Тайны открытий XX века

Вместе мы сильны — эту истину бактерии усвоили миллиарды лет назад и разработали отменные стратегии взаимодействия. Первая заповедь: надо общаться. Бактерии постоянно пересчитывают друг дружку. Но как? В последние годы исследователи пытаются понять язык «бактерий».

Они пришли побеждать

Первые жители Земли — микробы — появились около 3,8 миллиарда лет назад. В ту пору на планете практически не было кислорода, но им он был и не нужен. Два миллиарда лет они оставались единственными обитателями Земли. Со временем они изобрели фотосинтез, то есть научились превращать солнечный свет в богатые энергией углеводы. Начали вдыхать кислород. Заселили любую пригодную для жизни нишу — от глетчеров до гейзеров. Растения и животные не стали им конкурентами. Микробы изловчились создавать колонии внутри крупных организмов, процветая и размножаясь в этой богатой питательными веществами среде.

Симбиоз с некоторыми видами бактерий оказался выгоден и нам, людям: они помогают перерабатывать пищу, попавшую в кишечник. Другие же вечно досаждают нам. Они повинны в настоящей «гонке вооружений»: в фармацевтических лабораториях создают все новые, более изощренные лекарства. В каждом доме хранится целый арсенал оружия против микробов — домашняя аптечка, а их воинство все так же непобедимо. Микробы не хотят уступать ни пяди захваченного ими тела. Они проводят рекогносцировку местности, создают отряды самообороны, шлют вперед боевые дружины и по каждому поводу совещаются, совещаются — болтают без умолку.

Всего количество видов бактерий исчисляется несколькими миллионами, хотя ученые продолжают спорить о том, что означает понятие «вид» в царстве микробов. По принятым сейчас нормам, две бактерии относят к одному и тому же виду, если их ДНК совпадает на 70 процентов и более. Если применить тот же критерий к человеку, то гордое имя Homo sapiens должны по праву носить не только люди, гориллы и шимпанзе, но и, например, полуобезьяны: маки, лори и др.

В середине XX века, особенно после появления антибиотиков, дела микробов казались плохи. Многие инфекционные заболевания, сводившие в могилу миллионы людей, — туберкулез, холера, дифтерия и другие, — были почти побеждены. Но потом началось неожиданное. Все чаще смертоносные машины, созданные лучшими фармацевтами мира, давали осечку, стреляли в микробов, а попадали впросак. Микробы были живучее наших представлений о них. В сражении с ними медицинская махина стала пробуксовывать.

Начиная с 1980-х годов в промышленно развитых странах наблюдается рост инфекционных заболеваний. Так, сейчас в мире от заболевания одним лишь туберкулезом ежегодно умирает около 3 миллионов человек. А другие инфекции! Медики все чаще говорят о возможной пандемии особо опасной формы гриппа или чего-то подобного. Недаром такой переполох вызвала вспышка атипичной пневмонии. Потом заговорили о птичьем гриппе — опасности, казалось бы, поначалу далекой, но вот уже с лета 2005 года знакомой и нам, россиянам.

А микробы все продолжают что-то затевать; их колонии разрастаются; их коалиции становятся все сплоченнее. Каждое из их государств надеется — на свой лад — «покорить весь мир», то есть занять все возможные уголки тела, в котором они гнездятся, а если рядом окажется другое тело, то перепрыгнуть, перелететь в него — как в древности люди «перепрыгивали, перелетали» с одного острова на другой, понемногу покоряя весь мир. Так, по подсчетам биологов, при одном только поцелуе люди передают друг другу до 40 тысяч бактерий.

В этих городах не ступала нога человека

С середины 1990-х годов в войне с микробами ученые применили новейшее разведывательное средство — лазерный микроскоп. Так впервые открылась жизнь микробов во всей ее обыденности и разнообразии.

До этого считалось как? Бактерии — крайне примитивные организмы. Каждый их вид живет изолированно друг от друга и размножается среди себе подобных. Собственно говоря, так и было… в научных лабораториях, где каждому виду бактерий отдавался во владение свой дворец из стекла или металла — свой лабораторный сосуд. В природе, как показали недавние наблюдения, все наоборот. Микробы действуют на удивление сообща. Возможно, в этом — залог их непобедимости.

По словам американского микробиолога Уильяма Костертона, картина, увиденная им в лазерный микроскоп, напоминала «Манхэттен ночью, когда подлетаешь к нему на самолете». Посреди вязкой бактериальной пленки высились «небоскребы» из микробов, достигавшие 200 микрометров в высоту (обычный размер бактерий — 1 — 10 микрометров). Из дома в дом по целой сети каналов бесперебойно подавались ферменты, питательные вещества и молекулы кислорода, выводились отходы жизнедеятельности микробов. Целые полчища крохотных организмов — бактерии, простейшие, вирусы — слонялись по улицам этого «мегаполиса» и пожирали все, что им попадалось. В этом «городе» встречались и редкие «чужеземцы» — черви, грибы, водоросли, миниатюрные клещи и личинки насекомых.

