У бактерий стресс может активировать «застывший» фаг и прекратить этот процесс, так называемое «умеренное» или лизогенное состояние. Затем ДНК фага выделяется из генома бактерии и происходит лизис бактерий – литическое состояние – высвобождение сотни новых потомков фагов. У млекопитающих (включая людей) существуют литические вирусы, которые ведут себя так же, за исключением ретровирусов, которые обычно покидают своего хозяина путем «отпочкования», не лизируя его.
Что подразумевает понятие «стресс» применительно к бактериям? Практически то же самое, что и для нас: нехватка питательных веществ, недостаточность пространства, слишком быстрый рост, слишком низкая или высокая температура, общее изменение окружающей среды. Можно даже сравнить бактерии и другие организмы, включая человека, в части, касающейся активации стрессовых факторов путем сигнализации. Сигналы передаются извне клеток и приводят к регуляции генов на уровне ДНК и генной экспрессии. Удаление репрессоров или включение активаторов может активировать лизис клеток или оказать иное воздействие на бактерии и клетку-хозяина.
В океане может наблюдаться избыточный рост водорослей вследствие попадания в морскую воду излишков питательных веществ, которыми удобряют близлежащие поля. Удобрения вымываются дождями или переносятся реками в океаны, где могут накапливаться. Высокая температура воздуха также может стимулировать рост водорослей. Если осенью плотность бактерий слишком высока, активизируются фаги, их число многократно увеличивается, и они лизируют своих хозяев-бактерии. Итак, спектакль окончен. Питательные вещества оседают на дне, где служат пищей для других организмов и используются повторно. Таким образом, фаги являются регуляторами пищевой цепочки и поставщиками питательных веществ для животных, обитающих в океанах; они регулируют плотность популяций бактерий и других организмов-хозяев. Фаги – специалисты по регулированию динамики популяций.
Соотношение фагов и бактерий составляет примерно 100 : 1, а по мере увеличения глубины доходит до 225 : 1. Фаги действуют специфически: лизируют «победителей» среди бактерий, поскольку именно их оказывается больше всего. Их девиз: «Убей победителя». Так обеспечивается видовое многообразие, поскольку фаги не дают победителям остаться единственными выжившими бактериями и «убрать со своего пути» менее «успешных» собратьев. И что довольно интересно, фаги дают шанс оставшимся в меньшинстве бактериям. Это может натолкнуть читателя на мысль о других сообществах.
Лизис поддерживается ферментами, называемыми лизозимами, которые можно применять в терапевтических целях. Исследователи – не только из Швейцарской технической школы Цюриха (ETH), но также из всех других стран – уже мобилизовали усилия, направленные на получение и использование этого лизирующего фермента в качестве истребителя бактерий. Кроме того, совсем недавно провели исследование бактерий в кишечнике человека на предмет роли умеренных и литических фагов. Количество лизированных бактерий и свободных фагов увеличивается по мере увеличения количества пищи, поскольку обильная пища не только приводит к ожирению, но и имеет те же последствия, что и удобрения, попавшие в Балтийское море! Это был один из результатов, полученных экспедицией Tara Oceans в разных океанах. Этот удивительный результат относится к самой мелкой и самой крупной экосистемам, кишечнику и океану.
Свои первые лекции в Институте молекулярной генетики Общества Макса Планка в Берлине я прочитала несколько десятилетий назад. В то время, в 1970-х гг., исследования фагов находились на пике. Один из директоров института, Хайнц Шустер, исследовал мир фагов, а я преподавала в области своей научной деятельности – читала курс по ретровирусам. Меня и по сей день удивляет степень сходства этих двух разных систем, двух, казалось бы, далеких друг от друга миров фагов и ретровирусов, что и является одним из доказательств эволюции их взаимоотношений. Есть ли у них общие предки? Состояли ли первоначально геномы фагов главным образом из РНК, как современные ретровирусы? Большинство фагов содержит более стабильные двуспиральные ДНК. Возможными причинами этого явления могут быть: скорость репликации, «прогресс» в эволюции от РНК к большему количеству ДНК (см. заключительную главу). Фаги не содержат обратных транскриптаз, и они их не используют, несмотря на то, что бактерии содержат невероятное количество обратных транскриптаз, которые легко могли бы транскрибировать потенциальные РНК фага в ДНК. Лишь недавно было установлено, что в бактериях присутствует огромное количество обратных транскриптаз, и никто не представляет себе, что они там делают. Для меня как специалиста по обратной транскриптазе это было особенно удивительно, но это совершенно новая информация. Действительно ли в процессе эволюции ретрофаги предшествовали ДНК-содержащим фагам? Я знаю только один одиночный «ретрофаг», содержащий ген обратной транскриптазы, – фаг бактерии Bordetella pertussis (он вызывает сильный кашель у детей, что пугает молодых матерей). У него даже нет названия. Обратная транскриптаза фага способна модифицировать рецептор на входе в клетку и обусловливает образование большого количества дополнительных типов бактерий-хозяев – это интересный инновационный этап «ненадежной» ОТ (что и обусловило развитие более широкого спектра организмов-хозяев).
Меня до сих пор удивляет то, что ни на одном симпозиуме по фагам не обсуждались ретровирусы. Но также верно и обратное: ретровирусологи «ничего не знают» о фагах. На конференциях по ретровирусам мне никогда не приходилось видеть тезисы докладов по фагам, инаоборот (за исключением моего доклада, к которому организаторы отнеслись сдержанно!). Сначала исследователи фагов опережали ретровирусологов, но сейчас ситуация изменилась. Ретровирус ВИЧ – самый широкоисследуемый вирус. А о фагах практически забыли. Но однажды – думаю, это произойдет в скором времени – интерес к фагам возобновится и, возможно, они нас спасут. Отчет об их применении в отдельном случае и некоторые рассуждения на эту тему приведены ниже.
Пальто для художника и журнал для ученого
Макс Дельбрюк был гуру, очень авторитетным исследователем фагов. Ежегодно он приезжал в Берлин из Лос-Анджелеса, где преподавал в Калифорнийском технологическом институте. Он родился в Берлине, и берлинская улица Дельбрюкштрассе названа в честь его отца, историка. Макс Дельбрюк ежегодно приезжал в берлинский Институт молекулярной генетики Общества Макса Планка как внештатный сотрудник. Приезжал он не только из-за фагов, но и из-за своего нового исследовательского хобби. Он изучал фикомицеты – грибы, которые по мере роста «отворачиваются» от стенки. Вместе с Максом эти грибы исследовал неутомимый ученый Энцо Руссо. Механизм действия этих грибов до сих пор неизвестен, и за изучение этого вопроса Дельбрюк вряд ли получил бы Нобелевскую премию. Он получил ее гораздо раньше, в 1969 г., за исследование фагов. Макс открыл дверь для исследований фагов. У него было свое видение использования фагов и их хозяев, бактерий, в качестве модели для жизни, репликации, мутации и иммунитета. Время воспроизведения бактерий в зависимости от условий роста составляет примерно 20 минут. Затем происходит высвобождение нескольких сот фагов. У человека время воспроизведения составляет несколько десятков лет, гораздо дольше, чем нужно для получения быстрых результатов. И изначально было непонятно, способны ли вирусы и бактерии реплицироваться так же, как все прочие организмы, и можно ли их сравнивать с репликацией клеток человека. Мы ведь не похожи даже на близких родственников! Поэтому представление Дельбрюка об общем, универсальном механизме репликации было гениальной идеей. В рамках своих знаменитых экспериментов он проанализировал устойчивость бактерий к фагам и значение мутаций в них.
