Некто или нечто?

Глава тринадцатая Фаги на службе ⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

В середине нашего столетия наука обзавелась тайным агентом. Он ловок, услужлив и проникает в такие места, куда никто иной попасть не может. При его помощи генетики, биохимики, микробиологи, врачи добывают у живой природы сведения, которые ей удавалось столетиями скрывать от самых настырных, самых умелых исследователей.

Этим агентом стал вирус.

Советский биолог Николай Лучник издал недавно интересную книгу о законах наследственности. Лучник объясняет, между прочим, почему наука с такой охотой использует ныне шпионские способности вируса: «То, что на бактериофагах можно изучить за один рабочий день, в опытах на слонах потребовало бы несколько веков».

И действительно.

Ничто живое на нашей планете не может размножаться с такой поистине сказочной быстротой, как вирус. Слониха приносит детеныша раз в четыре года. А если вести опыты, скажем, на коровах, то потомство надо ждать девять месяцев. Но это уже, разумеется, крайность — слониха, коровы. Генетики, изучающие законы наследственности (наследственность — способность живых существ передавать свои качества, свойства потомству), нашли живую модель, которая больше подходит для опытов и наблюдений. Это плодовая мушка дрозофила. В двадцатые — тридцатые годы нашего столетия только ею и пользовались во всех генетических лабораториях мира. Дрозофила мала, всего миллиметра три в длину, в баночку можно поместить большую стаю мушек. И, главное, размножается быстро: каждые десять — двенадцать дней новое потомство.

Еще выгоднее — микробы. Кишечная палочка, например, делится каждые 25 минут. Значит, если вы обработали колонию кишечной палочки каким-нибудь химическим веществом, нарушающим работу внутриклеточного наследственного аппарата, либо облучили рентгеном, то меньше чем через полчаса можете в микроскоп увидеть первые плоды своей работы.

Но что бактерия? Фаг за полдня способен дать миллиарды потомков!

Опыты с вирусами позволили ученым сделать ряд удивительных наблюдений. Накопились факты, приведшие в конце концов к одному из крупнейших открытий нашего века.

В предыдущей главе рассказывалось об опытах Херши и Чейза. Они доказали, что фаг, проникая в бактериальную клетку, предварительно раздевается донага, оставляя снаружи белковый чехол, подобно пловцу, скидывающему платье, перед тем как нырнуть в воду. Внутрь клетки через оболочку впрыскивается только лишь нуклеиновая кислота, составляющая сердцевину вируса, его начинку. Херши и Чейз, завершив в 1952 году эти опыты, сделали, в сущности, два открытия. Первое касалось повадок самого фага. Второе открытие имеет более широкое, общебиологическое значение. Речь идет о роли нуклеиновых кислот в живой природе.

Ни один организм на земле, будь то животное, птица, рыба, растение, насекомое, бактерия, немыслим без нуклеиновой кислоты, как немыслим и без белков. Вирус не составляет исключения — он построен из белков и нуклеиновой кислоты. Которое-то из этих двух веществ должно направлять, регулировать, согласовывать все сложнейшие химические реакции, происходящие в живой клетке. Которое же? Прежде думали, что молекула белка самая сложная из всех известных молекул. Потом многие ученые начали склоняться к мысли, что роль управителя играют нуклеиновые кислоты. И это предположение стало подкрепляться опытами, да такими поразительными, что «бактериологические фокусы», которым в свое время научилась в Париже нью-йоркская мисс Хэрд, теперь выглядели простенькой забавой.

В 1955 году американский биохимик Френкель-Конрат ухитрился разъять на части дедушку всех вирусов — открытый Ивановским возбудитель табачной мозаики. При помощи химических веществ вирусные частицы разделили на белок и нуклеиновую кислоту. Сделано это было так чисто и аккуратно, что обе составные части ВТМ сохранили свои свойства. Затем произошло нечто еще более удивительное: Френкель-Конрат вновь собрал, смонтировал разъятый на части вирус.

