Мы, люди, имеем возможность познакомиться со своими родителями. Микроорганизмам такого шанса никогда не представится, потому что их родители исчезают, или же, говоря другими словами, разделяются на дочерние клетки. Законы Менделя описывают, как наследственные факторы от двух родителей объединяются при образовании потомка. Для микроорганизмов это бессмысленно.
Их наследственность отличается от нашей в еще одном важном аспекте. Микроорганизмы способны получать гены разными способами. Они могут унаследовать копию генов от своих предков, так же как это делаем мы. Это называется вертикальной передачей. Кроме того, они в состоянии получать гены от других, неродственных микроорганизмов – благодаря горизонтальному переносу генов
[345].
Именно благодаря горизонтальному переносу генов стало возможным определить, из чего они сделаны. В 1920-х гг. исследователи выяснили, что если убить опасный штамм бактерий и смешать его с безвредным, то безвредный трансформируется в опасный. Более того, когда трансформированные бактерии делились, их потомки сохраняли опасные свойства. Позже микробиолог Освальд Эвери с коллегами занялся поиском этого таинственного «трансформирующего агента» и выделил из бактериальных клеток разные виды молекул. Проведя многочисленные эксперименты, он пришел к выводу, что вещество, которое он искал, – это ДНК.
Оказалось, что бактерии из опыта Эвери поглощали свободную ДНК извне, встраивали ее в свою хромосому и таким образом трансформировались. Они получали гены, которые могли использовать, чтобы вызывать заболевание у хозяина. Дальнейшие исследования выявили, что горизонтальное наследование происходит и другими способами. Некоторые бактерии помимо своей основной хромосомы несут маленькие колечки ДНК, называемые плазмидами. У тех есть свои собственные гены. Бактерии могут иногда прикрепляться к другим бактериям и создавать трубки для передачи плазмид. Такая плазмида может свободно плавать в цитоплазме нового владельца, а может встраиваться в его хромосому.
Горизонтальный перенос генов, наверное, кажется удивительным, но он происходит вокруг нас. И даже внутри нас. В эксперименте 2004 г., проведенном группой датских исследователей, было показано, как бактерия Enterococcus faecium использует горизонтальный перенос в наших собственных организмах
[346]. За несколько тысяч лет эта бактерия эволюционировала в разные штаммы; некоторые заселяют кишечник и кожу человека, а другие выбирают местом жительства иных животных. Большинство штаммов этого энтерококка безвредны, но есть такие, которые вызывают смертельные инфекции в крови и мочевом пузыре.
Обычно подобную инфекцию лечат антибиотиками. Было время, когда этот подход работал. Но уже в начале 2000-х гг. E. faecium превратился во врачебный кошмар. Все чаще доктора стали замечать, что бактерии несут гены, защищающие их от лекарств. Когда к пациенту попадал такой устойчивый штамм, бактерии бесконтрольно размножались, передавая ген устойчивости вертикально своим потомкам.
В 2004 г. полдюжины смельчаков согласились выпить молоко из двух чашек. В первой был миллиард Enterococcus faecium. Эти бактерии были выделены из человека, и их можно было легко убить с помощью антибиотика ванкомицина. Через три часа шестеро добровольцев выпили и вторую чашку, где находился еще один миллиард E. faecium, полученных из кур. У этих бактерий были гены, делающие их устойчивыми к ванкомицину.
Питье молока было частью эксперимента, проводимого Датским национальным центром по контролю инфекций и антимикробных препаратов. В течение следующего месяца ученые брали на анализ стул шести испытуемых и исследовали его на наличие двух штаммов E. faecium. Куриный штамм быстро поредел и через несколько дней исчез. Человеческий же, лучше приспособленный к новому хозяину, сохранялся дольше.
Однако у трех из шести испытуемых ученые заметили изменения в человеческом штамме. У бактерий из поколения в поколение передавался новый ген, которого не было в начале эксперимента. Они унаследовали от куриного штамма ген устойчивости к ванкомицину.
Микроорганизмы могут горизонтально принимать гены даже от своих злейших врагов – вирусов. Вирусы – это гены, окруженные белковой оболочкой, и у них особая форма наследственности, не такая как у клеток. Вирус не воспроизводится сам, копируя свои гены, и не делится на два. Вместо этого он внедряется в клетку-хозяина. Например, бактериофаги – вирусы, атакующие бактерий, обычно прикрепляются к клеточной стенке хозяина и впрыскивают внутрь нить ДНК, как будто выдавливают из шприца спагетти. У бактерий есть несколько способов распознать и уничтожить вирусную ДНК. Но ни один из них не идеален. Если вирусные гены выживают в клетке, они начинают ею командовать. Бактерия делает белки по инструкции, записанной в вирусных генах. Эти белки заставляют клетку создавать новые вирусы, комплектуя их новыми копиями вирусных генов.
Когда речь заходит о вирусах, наследственность становится почти абстракцией. У них нет никаких материальных основ, связующих их с предками, поскольку каждый атом, входящий в новую вирусную частицу, происходит из хозяйской клетки, которая изготавливает вирусы. Для них наследственность – это невидимая ниточка информации, связывающая вирус с его потомками.
Когда гены упаковываются в новые вирусы, иной раз происходит сбой. Внутрь вирусной оболочки может попасть ген от бактерии-хозяина. Такой новый вирус, покидая бактерию, будет нести ее ген вместе со своими, и впоследствии он способен проникнуть в нового хозяина. Иногда эти бактериальные гены встраиваются в хромосому этого нового хозяина. Таким образом вирусы могут выступать в роли стихийных транспортных средств, перенося гены бактерий от одной клетки к другой, а случается даже, что и между разными видами.
__________
Когда ученые стали исследовать микроорганизмы подробнее, то обнаружили еще более странную форму наследственности. Одна из наиболее необычных разновидностей бактериальной наследственности была открыта в начале 2000-х гг. в процессе изучения защиты микроорганизмов от вирусов.
Оказывается, многие виды бактерий могут научиться распознавать новый вирус, а в дальнейшем быстро и прицельно его уничтожать. У позвоночных животных, таких как мы с вами, есть похожая способность. Когда нас атакуют вирусы гриппа или ОРВИ, наша иммунная система создает антитела, которые уничтожают эти вирусы при повторном заражении. Бактерии не могут использовать иммунную систему, состоящую из миллиардов клеток: они состоят из единственной клетки, которая должна сама заботиться о себе. И они справляются с этой задачей, используя молекулярную систему CRISPR-Cas
[347].
Когда вирус атакует бактерию, он обычно прикрепляется к своей жертве и вводит внутрь нить ДНК. Многие микроорганизмы могут отрезать кусочек этой чужеродной ДНК и вставлять его в определенное место собственной ДНК, которое называется CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats – короткие палиндромные кластерные повторы).
