Мертвые души

Международная группа исследователей под руководством известного датского специалиста Эске Виллерслева опубликовала исследование, которое может перевернуть наше представление о сразу нескольких областях биологической науки. Группе Виллерслева удался простейший, но потрясающий воображение эксперимент. Они взяли кость мамонта возрастом в 43 тысячи лет, выделили из неё полуразложившиеся остатки ДНК и смешали с бактериями, после чего проанализировали их геном. Выяснилось, что фрагменты генов мамонта были подхвачены бактериями и встроены в их собственную ДНК. Природа информации в живых системах, эволюция ранних организмов, наследственность и изменчивость бактерий – похоже, на всё это придётся взглянуть по-новому.

Профессор Эске Виллерслев (Eske Willerslev) является
одним из самых известных в мире специалистов по древней ДНК.
http://geogenetics.ku.dk/staff/beskrivelse/?id=26558

Природа примитивности

В массовом сознании существует представление о человеке как вершине эволюции – так рисуются эволюционные деревья, по такой логике ведётся курс биологии в школах и университетах. Исходя из этой парадигмы, бактерии – самые примитивные живые существа на планете.

Они в подавляющем большинстве случаев строго одноклеточные, у них нет ядра, хромосом и ещё тысячи других «наворотов», которыми обладает клетка растения, гриба или животного. Иллюзии о примитивности бактерии очень легко поддаться.

Весь живой мир делится биологами на три крупные эволюционные и систематические группы, или домены:

бактерии,

археи,

эукариоты.

К эукариотам относится всё, что мы обычно представляем, когда говорим о живых организмах – от амёб и водорослей до животных и высших растений.
Эукариоты с их крупными клетками, ядрами, сложными механизмами деления и полового размножения действительно кажутся «передовыми» по сравнению с бактериями и внешне похожими на них археями. Но есть ли основания для такого «эукариотического гонора»?

Бактерии живут на планете большую часть времени её существования. По сравнению с ними, животные и растения – самые настоящие младенцы. Бактерии проникают всюду, где только возможно поддержание жизни. Они могут существовать в кипящей воде и концентрированной кислоте.

Точно оценить биомассу бактерий практически невозможно, но по современным оценкам многих специалистов, она превышает таковую животных и растений. Задумайтесь о масштабах сибирской тайги и оцените, насколько потрясает воображение даже сама идея о сопоставимости бактериальной биомассы со всеми лесами мира.

Другая генетика

Наконец, по многим параметрам бактериальная генетика гораздо совершеннее нашей. Генетика, то есть наука о наследственности и изменчивости, изучает, в сущности, передачу и хранение живыми организмами наследственной информации.

Если генетика животных в плане передачи информации – это грузовой поезд, то генетика бактерий – это широкополосный интернет. Чтобы передать огромный багаж эукариотического генома от одного организма другому, надо прибегать к сложнейшим ухищрениям. В случае с высшими животными, к которым относимся и мы, к этому добавляются недели и месяцы эмбриогенеза, когда генетическая информация медленно и осторожно «распаковывается» и тонко настраивается в каждом органе и каждой ткани.

Бактерии не нужны такие сложности.

С одной стороны, минимальные потребности и простейшая (по сравнению с эукариотами) организация означают, что и размножение бактерий происходит несопоставимо быстрее.

С другой стороны, бактерия не дорожит собственной жизнью. У неё отсутствует инстинкт самосохранения.

Эукариоты проверяют и перепроверяют каждый нуклеотид, чтобы ни в коем случае не допустить ошибок и перестроек – с переменным успехом, конечно.

Изменчивость нужна и им, но она по возможности строго контролируется. Бактериям же перестройки, мутации и вообще любые способы каким-то образом (пусть даже случайным) изменить свой геном – на руку. Пусть большинство таких изменений окажутся непродуктивными, но в отдельных удачных случаях польза для популяции будет огромной. Можно провести аналогию со взломом паролей брутфорс-методом – иначе говоря, простым перебором вариантов.