Когда смесь, содержавшую воскресшие таким манером вирусы, нанесли на листья табака, то растение заболело мозаикой.

По поводу этих опытов тогда писали, что Френкелю-Конрату удалось из двух чистых химических веществ создать в пробирке живой организм. Но, во-первых, ученый позаимствовал оба вещества в готовом виде у природы; во-вторых, надо еще доказать, будто нечто, разобранное Френкель-Конратом и вновь сотворенное в пробирке, есть живой организм!

А вот что было дальше.

В природе существует несколько разновидностей вируса табачной мозаики. Они строго специализированы. Один поражает только табак, другой — иное какое-нибудь растение. Френкель-Конрат смешал рибонуклеиновую кислоту табачного вируса с белком, взятым от вируса, паразитирующего на подорожнике. В результате образовался новый вирус. При скрещивании двух видов животных или растений новый организм приобретает обычно признаки обоих растений. Ну, а тут?

Гибридный вирус обладал лишь свойствами того возбудителя, от которого взята была нуклеиновая кислота. Не только начинка, но и белковый чехол скопированы были с вируса, поражающего табак, а не подорожник. Значит, верх взяла нуклеиновая кислота. Ясно, что когда скрещиваются животные двух пород либо растения двух сортов, то оба организма привносят свою нуклеиновую кислоту. Потому и потомство получает задатки обоих родителей. А тут — нуклеиновая кислота лишь от одной разновидности вируса. Она и возобладала.

В те же годы Шрамм, немецкий ученый из Тюбингена, проделал следующее. Он взял нуклеиновую кислоту от вируса табачной мозаики и смазал ею листья табака. Растение заболело мозаичной болезнью. Ученый попробовал заразить табак одним лишь белком, взятым от того же вируса. Ничего не вышло, растение не заболело.

Из всех этих опытов вытекало то, что не белки, как думали прежде, а нуклеиновые кислоты играют роль управителя в живой материи.

В самом деле. Фаги, перед тем как прорваться в клетку, скинули с себя белковые оболочки, оставшись в виде голой нуклеиновой кислоты; разрушив клетку, они покинули ее в таких же точно белковых костюмах, в каких занимали исходные позиции для атаки. Откуда взялись внутри клетки белковые оболочки для фагов? Кто их там заготовил? Очевидно, что молекулы нуклеиновой кислоты фага, перестроив химическую лабораторию клетки на свой лад, строили для себя новые одежды, чтобы скинуть их в нужный момент, перед тем как атаковать новую жертву.

Далее. Если при смешении двух типов вируса их потомство наделяется свойствами одного — того, от которого взята нуклеиновая кислота, то ясно, что эта кислота и диктует новому созданию, каким ему быть.

Наконец, если нуклеиновая кислота возбудителя болезни служит в одиночку носителем заразных свойств, то ясно, что эта кислота и тут главенствует.

Да, но вирус не имеет клеточного строения, — он и вообще не похож ни на какой живой организм. Можно ли в таком случае судить обо всем живом только на основании тех фактов, которые добыты при наблюдениях над вирусами?

Можно. Ведь вирус состоит из тех же веществ, что составляют основу живой клетки, живой материи вообще — из белка и нуклеиновой кислоты. Опыты подтвердили: в любых клетках, в любом организме нуклеиновая кислота ведет себя подобно хозяину, который все видит, все направляет и регулирует.

Ежеминутно в живой клетке происходит более десяти тысяч разных химических реакций. В конечном счете нуклеиновая кислота ответственна за каждую из них.

Главнейшая из всех реакций, происходящих в живой клетке, — формирование белковых молекул. Белки — носители всех признаков, отличающих один вид от другого, один организм от другого. Каков белок, таков и организм. Белковая молекула — подлинный гигант в мире молекул. Молекула гемоцианина (белковое вещество синего цвета, выполняющее в крови некоторых моллюсков функции гемоглобина), к примеру, превосходит по размерам вирус ящура.