Исследования показали, что обитатели подобных «городов» придерживались принципа разделения труда. Там, например, жили бактерии, которым кислород вреден; у них был штат «телохранителей», защищавших их от этого яда. Без них они бы погибли. Кислород же отводился по каналам «МикробОксигенСети» в те районы города, где жили давние его потребители.

… Подобные колонии, получившие название «биопленок», стали обнаруживать всюду: на камнях и рифах, на растениях и памятниках, на стенках водопроводных труб и стеклышках контактных линз. Особенно прижились они в медицинских приборах: искусственные клапаны сердца и тазобедренные суставы, протезы и катетеры часто кишат колониями бактерий. Немудрено, что у многих пациентов больниц развиваются воспалительные процессы — они страдают от «госпитальных инфекций».

Сто двадцать тысяч лет одиночества

Бактерии — удивительные мастера выживания. Вот лишь некоторые открытия, сделанные в 2003 — 2004 годах.

Во время международной экспедиции в Саргассовом море — этой пустыне, лежащей посреди Атлантического океана, — было обнаружено около 1800 неизвестных прежде микробов. Генетики выявили у них более 600 генов, отвечающих за работу фоторецепторов. Очевидно, солнечный свет играет в экосистеме морей куда более важную роль, чем считалось прежде.

Американские исследователи отыскали в одном из горячих источников на дне Океана микробы, которые могут выдержать температуру до 130°С. До сих пор не был известен ни один организм, способный выдержать такую жару. Любопытно, что врачи стерилизуют операционные инструменты при более низкой температуре.

Микробы готовы жить в щелочах. Так, американские ученые выявили колонию бактерий, угнездившуюся в среде с водородным показателем 12,8. С таким же успехом она могла бы процветать в едком натре.

Среди кислотолюбивых микробов долго первенствовала Thermoplasma acidophilum — она выживала при кислотности, равной 0,4. В середине 1990-х годов было установлено, что бактерии рода Picrophilus могут размножаться в среде с водородным показателем равным 0, то есть при максимально возможной кислотности.

Некоторым микробам нипочем и радиация. Так, бактерии рода Geobacter способны превращать уран в его оксид — уранинит. Это вещество не растворимо в воде, поэтому его легко можно собрать и тем самым очистить зараженную территорию. В опыте исследователей из Массачусетсского университета популяция бактерий за 50 дней превратила в уранинит 70 процентов выделенного им урана.

Американские исследователи обнаружили в пробах льда, взятых в Гренландии на глубине 3000 метров, — там, где лед частично смешался с вечной мерзлотой, — многочисленные колонии микробов: всего около 40 видов. Поражал их возраст — не менее 120 тысяч лет. Некоторые из них, попав в лабораторию, стали размножаться; только делали это раз в пять медленнее, чем обычные микробы. Возможно, они размножались даже в толще льда, но очень медленно.

Они выжили в самых необычных условиях: на холоде, при почти полном отсутствии кислорода и питательных веществ, при очень высоком давлении. Такие микроорганизмы могли бы населять Марс или спутник Юпитера — Европу.

Пока биологи не могут понять, как выжили эти микробы. Возможно, они пребывали в спячке. Исследования показывают, что микроорганизмы могут выжить в глыбе морского льда при температуре до -40 “С. Лишь тогда замерзает тончайшая водяная оболочка, окутывающая микроб, и кристаллики льда разрезают его. До этого он борется за свое существование, выделяя определенные протеины.

Ученые обратили внимание также на то, что почти все найденные бактерии гораздо меньше обычного: их длина не превышает 0,2 микрометра. Некоторые представляют собой аномальные образцы обычных микробов, и аномальность их вызвана теми суровыми условиями, в которых они оказались. Другие, возможно, таковы по своей природе. Можно только гадать, какими свойствами обладают эти микробы, вернувшиеся с холода.

Бактерия становится батарейкой

Мы открываем все новые способности микробов. Одни — бактерии рода Rhodococcus — выращивают в водном растворе золота крупицы драгоценного металла размером, правда, всего несколько нанометров.

