В поисках дома
E. coli по природе своей первопроходец. Задолго до того, как большинство других бактерий устроилось в человеке — хозяине, E. coli уже основала там жизнеспособную колонию. E. coli способна инфицировать младенца уже в процессе родов, воспользовавшись пальцами врача, или перебраться на младенца с матери во время кормления. На волнах перистальтики она добирается до желудка, где ей приходится выдержать кислотную ванну. Ионы водорода (протоны) из соляной кислоты желудочного сока просачиваются внутрь бактерии, но E. coli встраивает в мембрану дополнительные насосы, которые успешно выбрасывают большую часть пришельцев наружу. Следует отметить, что в желудке E. coli не пытается вести себя как нормальная бактерия; вместо этого она входит в физиологическое состояние, которое один ученый определил как «состояние дзен». Бактерия полностью прекращает производство каких бы то ни было белков, за исключением тех, что нужны ей для защиты от кислоты.
После двух часов в состоянии этого кислотного дзена E. coli выводится из желудка и попадает в кишечник. Ее насосы при этом продолжают выводить наружу лишние протоны, пока внутренняя часть микроба вновь не обретет нормальный отрицательный заряд. Биологические аккумуляторы снова становятся работоспособными, и теперь бактерия может начать производство новых белков и исправить старые. Она возвращается к обычным повседневным делам — по существу, к жизни. Однако до нового дома бактерии еще далеко. Сначала кишечная палочка должна пройти по тонкому кишечнику и выйти в толстую кишку. Конечно, длина маршрута здесь составляет всего лишь около 10 м, но она примерно в 7 млн раз превосходит длину путешественника — E. coli. Если человек нырнет в волны в Лос — Анджелесе и проплывет 7 млн длин собственного тела, позади его останется весь Тихий океан.
Пока бактерия дрейфует по человеческому кишечнику, ее нитевидные выросты — фимбрии цепляются за стенки. Слабого движения пищи оказывается достаточно, чтобы отцепить фимбрии, и бактерия продолжает потихоньку продвигаться вперед. Но, если поток обретает силу, фимбрии начинают упрямо цепляться за стенку. Случайно или нет, но кишечная палочка останавливается точно в том месте толстой кишки, которое ей лучше всего подходит, — там, где поток пищи движется на полной скорости. Под действием тепла E. coli запускает производство белков, которые можно использовать для захвата железа, расщепления сахаров и синтеза других белков из аминокислот. Она начинает питаться и прекрасно себя чувствует, по крайней мере первые несколько дней.
Питаясь и размножаясь, бактерия готовит почву для собственного краха. Истратив значительную часть присутствующего в кишечнике кислорода и выделяя углекислый газ и другие продукты жизнедеятельности, она изменяет химический состав окружающей среды. Фактически она создает новую среду обитания, пригодную для других видов микроорганизмов, которые постепенно проникают туда и занимают доминирующее положение. Экосистема, в создании которой участвует E. coli, великолепна. Ее население может достигать ста триллионов особей, что в десять раз превосходит по числу клеток наше собственное тело. По оценкам ученых, в кишечнике одного человека может сосуществовать до тысячи видов микроорганизмов; это означает, что если составить полный список всех генов, которые можно обнаружить в организме человека, то большинство их окажется нечеловеческими.
По мере того как численность других видов микроорганизмов увеличивается, E. coli отступает; в конечном итоге ее доля в бактериальном населении кишечника снижается примерно до одной десятой процента. E. coli становится законной добычей вирусов и хищных простейших, а за пищу ей приходится конкурировать с бактериями других видов. По мере того как человек — носитель взрослеет и переходит с молока на другую пищу, его кишечник наполняется крахмалами и другими сложными сахарами, которые E. coli просто не умеет расщеплять. Представьте, что вы приходите в ресторан и усаживаетесь за столик в ожидании вкусного обеда, а официант неожиданно заменяет ваш шоколадный мусс на миску сена. E. coli теперь приходится ждать, пока бактерии других видов расщепят молекулы сложных сахаров, и питаться отходами их жизнедеятельности.
