. coli столь обширна, что ни один человек на протяжении своей жизни не сможет даже просто ознакомиться с ней. Но при всей обширности история эта достаточно поверхностна. Начинается она с 1885 г., с первых сделанных Теодором Эшерихом набросков увиденных под микроскопом групп палочковидных объектов. Несколько штрихов к истории E. coli до Эшериха могут, как ни удивительно, добавить археологи. В 1983 г. английские торфоразработчики обнаружили тело человека, пролежавшее в болоте недалеко от Манчестера 2200 лет. Человек этот стал жертвой ритуального убийства: ему нанесли удар по голове дубиной, перерезали горло, затянули на шее веревку и столкнули в трясину. Богатая кислотами болотная вода сохранила не только тело, но и содержимое его желудочно — кишечного тракта. В желудке древнего человека ученые обнаружили ячмень и омелу. А в кишечнике — ДНК E. coli.
Нет никаких оснований думать, что найденный в болоте человек был первым, в чьем кишечнике обитала E. coli. Напротив, есть все основания считать, что история нашей бактерии началась гораздо раньше. Надо сказать, что палеонтологическая летопись не обошлась без бактерий. Отдельные микроорганизмы оставили свой след на камнях по крайней мере 3,7 млрд лет назад. Рифы, выстроенные бактериями 3 млрд лет назад, до сих пор тянутся на многие километры по территории Африки и Канады. E. coli ведет достаточно незаметное в геологическом плане существование и практически не образует окаменелостей. Однако их недостаток она с избытком компенсирует при помощи подробных записей в своей ДНК. Эта генетическая летопись разворачивается перед нами, как ковровая дорожка, и уходит в прошлое на миллионы лет — к происхождению кишечной палочки как вида, а затем и дальше в прошлое, к тому времени, когда жизнь еще не вышла на сушу, и еще дальше, к возникновению клетки и самому началу жизни на Земле.
Чтобы прочесть эту богатую событиями летопись, нужно стать специалистом по генеалогии бактерий. Если у E. coli происходит мутация, она передается ее потомкам. Если собрать коллекцию E. coli, то у некоторых штаммов обнаружатся общие генные последовательности, которых у других не окажется. Эти мутации иногда могут служить генетическими маркерами, показывая ученым, какие группы бактерий связаны между собой родственными отношениями. Во время вспышки заболеваний, вызываемых болезнетворной E. coli, эти маркеры позволяют работникам здравоохранения быстро отыскать источник инфекции. Другие ученые при помощи генетических маркеров восстанавливают генеалогическое древо E. coli. Впереди у них еще много работы, но они уже добавили к генеалогическому древу бактерии достаточное количество новых ветвей, чтобы узнать о ней чрезвычайно важные вещи.
Все ныне существующие штаммы кишечной палочки происходят от первых представителей этого вида. Ученые приблизительно представляют, когда появились первые Е. coli. В 1998 г. Джеффри Лоуренс из Питтсбургского университета и Говард Охман из Аризонского университета примерно определили, когда отделились друг от друга предки E. coli и ее близкого родственника — бактерии Salmonella enterica. Лоуренс и Охман тщательно подсчитали все различия в ДНК этих бактерий. Считается, что после того, как два вида отделяются от некоего общего предка, они непрерывно мутируют с примерно постоянной (и одинаковой) частотой. Лоуренс и Охман определили, что общий предок этих бактерий жил около 140 млн лет назад. В 2006 г. Охман с несколькими коллегами пробовали определить происхождение E. coli с помощью другого источника информации: они провели исследование штаммов E. coli и попытались оценить, когда жил их общий предок. Ученые пришли к выводу, что от 10 до 30 млн лет назад этот вид был уже вполне сформирован. E. coli намного старше человека, найденного в английском болоте, но это не означает, что эта бактерия представляет собой живое ископаемое. По степени примитивности она вполне сравнима с каким‑нибудь приматом.
Предки E. coli отделились от предков сальмонеллы в те времена, когда на Земле властвовали динозавры, а над головой летали птерозавры и птицы, которые по — прежнему могли похвастаться зубастыми клювами и когтями на крыльях. Из млекопитающих самыми типичными тогда были мелкие существа, напоминавшие белку. Около 65 млн лет назад эта картина начала резко меняться. Птерозавры и крупные динозавры вымерли — отчасти, вероятно, из‑за астероида, упавшего в Мексиканский залив. Вскоре после этого млекопитающие разделились на летучих мышей, громадных слоноподобных травоядных, кошкоподобных и собакоподобных хищников, грызунов и прыгающих по деревьям приматов. Птицы тоже приобрели современный вид. Но млекопитающих и птиц объединяет не только успех в вопросе выживания. Их предки независимо друг от друга развили способность поддерживать постоянную температуру тела. Их кишечник стал подходящей средой обитания для бактерий, в том числе для предков E. coli. Активный метаболизм теплокровных животных требует обильной пищи, а богатый питательными веществами рацион способен прокормить, помимо хозяина, еще и целую уйму бактерий. Жизнь в кишечнике, где всегда тепло, позволяет ферментам микроорганизмов работать быстро и эффективно. Возможно, тот факт, что расцвет E. coli совпадает по времени с расцветом ее нынешних хозяев, — не просто совпадение.