Белковая молекула слагается из аминокислот, сложных веществ. Всех аминокислот двадцать, они отличаются друг от друга числом атомов и их расположением. Аминокислоты образуют длинные, сложно закрученные цепочки, чередуясь в белковых молекулах по-разному, подобно тому как чередуются буквы алфавита в слове, в строке печатного текста. Чередование букв-аминокислот в белковой молекуле и определяет свойства организма, передаваемые от поколения к поколению.

У вас кожа белая, а у вашего дружка смуглая. Отчего? Белковые молекулы, из которых строится кожный покров, написаны, сочинены природой по-разному. В человеческом организме — сто тысяч разнообразных белков. В животной клетке, одной лишь клетке может содержаться до тысячи белков. И каждый вид белка отличается от остальных чередованием аминокислот, а также укладкой образуемых ими цепочек.

Случается, природа что-нибудь спутает, поставит одну из аминокислот не на то место, где ей полагается быть. Тогда беда — человек будет страдать неизлечимой болезнью.

Но каким образом клетка строит белковые молекулы, играющие столь важную, решающую роль в организме? Под чью диктовку пишется и, как правило, безошибочно, длиннейшая фраза-формула, где чередуются в строгой последовательности 20 букв белкового алфавита?

Выдающийся советский биолог Н. К. Кольцов подсчитал как-то, что если взять только семнадцать аминокислот из двадцати, то, переставляя их в белковой цепочке, можно составить около триллиона разных комбинаций! Надо же безошибочно выбрать из такого числа комбинаций ту, которая свойственна, присуща, потребна данному организму, данной клетке.

Кто этим занимается?

Зная удивительные результаты опытов над вирусами, мы можем сказать не колеблясь: нуклеиновые кислоты! Да, но такой ответ носит чересчур уж общий характер. Важно доискаться, как все происходит…

Еще в прошлом веке некоторые ученые высказали догадку: носители наследственных свойств — хромосомы (хромосома — окрашенное тело). Эти нитевидные тельца, возникающие в ядре, хорошо различимы в обычный микроскоп во время деления клетки, если ее окрасить. Каждому виду организмов свойственно строго определенное число хромосом. У гороха в каждой клетке 14 хромосом, у дрозофилы — 8, у мыши — 40, у человека — 46. Хромосомы состоят из вещества, которое названо нуклеопротеином (нуклеос — ядро, протеин — белок). Это смесь белка с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Из этого же вещества состоят и вирусы, как мы знаем. Кроме как у вирусов и хромосом, нуклео-протеины нигде больше в природе пока что не найдены. Хромосомы состоят из генов. Это большие нуклеопротеиновые молекулы. Генетики считают, что каждый ген заведует каким-нибудь процессом в развитии организма, например образованием костей или мозга. Гены ответственны за цвет глаз, за окраску волос. Каждая зародышевая клетка содержит тысячи генов, и каждый ген имеет свою узкую специальность.

Итак, ген служит своего рода регулятором в организме. Молекула ДНК, в нем заключенная, каким-то образом формирует белковые молекулы, пишет или диктует их длинные формулы. Понадобились десятилетия, понадобились тончайшие опыты над вирусами и микробами, чтобы раскрыть этот таинственный механизм, устроенный на редкость целесообразно и надежно.

Прежде всего надо было изучить строение молекулы ДНК. Этим занимались в сотнях лабораторий.

Первыми добились успеха англичанин Крик и американец Уотсон, работавшие совместно в Англии. Они разгадали структуру молекулы ДНК и построили ее модель. За эту работу им присудили Нобелевскую премию.

Молекула ДНК устроена проще белковой. Две длинные нити (одну полушутливо называют Криком, вторую — Уотсоном), скрепленные между собою перекладинами. Все это сооружение закручено на манер винтовой лестницы. Каждая ее перекладинка составлена из двух азотистых оснований: аденина (А) в паре с тимином (Т) и цитозина (Ц) с гуанином (Г). Азотистые основания названы нуклеотидами.

