Проблема, с которой сталкивается E. coli, существенна и для нас. Клетки человеческого организма тщательно регулируют потоки веществ, проходящие через их стенки внутрь и наружу. Наши тела используют как барьер кожу, в которой есть, разумеется, отверстия — поры потовых желез, слуховые проходы, ротовое отверстие и т. п. Поврежденные и старые клетки кожи постепенно отшелушиваются, а подстилающие их новые растут и делятся. То же самое происходит с клетками слизистой оболочки, выстилающей пищеварительный тракт: по существу, это просто внутренняя кожа. Быстрая естественная смена клеток позволяет покровной ткани эффективно залечивать небольшие повреждения и защищать организм от инфекции. Но эта же быстрая смена клеток создает новую серьезную опасность. Всякий раз при делении клетки существует небольшой риск мутации и перерождения ее в раковую. Так что не удивительно, что рак кожи и прямой кишки относятся к наиболее распространенным формам рака. И человек, и E. coli вынуждены расплачиваться за защиту и сохранение формы.
Река, текущая вверх
Внешние барьеры и гены необходимы для жизни, но их одних далеко не достаточно. Поместите ДНК внутрь мембраны — и вы получите лишь пузырек, не имеющий ничего общего с жизнью. Живые существа должны поглощать молекулы разных веществ и энергию и превращать их в живую материю. Им необходим обмен веществ, или метаболизм.
Метаболизм построен из сотен химических реакций. Каждая из них по отдельности может быть очень проста. К примеру, какой‑нибудь фермент отнимает атом водорода у определенной молекулы. Но затем эту молекулу захватывает другой фермент, с помощью которого с ней происходят те или иные превращения, а дальше она включается в цепь все усложняющихся реакций: они могут пересекаться с другими цепями, ветвиться, замыкаться в кольцо. Первым живым существом, в чьем метаболизме ученым удалось разобраться до тонкостей, была E. coli.
На это у них ушла большая часть XX в. Они кормили бактерию радиоактивной пищей, чтобы затем отслеживать, какими путями в бактериальной клетке происходит движение атомов от молекулы к молекуле. Это была долгая и трудная работа. После того как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК, их фотография появилась в журнале Life: двое ученых, а между ними возвышался скелет молекулы ДНК. Фотографии исследователей, общими усилиями создавших схему метаболизма E. coli, не существует. Кроме того, подобная фотография в любом случае получилась бы неудачной: несколько сотен человек вокруг одной диаграммы, исчерченной множеством стрелок и напоминающей спутанный клок кошачьей шерсти. Но тот, кто умеет читать подобные диаграммы, увидит в метаболизме E. coli скрытую элегантность.
Метаболические реакции в клетках E. coli протекают не спонтанно — точно так же, как яйцо не варит себя само. На соединение атомов, как и на их разделение, требуется энергия. E. coli получает ее двумя способами. Во — первых, она умеет использовать мембраны как своего рода аккумулятор, во — вторых, извлекает энергию из пищи.
Среди мембранных канальцев у E. coli есть такие, которые выкачивают из микроорганизма положительно заряженные ионы водорода — протоны. По мере снижения концентрации протонов бактерия приобретает отрицательный заряд, притягивая находящиеся поблизости положительно заряженные частицы, которые проникают внутрь клетки через специальные канальцы, способные извлекать энергию из движения частиц. В сущности, эти частицы работают, как вода, вращающая мельничное колесо, но их действие основано на электрическом принципе. E. coli запасает извлеченную энергию в химических связях молекулы аденозинтрифосфата, или сокращенно АТФ.
Молекулы АТФ, плавающие в клетках E. coli, работают как своеобразные батарейки. Когда ферментам E. coli требуется дополнительная энергия для проведения той или иной реакции, они извлекают ее из АТФ. Последняя запасает энергию в межатомных связях. E. coli использует энергию, полученную с помощью мембранного аккумулятора, чтобы выделить больше энергии из пищи. При помощи АТФ ферменты бактерии могут расщеплять сахара, разрушая связи между атомами; полученная энергия откладывается опять же в молекулах АТФ, число которых увеличивается. E. coli не высвобождает сразу всю энергию, содержащуюся в молекуле сахара, — ведь в этом случае большая часть ее ушла бы в тепло и пропала зря. Вместо того чтобы устраивать из сахаров энергетический фейерверк, E. coli точными хирургическими движениями «отрезает» кусочек за кусочком — так, чтобы высвободившуюся за один раз энергию можно было захватить и запасти в молекулах АТФ на будущее.