От E. coli, которые жили в давние времена, произошло множество штаммов, населяющих наши внутренности; некоторые из них безвредны, а иные даже полезны, одни разрушают мозг или губят почки, а другие даже приспособились к жизни вне теплого уютного тела. Если условия позволяют, жизнь нередко отвечает вспышкой разнообразия. Но E. coli — особый случай. Ученые могут разобрать историю ее эволюции во всех подробностях, буквально ген за геном.
Геномы венна
Чтобы получить представление о том, насколько E. coli разнообразна как вид, достаточно посмотреть на два штамма — К-12 и 0157: Н7. Бактерия штамма К-12 — домашняя собачка мира микроорганизмов. Она настолько безобидна, что ученые при работе с ней не принимают никаких мер предосторожности; напротив, им приходится защищать ее от грибов и других бактерий. А вот 0157: Н7 — настоящий волк. Она впрыскивает в наши клетки химические соединения, нарушающие их работу, разрушает кишечник и вызывает кровотечения, травит нас токсинами, а иногда отключает целые органы и даже убивает нас. Каждый из этих штаммов опирается на сеть вполне конкретных генов и белков, которые позволяют бактериям благоденствовать в определенной экологической нише, и сети эти сильно различаются между собой. Тем не менее, несмотря на все различия, К-12 и 0157: Н7 происходят от общего предка, жившего, по оценкам ученых, 4,5 млн лет назад — в те времена, когда наши предки были еще прямоходящими человекообразными обезьянами.
В 2001 г. исследователи впервые сумели получить представление о том, как один микроорганизм мог дать начало двум таким разным потомкам. Именно тогда две команды ученых — японская и американская — независимо друг от друга опубликовали полную расшифровку генома штамма 0157: Н7. Появилась возможность сравнить его, ген за геном, с геномом штамма К-12, расшифровка которого была опубликована четырьмя годами ранее. Никто не мог сказать наверняка, что даст такое сравнение.
Еще в 1970–е гг. ученые начали сравнивать небольшие фрагменты ДНК разных штаммов E. coli. Фрагменты оказались практически идентичными как по последовательности генов, так и по расположению в хромосоме. Ученым удалось даже найти соответствующие генные фрагменты в ДНК бактерии Salmonella enterica. На основании этих данных многие ученые полагали, что весь геном E. coli устроен по той же схеме. Им казалось, что эволюционная история E. coli была гладкой и последовательной. Бактерия — предок дала начало множеству линий, некоторые из них эволюционировали в сегодняшние штаммы. В каждой линии, естественно, возникали мутации, часть их подхватывалась естественным отбором; в этом случае мутанты вытесняли менее удачливых родичей. Горизонтальный перенос, возможно, добавил в геном несколько генов от других видов бактерий, но многие ученые, несмотря на работу Ледерберга и Ватанабэ, считали, что такой перенос всегда был редким явлением.
Когда же ученые получили наконец возможность сравнить два генома, удивлению их не было предела. В геноме каждого штамма обнаружились обширные участки ДНК, не имевшие очевидных соответствий со вторым штаммом. Оказалось, что в ДНК штамма 0157: Н7 присутствует 5,5 млн пар нуклеотидов, тогда как у К-12 их всего 4,6 млн. Примерно 1,34 млн пар нуклеотидов штамма 0157: Н7 попросту отсутствуют у К-12, а более чем 0,5 млн пар нуклеотидов К-12 не имеют соответствия в ДНК 0157: Н7. Кроме того, ученые составили карту обоих геномов; картина получилась аналогичная. У штамма К-12 есть 4405 генов, из которых 528 не имеет аналога в геноме 0157: Н7; примерно 1387 генов штамма 0157: Н7 отсутствуют в геноме К-12.
Каждый из рассмотренных геномов напоминает круг на диаграмме Венна[21]. Пересечение кругов штаммов К-12 и 0157: Н7 представляет основу генома — гены, присутствующие в обоих штаммах и унаследованные бактериями от общего предка. После расхождения линий каждая из них приобрела немало новых генов. Речь, разумеется, не только о тех нескольких генах, которые обеспечивают бактерии резистентность к антибиотикам. Оба штамма приобрели сотни «собственных» генов, которые сегодня составляют до четверти их генома.
