Могут ли бактерии конъюгировать?

Ледерберг и его старший коллега Тейтем открыли еще одно важное свойство бактерий. Они установили, что кишечные бактерии Escherichia coli имеют половые различия. Одни клетки проявляют характер женских индивидов, другие – мужских. Методом, описанным в следующем разделе, из этих бактерий были выделены два различающихся штамма (мутанта): один из них нуждается в ростовых веществах биотине (Б) и метионине (М), другой – в лейцине (Л) и треонине (Т). Первый штамм ученые стали обозначать формулой Б^‑М^‑Т⁺Л⁺, а второй – Б⁺М⁺Т^‑Л^‑, где знак плюс отражает способность, а знак минус – неспособность штаммов синтезировать то или иное ростовое вещество.

Из каждого штамма взяли по 10 миллионов клеток, смешали их и посеяли на агаризованную среду, в которой не было ни одного из упомянутых ростовых веществ. Обычно ни тот ни другой тип бактерий на таком агаре не развивались, так как обоим не хватало по два ростовых вещества. И тем не менее на агаре появилось около ста колоний. Чем это объяснить? Исследования Ледерберга и Тейтема показали, что в разросшихся колониях все бактерии были нового типа (Б⁺М⁺Т⁺Л⁺). По‑видимому, некоторые клетки из обоих штаммов конъюгировали между собой, причем мужская клетка передала женской клетке часть своей хромосомы, именно ту ее часть, в которой были гены, определяющие способность синтеза двух ростовых веществ, ранее не вырабатывавшихся «женской» клеткой. Теперь она стала самостоятельной и, получив в своей хромосоме два новых гена, приобрела возможность образовывать все четыре ростовых вещества.

Несколько позднее с помощью электронного микроскопа было установлено, что при конъюгации (как назвали этот процесс Ледерберг и Тейтем) две бактерии действительно соединяются друг с другом «копуляционным мостиком» (фото 52). При этом мужская клетка отдает часть своей хромосомы женской клетке.

Жакоб из Пастеровского института со своим коллегой Э. Вольманом придумали оригинальный метод наблюдения за ходом конъюгации у бактерий. Они смешали мужской и женский типы бактерий в жидкой среде и через определенные промежутки времени отбирали пробы, помещая их затем в смеситель и продолжительно встряхивая, чтобы отделить друг от друга соединившиеся клетки. Затем они, так же как Ледерберг и Тейтем, зарегистрировали увеличение числа новых генов в «женских» клетках. Обозначим гены «мужской» хромосомы буквами А – Б–В – Г–Д – Е–Ж–3 и проследим вместе с Вольманом и Жакобом с часами в руках их перемещение из «мужских» клеток в «женские» (см. рис. на стр. 146)

Смешивать культуры «мужских» и «женских» бактерий они начали ровно в 9 часов. В 9.05 брали первую пробу, в 9.10 – вторую, в 9.20 – третью, в 9.30 – четвертую и в 9.35 – пятую. Затем встряхиванием разделяли спаренные клетки и, пересеяв их на агар, оставляли до следующего дня. И вот каков был результат: по прошествии 5 мин «женские» клетки не содержали еще ни одного «мужского» гена; через 10 мин в них был уже ген А, через 20 мин – гены А и Б, через 30 мин – гены А, Б и В, а спустя 35 мин положение уже не изменялось. Таким образом, конъюгация позволила «женским» клеткам получить три новых гена. А это означает, что они стали уже иными. Обогатившись тремя генами, они приобрели и иные свойства, которые передадутся следующим поколениям. Бактерии изменили свою природу!

Микробы и мутации

Рассказ о трансформации, трансдукции и конъюгации должен был убедить читателя, что микроорганизмы действительно могут изменять свою природу. Во всех рассмотренных случаях микробиологи использовали влияние генетического материала (ДНК) одних микробов на наследственные свойства других.

А теперь познакомимся с некоторыми примерами наследственных изменений, которые мы можем получить у микроорганизмов в лаборатории или же наблюдать в природе. Резкое, передаваемое по наследству изменение какого‑нибудь свойства организмов называется мутацией. Современная биология накопила уже немало примеров внезапных (в масштабе одного поколения) изменений некоторых признаков растений, животных или микробов, которые наследуются следующими поколениями.