Часть получаемой энергии E. coli использует для строительства новых молекул. Помимо основного топлива — сахаров — ей требуются некоторые минералы. Каждого из них нужно чуть — чуть, но, чтобы добыть это ничтожное количество, бактерии приходится трудиться изо всех сил. Без железа, к примеру, E. coli жить не может, но железо — весьма дефицитный товар. Добыть его для E. coli очень непросто. В организме хозяина железо не валяется где попало — оно надежно спрятано внутри клеток, а то небольшое количество, что остается, обычно находится в связанном виде в молекулах, откуда его не так‑то просто извлечь. Чтобы обеспечить себе достаточное для выживания количество железа, E. coli приходится сражаться за него, строить специальные молекулы для его ловли — сидерофоры[7] — и выпускать их в окружающую среду. Находясь в свободном плавании, сидерофор иногда натыкается на железосодержащие молекулы. Он вытаскивает атом железа из молекулы и спешит вернуться в бактериальную клетку, воспользовавшись специальными канальцами. По такому канальцу в бактерию может пройти только сидерофор, причем с добычей — без атома железа обратный вход для него закрыт. Оказавшись внутри, сидерофор высвобождает свое сокровище.
Но железо, хотя и необходимо E. coli для жизни, одновременно может нести в себе опасность. Так, свободный атом железа, оказавшись внутри бактериальной клетки, может стать причиной образования перекиси водорода, а та, в свою очередь, атакует ДНК хозяйки. E. coli приходится защищать себя от такого варианта развития событий; для этого у нее есть белки, которые хватают железо сразу же по прибытии и прячут его в глубокие «карманы». Одна — единственная молекула такого белка может нести на себе 5000 атомов железа — и выдавать их по одному по мере надобности.
Железо — не единственная опасность, которой подвергает E. coli ее обмен веществ. Даже белки, которые бактерия создает сама, могут приобрести свойства токсинов. Воздействие кислот, радиоактивного излучения и других повреждающих факторов легко деформирует белок, лишив его способности правильно работать. Поврежденные молекулы вносят хаос в работу прекрасно отлаженного конвейера химических процессов, от которых зависит выживание E. coli. Такие поврежденные белки могут даже нападать на другие, нормальные белки. Защищаясь от самой себя, E. coli создает команду убийц — белков, единственной задачей которых является уничтожение старых белков. Белковая молекула, разрезанная на аминокислоты, становится источником сырья для строительства новых белков. Жизнь и смерть, питательные вещества и отравляющие вещества — все в клетке E. coli балансирует в тонком равновесии.
Кишечная палочка E. coli жонглирует железом, добывает энергию, перерабатывает сахара и другое сырье в сложные молекулы и даже создает собственные копии — и тем самым попирает, на первый взгляд, законы Вселенной. Во Вселенной, как известно, существует мощное стремление от порядка к беспорядку, которое называется энтропией. Так, изящные снежинки тают и превращаются в капельку воды, а чайные чашки рано или поздно бьются. А вот E. coli, кажется, противостоит целой Вселенной — собирает атомы в сложные структуры белков и генов и умудряется к тому же сохранять обретенную упорядоченность от поколения к поколению. Выглядит все это как река, текущая вверх.
Однако все не так страшно, и E. coli совсем не такая бунтарка, как может показаться. Она ведь живет не в изоляции от остальной Вселенной. Да, E. coli действительно снижает свою энтропию, но только за счет получения энергии извне. Упорядочивая себя, она увеличивает энтропию Вселенной за счет выделяемого тепла и отходов. Если аккуратно все посчитать, получится, что E. coli повышает энтропию, но сама умудряется при этом всегда оставаться на плаву.
Можно сказать, что метаболизм E. coli в определенном смысле символизирует жизнь в целом. Если разобраться, большинство живых существ получает энергию от солнца. Растения и фотосинтезирующие микроорганизмы поглощают свет и используют его энергию для роста. Представители других видов поедают тех, чье питание основано на фотосинтезе, а третьи виды, в свою очередь, поедают вторых. E. coli в этой пищевой пирамиде располагается относительно высоко и расщепляет готовые сахара, которые производят другие организмы. Саму ее, в свою очередь, тоже съедают, и ее молекулы становятся частью организма хищной бактерии, которую тоже кто‑нибудь съест. Потоки энергии порождают леса и другие экосистемы, и все они «сбрасывают» энтропию вовне, в остальную Вселенную. Солнечный свет попадает на планету, тепло излучается в пространство, и полная жизни планета — этакая Земля E. coli — поддерживает в этом потоке свое существование.