Что, если молекула ДНК при помощи своих четырех букв — нуклеотидов (АТЦГ) строит белковые молекулы, устанавливая на отведенное ей место каждую аминокислоту? Смелая, сногсшибательная догадка. Многим казалось, что высказана она в «порядке бреда», как иногда выражаются ученые.

И вправду. Белки строятся из двадцати аминокислот. Это — полный набор готовых элементов. А ДНК состоит всего лишь из четырех букв-нуклеотидов. Да, но ведь азбука Морзе насчитывает только два знака — точку и тире, а с ее помощью можно передать любой текст. А у ДНК целых четыре знака. Из них для каждой аминокислоты можно комбинировать свой символ, свой кодовый знак.

Значит, природа имеет код? Опять невероятно, опять — «в порядке бреда».

И вот самое невероятное подтвердилось опытами. Начальный шаг сделал молодой американский биохимик Маршалл Ниренберг. Ему удалось расшифровать первую строчку кода. Впервые он рассказывал о своем открытии в Москве, в 1961 году на Международном биохимическом конгрессе. Ныне наука располагает кодовой таблицей, добытой у природы упорнейшим трудом. Это шифр жизни.

У истоков открытия стояли вирусы. Именно опыты с ними дали ученым первоначальный толчок. Теперь наука знает, что в генах записаны, зашифрованы планы строения белков. Наука подтвердила опытами, что ДНК гена отвечает за происхождение, развитие и форму всех частиц любого живого вещества. Узнано даже, с какой скоростью идет, под контролем ДНК, сборка белковой молекулы. Полторы минуты— и самая сложная в природе молекула готова.

Соучастие вирусов в научных открытиях не ограничивается расшифровкой биохимического кода. В природе обнаружен поразительный способ передачи наследственных свойств, наследственной информации, как теперь говорят. Умеренный фаг, с которым мы уже знакомы, проникая в бактериальную клетку, переносит в нее часть генетического (наследственного) материала другой бактерии, в которой проживал раньше. И бактерия, получившая молекулы нуклеиновой кислоты другой особи, приобретает новые свойства — иногда весьма опасные для человека и других организмов, иногда полезные, нужные. Подобный способ перестройки живого создания открыт пока только у бактерий и актиномицетов — лучистых грибков. Не правда ли, фаг в данном случае работает как пчела, переносящая на лапках пыльцу с цветка на цветок! Подумав, мы, впрочем, придем к выводу, что сравнение это чисто внешнее. Пчела попутно, механически, переносит целые семенные клетки с одного растения на другое. Никакого отношения к собственной ее жизнедеятельности это не имеет — прилипла пыльца на одном цветке, отвалилась на другом, на третьем.

Фаг же связан кровно с бактериальной клеткой, он становится частью ее.

Подсмотренный у природы способ перенесения наследственного материала от бактерии к бактерии (он назван трансдукцией) уже используется человеком. При помощи трансдукции удается превратить неподвижные бактерии в подвижные, неядовитые в ядовитые, незаразные в заразные. Иногда возникают особи, не известные вовсе в природе.

Возбудителю мышиного тифа с помощью фага передали некоторые новые качества от микроба, вызывающего брюшной тиф у человека. Возбудитель дизентерии при помощи фага вдруг научился… разлагать молекулы. Бактерии получают новые профессии, например принимаются вырабатывать нужные человеку химические соединения.

Фаг в руках исследователя либо врача нередко становится ищейкой. С его помощью удается в трудных случаях безошибочно поставить диагноз. Это стало очень важным в последние годы, когда под влиянием новых лекарств иные заразные бактерии изменили свои повадки и вызывают нетипичные формы болезни. Подобная диагностика основана на том, что фаг поражает только одну, свою бактерию, чужую он не тронет. Скажем, у больного, страдающего желудочно-кишечными расстройствами, подозревают одну из форм дизентерии. Но подозреваемого микроба не удается уличить. Тогда в бульон, на котором он размножен, пускают каплю жидкости, содержащей фаг. Заведомо известно, что именно этот фаг, и только он, поражает подозреваемую бактерию. И если подозрение верно, то бульон быстро осветлится — фаг растворит «свои» бактерии.