Мутации в природе возникают спонтанно («сами собой») или могут быть вызваны действием так называемых мутагенных факторов, к которым относятся некоторые химические вещества и различные формы излучений (ультрафиолетовое, рентгеновское или радиоактивное). Теперь для нас уже не является неожиданностью, когда какие‑нибудь мутагенные факторы затрагивают генетический аппарат клетки и вызывают структурные изменения хромосом или влияют на молекулы ДНК в генах.

Схема Жакоба – Вольмана, показывающая последовательность перемещения генов из мужских клеток (правая о каждой паре) в женские во время конъюгации, которая продолжается 35 мин.

Первые статистически достоверные сведения о «химических» последствиях мутаций дали, как и следовало ожидать, микроорганизмы. На этот раз микробиологи избрали в качестве подопытного организма не бактерии, а более сложные в биологическом отношении микроскопические грибы – Neurospora crassa. Известно, что этот гриб для синтеза составных частей своей клетки не требует никаких ростовых веществ (аминокислот, витаминов), так как сам образует их (за исключением биотина) из простых органических соединений. Остальные биогенные вещества он способен ассимилировать в виде минеральных солей (биотин все же добавляют в питательную среду). Если споры этого гриба облучить рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами и посеять на оптимальную для них питательную среду, они не прорастают и грибы, следовательно, не размножаются. При выяснении причин этого явления было установлено, что культура облученных спор уже нуждается в присутствии ростовых веществ. Таким образом, в результате облучения спор этого гриба была вызвана рецессивная мутация: N. crassa потеряла способность синтезировать необходимые ростовые вещества из простых соединений.

Нейроспора в настоящее время является классическим объектом микробиологической генетики, к которому постепенно присоединяется ряд других организмов. Мутации не только используются для изучения многих вопросов генетики, они служат также и промышленным целям. В пятой части нашей книги читатель узнает, каким образом микробиологи при помощи мутагенных факторов «принуждают» микробы, образующие пенициллин и другие антибиотики, повысить свою продуктивность. Если раньше Penicillium chrysogenum синтезировал на каждый миллилитр питательной жидкости только 5–10 единиц пенициллина, то сейчас его потомки производят до 10 и даже до 15 тысяч единиц.

При изучении мутаций удобным объектом могут быть и бактерии. За первые исследования в этой области, равно как и за изучение бактериофагов, в 1969 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили три американских микробиолога – С. Лурия, М. Дельбрюк и А. Херши.

Дельбрюк был сначала физиком, но его всегда привлекала биология, в частности бактериофаги; именно на этом поприще он и познакомился с Лурия. Херши вместе с Мартой Чейз доказал, что инфекционным началом бактериофагов является нуклеиновая кислота, а не белок.

Лурия известен своим высказыванием о том, что «вирусы – это паразиты на генетическом уровне». Вместе с Дельбрюком он создал метод, известный под названием «флюктуационный тест». При помощи этого метода изучали мутации на бактериях Escherichia coli, которые в послевоенные годы были излюбленным объектом ученых. Своим флюктуационным тестом они доказали, что приобретенная бактериями устойчивость к бактериофагам связана с мутациями. При встрече с устойчивой клеткой бактериофаг терпит поражение, а клетка остается живой. Но таких «удачливых» бактерий бывает чрезвычайно мало – из 300 миллионов делящихся бактерий только одна‑единственная может иметь шанс приобрести устойчивость к бактериофагам путем мутации!

Какова же генетическая сущность мутаций? Как генетикам удается разгадывать подоплеку этих явлений? Ведь даже изучение таких, казалось бы, простых организмов, как нейроспора, – очень трудная задача. Было бы значительно легче, если бы в нашем распоряжении имелись какие‑то несложные «модели генетического материала» вроде комбинации нуклеиновой кислоты и белка, что‑то подобное гену, который способен к «самовоспроизводству» и подвержен мутациям. Могут ли биологические объекты представить нам такую модель? Да, могут – такими моделями могли бы быть вирусы. Они отвечают всем этим требованиям.