Через год после расшифровки генома штамма 0157: Н7 еще одна группа исследователей опубликовала расшифровку генома третьего штамма E. coli — CFT073. Он населяет кишечник, не причиняя никому вреда, но при попадании в мочевой пузырь может вызвать болезненную инфекцию. Ученые обнаружили, что геном этого штамма представляет собой третий круг диаграммы Венна для E. coli. У CFT073 есть некоторое количество генов, общих с К-12, которых нет у 0157: Н7. Некоторые его общие с 0157: Н7 гены отсутствуют у К-12. Но для 1623 генов этого штамма ученым не удалось обнаружить соответствия ни в одном из двух других штаммов. В центре новой диаграммы Венна образовалась новая сердцевина из генов, которыми обладают все исследованные штаммы E. coli. Вошло в нее всего 40 % генов. Сердцевина — основа, общая для всех штаммов вида, — сжимается.
К моменту написания этой книги уже секвенированы геномы примерно 30 штаммов E. coli, но гораздо большее число штаммов еще ждет своего исследователя. С каждым новым штаммом ученые открывают десятки и даже сотни новых генов, которых нет больше ни у одного другого штамма бактерии. У каждого есть гены, общие с несколькими другими штаммами. Список генов, общих для всех штаммов E. coli, все укорачивается, в то время как список обнаруженных хотя бы у одного штамма — расширяется. Ученые называют эту совокупность генов E. coli пангеномом. В нем в настоящий момент насчитывается около 11 000 генов, и, по некоторым оценкам, при подобных темпах вскоре их количество может превысить 18 000.
Открытие пангенома E. coli заставило ученых кардинально пересмотреть сложившиеся представления об эволюции этой бактерии. Такие характеристики, как последовательность и упорядоченность, меньше всего подходят для описания истории развития E. coli за последние 30 млн лет. С первых дней существования вида его геном получал стабильную подпитку новыми генами; часть их просто переходила от одного штамма E. coli к другому, а часть поступала извне, от других видов.
Чужеродная ДНК проникает в геном E. coli несколькими путями. Часть ее передается с плазмидами — крохотными кольцевыми ДНК. Часть приносят заражающие E. coli вирусы — иногда всего один — два гена, иногда десятки. Эти генные кассеты, как их иногда называют, представляют собой отнюдь не случайную последовательность нуклеотидов. Как правило, они содержат всю генетическую информацию, необходимую для построения сложной структуры, такой, например, как «шприц» для впрыскивания токсинов. Чужеродные гены становятся частью генома одного из штаммов E. coli и в дальнейшем передаются по наследству от поколения к поколению. А с тонкой настройкой полученных извне генов под конкретный образ жизни бактерии справляется и обычный механизм естественного отбора. Бывает и так, что происходит горизонтальный перенос генов к новому хозяину.
Следует отметить, что вирусы быстро теряют прежнюю репутацию незначительных паразитов. Вирусы — самая многочисленная форма жизни на Земле; их численность в настоящее время оценивается приблизительно в 10 особей — миллиард миллиардов триллионов! Не исключено также, что большая часть разнообразия генетической информации заключена в геноме вирусов. Только в кишечнике человека обитает, по оценкам ученых, около 1000 видов вирусов. А поскольку вирусы способны переносить гены хозяина и встраивать их в ДНК других хозяев, они таким образом создают своеобразную эволюционную матрицу, посредством которой ДНК может передаваться от одного вида другому. Согласно одной из оценок, в океане вирусы передают гены новым хозяевам 2 квадриллиона раз в секунду.
По странному совпадению как раз в то время, когда ученые открывали для себя эволюционное значение вирусов, компьютерщики создали хороший аналог, наглядно демонстрирующий способ их действия. В конце 1990–х гг. в Америке сформировалась группа компьютерных программистов, которых откровенно не устраивали медленные темпы развития программного обеспечения. Корпорации, конечно, разрабатывали новые программы, но при этом тщательно следили за тем, чтобы никто посторонний не увидел их исходного текста. Развитие таких программ могло идти только в рамках корпорации — владельца — и шло медленно, а то и вовсе прекращалось. В 1998 г. эти несогласные компьютерщики выпустили манифест, в котором выступили за создание ПО на новых принципах, которое они назвали программным обеспечением с открытым исходным кодом. Они начали писать программы, полный текст которых был доступен всем желающим. Другие программисты могли переделывать их, как им вздумается, или объединять части разных программ в одну, совершенно новую. Представители движения за программы с открытым кодом предсказывали, что такой неконтролируемый обмен фрагментами текста позволит быстрее разрабатывать качественные и разнообразные программы. Исследования показали, что устранение недоработок и ошибок в программах с открытым кодом тоже идет быстрее, чем в закрытых корпоративных системах. В настоящее время программное обеспечение с открытым кодом — уже не манифест, а реальность. Даже крупные корпорации, такие как Microsoft, начинают открывать миру некоторые свои программные разработки.