Бактерии поступают именно так: они берут скоростью и количеством и в итоге крайне эффективны во «взломе» любой генетической проблемы: например, именно таким образом формируется устойчивость к антибиотикам.
Ещё одна сногсшибательная способность бактерий – это горизонтальный перенос генов. Представьте, что вы плохо переносите алкоголь, но очень не хотите обижать потенциального тестя, который ранжирует женихов дочери по устойчивости к опьянению. Если бы вы были бактерией, то проблемы бы не было: ваш друг бы просто передал вам ген алкогольдегидрогеназы, и вам бы не пришлось искать отговорок.

Тот же механизм действовал бы и для менее важных вещей, вроде фенилкетонурии или гемофилии. Это и называется горизонтальным (в противоположность вертикальному – из поколения в поколение) переносом генов.

Новая жизнь мамонта

Открытие скандинавских учёных включает в себя элементы обоих описанных генетических механизмов: мутационной изменчивости и горизонтального переноса генов. Если о способности бактерий «встраивать» целые гены, полученные от других бактерий, было известно давно, то о том, что происходит с гораздо более мелкими фрагментами ДНК, исследователи до сих пор не знали. Отчасти это объясняется сложностью наблюдения за такими маленькими участками: чем меньше фрагмент, тем сложнее определить его источник. Именно по этой причине учёные решили использовать ДНК мамонта. Во-первых, за сорок пять тысяч лет она сильно деградировала и в основном представляла собой небольшие фрагменты с разрывами и случайными химическими модификациями. Во-вторых, ДНК мамонта довольно сильно отличается от ДНК человека и других потенциальных загрязнителей эксперимента, что позволяет исключить ложные результаты.

Выяснилось, что бактерии действительно умеют встраивать в свой геном очень мелкие участки ДНК, причём делают они это с ещё большей лёгкостью, чем обычный горизонтальный перенос генов. Но если встраиваемые участки настолько короткие (значительно короче целых генов), то какую ценность они могут представлять для бактерии?

Дело в том, что обычные мутации – случайные замены нуклеотидов в ДНК – имеют довольно низкую вероятность. Соответственно, вероятность, например, одновременной двойной замены в одном отдельно взятом гене – практически нулевая. Встраивание же небольших фрагментов ДНК – мутагенный механизм гораздо большей «мощности».

Он на много порядков повышает вероятность изменений, захватывающих не один нуклеотид, а целые участки генов.

Вопросы жизни и смерти

Открытие группы Виллерслева может показаться забавным курьёзом, но на самом деле оно имеет целый ряд фундаментальных следствий.

С практической точки зрения, оно прежде всего имеет значение в контексте устойчивости бактерий к антибиотикам. Для приобретения бактерией такой устойчивости зачастую достаточно нескольких точечных мутаций в тех или иных участках генов.

На данный момент вся наша борьба с этой серьёзнейшей проблемой сводится к уничтожению живых переносчиков «генов устойчивости». Мы предполагаем, что если уничтожить бактериальную клетку, то её гены теряют способность как-то воздействовать на другие бактерии.

Теперь нам известно, что это далеко не так: мало того, что бактерии могут «усваивать» ДНК из «мёртвых» источников (куда уж мертвее мамонта!), оказывается, даже целостность этой ДНК – не проблема. Достаточно обрывка генетической информации, содержащего нужную мутацию – и устойчивость к антибиотикам может вернуться в живую клетку!

С другой стороны, исследование скандинавских учёных заставляет в принципе задуматься о природе информации в биологических системах. Уже горизонтальный перенос генов («от друга к другу» вместо «от отца к сыну») сильно затрудняет биологическую систематику. Чего уж говорить о переносе информации от мёртвых к живым! Получается, что мегатонны оседающей в реках и океанах «мёртвой» ДНК – на самом деле огромная база «информационного сырья», которое бактерии могут «воскрешать» и перерабатывать для собственных целей.

Если генетическая информация – пусть и в виде отдельных обломков и мелких фрагментов «кода» – может заново использоваться через сорок тысяч лет после смерти её носителя, то не ставит ли это под сомнение понятие смерти как таковое? Возможно, и ваши гены когда-нибудь будут переработаны и усвоены бактериями. Непонятно только, как они смогут научить бактерию чему-нибудь, чего она не умеет делать и без нас.