Не исключено, что, питаясь отходами, E. coli оказывает ответную услугу тем, кто ее этими отходами обеспечивает. Данные некоторых исследований позволяют предположить, что утилизация простых сахаров, которой занимается кишечная палочка, позволяет другим микробам быстрее расщеплять молекулы сложных сахаров. Кроме того, E. coli продолжает улавливать кислород — то небольшое его количество, которое время от времени накапливается в кишечнике. Удерживая содержание кислорода на стабильно низком уровне, E. coli обеспечивает большинству представителей нормальной микрофлоры комфортные условия. Именно эту экологическую нишу колонии E. coli занимают в организме хозяина в течение всей его дальнейшей жизни. В любой момент в кишечнике человека можно обнаружить до 30 штаммов этой бактерии. Люди, полностью свободные от E. coli, встречаются очень редко.
В этом, кстати говоря, мы тоже похожи на E. coli: человек, как и кишечная палочка, зависит от внутренних бактериальных джунглей. Нам необходимы бактерии, которые производят ферменты для расщепления многих углеводов, входящих в состав нашей пищи. Кроме того, наши жильцы — бактерии синтезируют некоторые необходимые нам витамины и аминокислоты и помогают контролировать количество поступающих из пищи калорий. Изменение бактериальной флоры кишечника может привести к изменению массы тела. Но этого мало. Обитатели кишечника охраняют человека от болезней, поэтому врачи дают недоношенным детям специальные штаммы E. coli. Бактерии защищают кишечник: выпускают в него химические вещества, отпугивающие патогенные микроорганизмы, а также создают в кишечнике устойчивую экосистему, в которую патогены просто не в состоянии внедриться.
На самом деле трудно сказать, где заканчивается работа кишечной микрофлоры и начинается наша собственная иммунная система. Ясно одно: бактерии помогают иммунной системе человека поддерживать тонкое равновесие, когда нужно убивать патогенные микроорганизмы, а ткани собственного организма трогать нельзя. Исследования показывают, что некоторые штаммы E. coli способны остудить боевую ярость иммунных клеток. Судя по всему, достаточная доза E. coli помогает справиться не только с патогенными микроорганизмами, но и с аутоиммунными заболеваниями, такими как колит. Некоторые ученые утверждают, что наша иммунная система в ответ стимулирует бактерии к размножению и формированию толстых защитных скоплений на внутренних стенках кишечника. Эти скопления не только препятствуют внешним агрессорам, но и не позволяют отдельным бактериям проникать в слизистую оболочку кишечника. С точки зрения здравого смысла все это биохимическое рвение вполне объяснимо: в конце концов, мы и E. coli — члены одного и того же коллектива.
Совместная жизнь
В 2003 г. Джеффри Сток и его коллеги по Принстонскому университету поместили E. coli в лабиринт. В прямоугольном лабиринте со стороной меньше четверти миллиметра были пластиковые стены и стеклянная крыша. Ученые погрузили лабиринт в воду, а затем впрыснули во входное отверстие E. coli. Бактерии принялись вращать жгутиками и плавать. Предварительно команда Стока добавила каждой особи ген, отвечающий за светящийся белок, так что ученые имели возможность отслеживать скитания микроорганизмов по лабиринту.
Поначалу бактерии, судя по всему, плавали случайным образом. Постепенно, однако, они собрались группами и начали плавать стайками. Одни стайки заплывали в тупик и оставались там; судя по всему, их эта ситуация устраивала. Другие бактерии плыли следом, и через два часа тупик целиком наполнился массой светящихся бактерий.
Чтобы определить, как бактерии находят друг друга, принстонские ученые запустили в лабиринт мутантов. Выяснилось, что E. coli способна собираться стаями до тех пор, пока действует ее бактериальный «язычок». Похоже, что ориентируется она по вкусу одной из аминокислот — серина. Дело в том, что при нормальном ходе обмена веществ E. coli вместе с другими отходами выбрасывает и серин. Ученые с 1960–х гг. знали о любви E. coli к серину, но списывали ее на поиск пищи. Теперь же объединение E. coli в группу в лабиринте подсказывает нам другую возможность. Что если «язычок» E. coli настроен на поиск других представителей ее собственного вида?
Не так давно E. coli и другие бактерии считались индивидуалистами. В конце концов, думали ученые, у кишечной палочки нет того, что лучше любого клея скрепляет сообщества, — средства общения. E. coli не способна написать соседке е — мейл, огласить на рассвете пустыню громким пением или распустить перед самочкой хвостовые перья. Оказалось, однако, что у E. coli тоже есть своего рода язык; мало того, у нее есть и своего рода общество.