Можно сказать, что метаболизм E. coli в определенном смысле символизирует жизнь в целом. Если разобраться, большинство живых существ получает энергию от солнца. Растения и фотосинтезирующие микроорганизмы поглощают свет и используют его энергию для роста. Представители других видов поедают тех, чье питание основано на фотосинтезе, а третьи виды, в свою очередь, поедают вторых. E. coli в этой пищевой пирамиде располагается относительно высоко и расщепляет готовые сахара, которые производят другие организмы. Саму ее, в свою очередь, тоже съедают, и ее молекулы становятся частью организма хищной бактерии, которую тоже кто‑нибудь съест. Потоки энергии порождают леса и другие экосистемы, и все они «сбрасывают» энтропию вовне, в остальную Вселенную. Солнечный свет попадает на планету, тепло излучается в пространство, и полная жизни планета — этакая Земля E. coli — поддерживает в этом потоке свое существование.
Куда же плыть?
Список необходимых для жизни условий все удлиняется. Живое существо хранит информацию в генах. Оно нуждается в защитных барьерах, чтобы сохранять жизнь и запасать энергию для добывания пищи, которая пойдет на строительство новой живой материи. Но если живое существо не сможет добыть пищу, долго оно не проживет. Все живое должно двигаться — лететь, ползти, плыть по течению, пускать усики вверх по водосточной трубе. А чтобы быть уверенными, что движение идет в правильном направлении, большинство живых существ должно решить, куда двигаться.
Разумеется, человек использует для принятия этого решения те миллиарды нейронов, которые находятся в головном мозге. Чувства поставляют мозгу реки информации, а мозг отзывается на них управляющими сигналами, которые контролируют движение тела. С другой стороны, у E. coli нет мозга. У нее вообще нет нервной системы. Мало того, E. coli в несколько тысяч раз меньше по размеру, чем любая нервная клетка человеческого организма. Тем не менее крошечные размеры не мешают ей воспринимать окружающий мир. Она способна собирать информацию и вырабатывать решения: например, решать, куда двигаться.
E. coli плавает, как неуклюжая подводная лодка. По сторонам ее вытянутого тела имеется с полдюжины пропеллеров. По внешнему виду каждый из них напоминает не корабельный винт, а скорее, длинный кнут, тянущийся за бактерией. У основания каждого хвостика (или жгутика, как их называют микробиологи) располагается гибкий крюк, прикрепленный к мотору. Мотор представляет собой скопление белковых молекул в виде колеса; он способен вращаться со скоростью 250 оборотов в секунду, а топливом ему служат протоны, попадающие внутрь бактериальной клетки через особые поры в этом механизме. Каждый жгутик состоит из одинаковых субъединиц — молекул белка флагеллина, уложенных по спирали вокруг полой сердцевины.
Жгутик E. coli вращается с помощью белкового мотора, вмонтированного в клеточную оболочку
Большую часть времени моторы E. coli вращаются против часовой стрелки; при этом все жгутики скручиваются в единый кабель — жгут, который тянется позади бактерии. Скручиваются они очень аккуратно, потому что каждый жгутик слегка закручен в нужном направлении; они складываются, как полосы на спирально окрашенном столбе. Вращаясь вместе, жгутики отталкиваются от окружающей жидкости и гонят бактерию вперед.
E. coli способна проплыть за секунду расстояние, в десять раз превышающее длину ее тела. Отметим, что самый быстрый пловец — человек проплывает за секунду всего лишь две своих длины. А ведь E. coli приходится преодолевать дополнительные трудности, потому что в микромире вода ведет себя совершенно иначе с точки зрения физических законов, чем в нашем привычном мире. E. coli вода представляется вязкой, как нефть. Прекратив усилия, она останавливается за миллионную долю секунды. Никакой инерции, никакого движения вперед. E. coli останавливается не то что на том же шаге, но буквально на том же атоме.
Примерно раз в секунду E. coli переводит свои моторы на реверсивный ход и совершает кульбит. Когда моторы вращаются по часовой стрелке, жгутики уже не могут удобно свернуться спиралью. Теперь спиральный изгиб, наоборот, заставляет их растопыриться и, образно говоря, встать дыбом. Такой кульбит длится около десятой доли секунды, затем E. coli вновь меняет направление вращения своего мотора на первоначальное — по часовой стрелке. Жгутики вновь удобно сворачиваются, и бактерия плывет дальше.