В одном английском городке долгое время наблюдались случаи заболевания брюшным тифом. Врачи установили, что заражаются люди, посещающие дешевый ресторанчик. При этом у всех заболевших находили один и тот же вид брюшно-тифозной бактерии. Кто же заносит заразу? Ни хозяин ресторана, ни его персонал не болели. И все-таки бациллоносителя нашли. Это был повар, у которого в кишечнике мирно обитали те самые бактерии, которых находили у всех заболевших жителей городка. Если бы не фаг, то разносчика болезни вряд ли удалось бы обнаружить. Ведь сам повар, конечно, не подозревал, что он источник беды. Сличить бактерии при помощи микроскопа невозможно. Дело в том, что возбудитель брюшного тифа имеет около семидесяти разновидностей. Различить их могут только фаги, их тоже семьдесят видов — на одного лишь возбудителя брюшняка…

В природе широко распространены стафилококки — микробы, образующие скопления, схожие с виноградной гроздью (по-гречески «стафило» — виноградная гроздь). Стафилококки — виновники многих, нередко весьма опасных, заболеваний. Например, золотистый стафилококк, прозванный «золотистым убийцей», вызывает пищевые отравления, он же разносчик карбункулов, фурункулов. Но есть множество и безвредных, мирных стафилококков. Достоверно отличить опасного стафилококка от мирного обычными средствами почти невозможно. И тут на помощь приходят фаги — одни из них истребляют только вредных стафилококков, другие — только безвредных.

Совсем недавно, в начале шестидесятых годов, в Милане и Нью-Йорке почти одновременно было открыто интересное явление. Фаги, уничтожающие кишечную палочку (кстати, палочка — наш союзник, она оберегает нас от возбудителей кишечных заболеваний), были пущены в культуру этой бактерии. Фаги устремились в атаку на бактерий, но почему-то поражали одни палочки, обходя другие. Выяснилось, что фаги атакуют только мужские особи (у бактерий тоже есть пол), щадя женские. Так удалось, при помощи фагов, отличить женские бактерии от мужских.

Фагу нашлась работа и вне Земли. Еще до человека он совершал орбитальные полеты на советских космических кораблях. Вместе с дрозофилами, различными растениями, вместе с одноклеточными водорослями и другими организмами фаги служили своего рода приборами для изучения околоземного пространства, В космос посылали умеренных фагов, живущих мирно внутри бактерии и даже защищающих ее от вторжения активных вирусов, которые несут клетке быструю гибель.

Бактерии, зараженные умеренными фагами, доставили из космоса такие сведения, которые вряд ли могли быть добыты иным путем. На больших высотах, вдалеке от Земли, человека подстерегают вредные для организма, кое-где, может быть, даже смертельные излучения. Какова сила излучения на разных высотах?

Мы знаем, что умеренный фаг при облучении бактерий становится активным и уничтожает, растворяет приютившую его клетку. Известно, при каких дозах облучения мирный фаг превращается в хищника. После приземления корабля ученые подсчитывали, сколько фагов вышло из клеток, растворив их, и на этом основании вычислили силу излучения. Показания других существ были менее точны. Например, на дрозофил действуют в полете не только излучения, но и вибрация — дрожание, колебания разных частей корабля. Бактерии, зараженные фагом, такому воздействию не подвержены. Они показывали влияние самых малых доз космических лучей на нуклеиновую кислоту, на то вещество, которое определяет наследственные свойства.

Фаги до конца еще не изучены, многое в их поведении загадочно. Но человек нетерпелив. Он уже определил эти удивительные создания природы к себе на службу.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