Общественная жизнь E. coli долгие десятилетия оставалась за кадром, потому что биологов в основном интересовали более фундаментальные сведения о жизни E. coli: как она питается, растет и размножается. Методика, при помощи которой можно заставить E. coli делать и то, и другое, и третье как можно быстрее, была отработана и доведена до совершенства. Комфортная жизнь в тепле, при достаточном количестве кислорода и избытке пищи стимулирует отдельных бактерий к быстрому размножению. Такая жизнь, однако, мало чем напоминает нормальный образ жизни E. coli. Хотя человек съедает за свою жизнь около 60 т пищи, E. coli нередко приходится голодать по нескольку часов, а то и суток. Когда же появляется шанс поесть, нередко случается, что из еды вокруг только молекулы какого‑нибудь низкоэнергетического сахара, которые и расщеплять‑то почти бесполезно — энергии при этом извлекается ненамного больше, чем тратится. Вдобавок приходится конкурировать за каждую молекулу с другими микробами. Одновременно с этим E. coli должна противостоять атакам вирусов и хищников, а также новым, исходящим от человека опасностям, таким как антибиотики. Хозяин может заболеть, и тогда вся среда обитания бактерии подвергается разрушению. Один из лучших способов противостоять всевозможным катастрофам — объединить силы с другими E. coli
Биопленка E. coli
Собравшись вместе, бактерии могут сделать многое. Так, в некоторых условиях группа E. coli образует жгутики нового типа, гораздо более длинные, чем обычные. Новые жгутики соединяются между собой, связывая миллионы бактерий в единую бурлящую массу. Вместо того чтобы плыть куда‑то, они толпятся на поверхности и выпускают наружу молекулы, которые покрывают воду и создают на ее поверхности слизистую пленку. Такое роение на поверхности позволяет скоплению E. coli скользить по чашке Петри или, как подозревают ученые, по стенке кишечника.
В других случаях E. coli предпочитает осесть на месте и строит себе бактериальный город. О том, что бактерии способны образовывать мутный налет на стенках сосудов — так называемую биопленку, было известно давно. Поначалу биопленки просто раздражали ученых, не давая рассмотреть отдельно плавающие бактерии, ради исследования которых, собственно, и ставились эксперименты. Но более подробное исследование показало, что биопленка имеет весьма сложную структуру. Все бактерии способны формировать биопленки, и ученые полагают, что подавляющее большинство бактерий значительную часть жизни проводит именно в них. Биопленки образуют слизистый налет на стенке нашего кишечника, на речном и океанском дне и даже на дне пропитанных кислотами шахт по добыче руды.
Конечно, биопленок вокруг сколько угодно, но изучать их непросто. Для этого ученым пришлось отставить в сторону любимые колбы и чашки Петри и придумать совершенно новые методики экспериментов. Например, сделали специальные камеры с теплой проточной водой, имитирующие условия человеческого кишечника. При определенных условиях E. coli готова осесть где‑нибудь внутри камеры и начать сооружение биопленки. Дрейфуя по экспериментальной камере, часть бактерий оседает на дне. В обычных условиях они быстро отцепляются и плывут дальше, но иногда остаются на месте и устраиваются там жить. Некоторые эксперименты позволяют предположить, что решение об этом E. coli принимает в том случае, если поблизости обнаруживаются другие особи. E. coli чувствуют своих собратьев по испускаемым ими химическим сигналам, причем используют для этого не только серин и другие отходы, но и особые молекулы, которые выполняют именно сигнальную функцию и могут при случае изменить поведение других E. coli.
Когда группа E. coli приступает к формированию биопленки, бактерии начинают с того, что образуют выросты — фимбрии, которые связывают их между собой и стягивают в единый плотный кластер. К первопоселенцам присоединяются другие, ранее свободно плавающие бактерии, и кластер постепенно растет. Бактерии начинают выделять внеклеточные полимерные вещества, заключая себя в так называемый матрикс. Сформировавшаяся биопленка вовсе не плоская. Она больше похожа на город с высокими башнями, широкими площадями и целой паутиной спутанных улиц. В процессе его строительства каждая бактерия должна включать и выключать сотни генов по сложной согласованной схеме. В некоторых отношениях биопленка E. coli напоминает человеческое тело. Конечно, биопленка не имеет обыкновения вставать на ноги и бродить по улицам, но, подобно человеческим клеткам, клетки биопленки тоже образуют клеточные коллективы, члены которых выполняют разные функции и вместе работают ради общего выживания.