Первым ученым, кто как следует изучил механизм движения E. coli, стал Говард Берг, биофизик из Гарварда. В начале 1970–х гг. Берг построил микроскоп, способный отслеживать движение единичной E. coli в капле воды. После каждого кульбита ориентация тела и, соответственно, направление движения палочки менялись случайным образом. Берг зарисовал траекторию движения одного микроорганизма в течение нескольких минут и получил на листе каляку — маляку; наверное, так мог бы выглядеть клубок пряжи в невесомости. Непрерывно работая жгутиком, E. coli все это время оставалась в пределах крошечного пространства и никуда особенно не продвигалась.
Но стоит бактерии почувствовать что‑то интересное, как она устремится в заданном направлении. Способность E. coli ориентироваться в пространстве достойна удивления — ведь у нее так мало возможностей. У нее нет ни колес, ни крыльев; все, что она способна делать, — это плыть прямо или кувыркаться. К тому же она получает так мало информации об окружающей среде! E. coli не может воспользоваться атласом, посмотреть или прислушаться; она способна лишь почувствовать молекулы, на которые случайно наткнулась в своих странствиях. Зато уж эти ограниченные возможности бактерия использует на полную катушку. Опираясь на несколько простых и элегантных правил, E. coli всегда попадает туда, куда ей нужно попасть.
У E. coli есть мембранные рецепторы, внешние концы которых торчат наружу, как перископы у подводной лодки. На переднем конце бактерии сосредоточено несколько тысяч таких рецепторов; они служат ей в качестве своеобразного «языка». Эти рецепторы делятся на пять разных типов, каждый из которых связывает определенные молекулы. Некоторые молекулы привлекают E. coli, другие внушают отвращение. Привлекательная молекула (например, аминокислота серин) запускает внутри микроорганизма последовательность химических реакций с простым результатом: E. coli увеличивает промежуток направленного движения между кульбитами. До тех пор пока концентрация серина в окружающей жидкости растет, E. coli продолжает делать более длинные заплывы и реже менять направление. Если очередной кульбит направит бактерию прочь от источника серина, участки ее прямолинейного движения сразу же станут короче. Этого простого принципа достаточно, чтобы E. coli медленно, но верно продвигалась к точке максимальной концентрации серина. Добравшись до места, она там и остается, вновь вернувшись к бесцельному кувырканию.
Ученые начали разбираться в способе восприятия и движения E. coli в 1960–е гг. Этот микроорганизм был выбран из‑за своей простоты: исследователям казалось, что и разобраться в нем будет несложно. В конце концов, работу белков в лабораториях мира уже 20 лет изучали на всевозможных мутантных штаммах E. coli. А разобравшись с обработкой информации у E. coli, можно будет переходить к более сложным системам обработки информации, включая и человеческий мозг. Сегодня, более 40 лет спустя, ученые понимают сигнальную систему E. coli лучше, чем любого другого биологического вида, но эта работа еще далеко не закончена. Некоторые части этой системы действительно оказались несложными. Так, E. coli не нужно рассчитывать фигуры высшего пилотажа, всякие бочки и штопоры. Ее простая стратегия (движение — кульбит) работает очень хорошо. Может быть, не каждая кишечная палочка попадет в точности туда, куда ей нужно, но многие попадут — и именно эти микроорганизмы выживут и оставят потомство (а значит, передадут отпрыскам стратегию движение — кульбит). Это все, что на самом деле нужно бактерии.
Тем не менее некоторые важные аспекты навигационной системы E. coli пока не поддаются расшифровке. «Язык» микроорганизма способен различать крохотную разницу в концентрации интересующих E. coli молекул — вплоть до одной тысячной. Бактерия умеет усиливать сигналы — каким образом, ученые до сих пор не поняли. Возможно, рецепторы E. coli работают согласованно: один из них, поворачиваясь, заставляет повернуться и соседние. Не исключено, что бактерия умеет анализировать одновременно различные потоки информации: ага, концентрация кислорода быстро растет, никеля — снижается, чуть потянуло глюкозой. Вообще, со временем может оказаться, что набор рецепторов у E. coli — не просто своеобразный бактериальный «язык»; может быть, лучше было бы назвать его мозгом.