Ученые до сих пор не разобрались, для чего, собственно, E. coli сооружает биопленки, прикладывая значительные усилия. Чтобы участвовать в общем деле, отдельной бактерии приходится многим жертвовать и тратить огромную часть драгоценной энергии на производство внеклеточного полимерного вещества, которое соединяет его с другими микроорганизмами. Бактериям, оказавшимся глубоко в толще биопленки, намного труднее добывать пищу, чем свободно плавающим особям. Не исключено, однако, что преимущества биопленки перевешивают все ее недостатки. Так, биопленка может обеспечивать своих обитателей защитой. Она выдерживает резкие изменения окружающей среды. Вирусам, вероятно, сложнее проникнуть в биопленку, чем инфицировать отдельно живущую клетку. Антибиотики действуют на биопленки в тысячи раз слабее, чем на отдельные бактерии.
Возможно, биопленка позволяет бактериям объединить усилия в добывании пищи. Не исключено, что питательные вещества, попадая в плотную слизь биопленки, направляются затем по внутренним каналам к бактериям, лишенным выхода на поверхность. Кроме того, бактерии в биопленке могут сотрудничать через разделение труда. Микробы, живущие на поверхности, получают больше пищи и кислорода, чем обитатели внутренней части. При этом, однако, на них действует большее количество стрессовых факторов. E. coli, обосновавшиеся в основании биопленки, могут погружаться в состояние анабиоза, образуя что‑то вроде бактериального семенного фонда. Время от времени часть бактерий может отделиться от биопленки и уплыть прочь; какое‑то время они ведут свободную жизнь, а потом вновь обосновываются на стенке кишечника и строят новую биопленку.
Человек — самый общественный из всех биологических видов — прибегает к сотрудничеству не только при строительстве городов и ради помощи другим людям. Война с соседями тоже требует от народа серьезных согласованных усилий. В этом опять же жизнь E. coli отражает нашу социальную жизнь. Мы строим боевые ракеты и бомбы. E. coli производит химическое оружие. Химические соединения под названием колицины смертоносны для микроорганизмов. Одни из них протыкают мембрану бактерии, как копьем, и выпускают наружу ее внутренности. Другие блокируют производство новых белков. Третьи разрушают ДНК.
Чтобы инициировать колициновую атаку, некоторые бактерии E. coli должны пожертвовать самым главным. Небольшая часть бактерий популяции за несколько секунд синтезирует и накапливает внутри себя сотни тысяч молекул колицина, превращаясь таким образом в настоящие склады оружия. У этих бактерий нет каналов, через которые они могли бы аккуратно выпустить подготовленные колицины наружу. Вместо этого они начинают производить особые самоубийственные ферменты, которые просто взрезают изнутри мембрану бактерии, вызывая взрыв. Колицины выплескиваются наружу, сталкиваясь с соседними бактериями. Однако близким родичам производителя колицины не страшны, потому что у них имеются гены, с помощью которых можно изготовить противоядие. Жертвуя собой, E. coli уничтожают конкурентов и расчищают пространство для жизни и успешного размножения своих клонов. Судя по всему, общественная жизнь E. coli простирается за пределы жизни как таковой.
Прощай, хозяин
Если какой‑то штамм E. coli обосновался в кишечнике человека, он может обитать там десятилетиями. Однако бактерии могут и покидать своих хозяев путем настолько очевидным, что говорить о нем подробно нет никакой необходимости. Достаточно сказать, что каждый день человечество всего мира выпускает в окружающую среду более миллиарда триллионов особей E. coli. Кроме того, бессчетное количество этих бактерий выпускают на волю другие млекопитающие и птицы. Микроорганизмы уносятся прочь по трубам канализации и руслам ручьев и рек, высеваются на поверхность земли и морей. Им предстоит противостоять зимней и летней погоде, засухам и наводнениям, влачить голодное существование без привычной роскошной диеты из полупереваренного сахара. Возможно, долгое время им придется выживать вообще без пищи. В почве и воде множество хищников, которые только и ждут возможности съесть E. coli: среди них и черви — нематоды, и медленно перетекающие с места на место амебы. Некоторые хищники берут размером и массой. Другие, такие как бактерия Bdellovibrio, проникают в периплазму E. coli и разрушают бактерию изнутри. Еще один вид бактерий — Myxococcus xanthus — вырабатывает химическое вещество, которое Е. coli воспринимает как аромат пищи. Почуяв его, бактерия- неудачник сама плывет навстречу гибели.