Другие могут вырабатывать полимеры. Так, в бактериях Ralstonia euthropia при избытке пищи, содержащей углерод, образуются молекулы полигидроксиалканоата — вещества, которое обладает теми же свойствами, что и термопласт, но зато, выброшенное на свалку, полностью перегнивает, как жухлая листва. Сейчас ДНК этой бактерии полностью расшифрована. Ученые намерены внедрить ее гены некоторым культурным растениям. Тогда биопластик можно было бы получать из картофеля или кукурузы. По-видимому, из него будет изготавливаться упаковка для продуктов питания. Биопластик произведет революцию и в медицине.

Третьи бактерии готовы вырабатывать электрический ток. Идея использовать их для производства тока не нова; ей уже лет сорок. Известно, что кишечные палочки выделяют из сахара водород. После ряда химических реакций возникает поток электронов, который, впрочем, настолько мал, что его невозможно использовать в промышленных целях. И все же у этого метода есть свои перспективы.

Немецкий химик Уве Шредер предложил покрывать электроды особым полимером — полианилином, который отлично проводит ток. По расчетам Шредера, при использовании подобных электродов раз в десять возрастет поток электронов, а мощность тока будет достаточна, чтобы приводить в движение вентилятор. С помощью бактерий можно вырабатывать ток на очистных сооружениях, а также получать его из компоста и свалок мусора.

Дерек Ловли и Свадес Чодхури из Массачусетсского университета использовали для выработки тока бактерии Rhodoferax ferrireducens, живущие на морском дне. Эффективность выработки тока повысилась. Теперь не нужна промежуточная стадия — получение водорода. Бактерии окисляют сахар, и выделяющиеся при этом свободные электроны начинают движение к графитовому электроду. КПД такого устройства, как сообщает интернетовский журнал «Nature Biotechnology», достигает 80 процентов.

Бактерии-энергетики не очень разборчивы в выборе пищи. Они могут потреблять глюкозу, фруктозу, обычный рафинад и даже ксилозу — древесный сахар. Чодхури и Ловли убеждены, что из отходов сахарного производства со временем можно будет вырабатывать ток.

Смысл консенсуса — в кворуме

Итак, бактерии живут колониями, выстраивая свои «муравейники» повсюду. В этих крепостях они лучше одиноких собратьев защищены от солнечного света, ветра и радиоактивного излучения. Но раз они поселяются колонией, им надо общаться друг с другом. Как?

Еще в 1960-е годы ученые выяснили, что микробы могут обмениваться информацией. К этому выводу пришли, исследуя поведение морских светящихся бактерий Vibrio fischeri. Эти микробы паразитируют в органе свечения каракатицы и — «в награду за гостеприимство» — излучают свет. Благодаря «фонарику», вросшему в тело, каракатица находит пищу и высматривает врагов.

Однако светиться есть смысл, когда колония бактерий достаточно велика. Одиночные огоньки микробов ей, каракатице, не нужны. Они хороши, когда сливаются в мощный луч прожектора. Но откуда бактерии знают, сколько их?

Ответ был найден лишь в 1990-е годы. Стало ясно, что бактерии для подсчета сородичей используют особую систему связи — так называемый Quorum sensing. В политике кворум — это минимально допустимое число участников собрания, при котором оно правомочно принимать решения. Кворум определяют, сверяясь со списочным составом.

Бактерии оказались по-настоящему «коллективными животными». Они быстро замечают, много ли микробов находится по соседству. Когда их скопление достигнет определенной величины, их поведение резко меняется.

Свой кворум бактерии подсчитывают химическим путем, выделяя сигнальные вещества — феромоны. Их концентрацию они измеряют с помощью специфического рецептора. Пока феромонов мало, — а значит, и микробов мало, и действовать сообща им невыгодно, — этот рецептор бездействует. Но весточка летит за весточкой, подтверждая: «Мы вместе!» Если бактерий собралось здесь достаточно много, то сигнальные молекулы, выделенные соседями, постоянно достигают их. И вот от былой благочинности нет следа. Начинается шабаш.

Что полезно для колонии микробов, то смертельно опасно для человека. До определенного времени бактерии уживаются с ним. Как только «кворум» достигнут, срабатывает рецептор: и каракатица светится, и, — речь уже о бактериях, поселившихся внутри нас, — вся колония окутывается слизистой пленкой, защищающей ее от антибиотиков, или дружно выделяет токсин, от которого человеку становится плохо. Вот так и толпа людей, достигнув некоего предела, начинает коллективно действовать, выпуская в окружающую среду свой яд — кипучую ненависть к властям, врагам, инородцам. Quorum sensing! Ничто человеческое микробам не чуждо…

Теперь становится ясно, почему бактерии, сколько мы их ни травим, — а в фармацевтике одно супероружие спешит сменить другое, — хилее не становятся. Ведь сообща обитатели «городов-биопленок» в тысячи раз устойчивее к действию антибиотиков, чем одинокие «микробы-хуторяне», затерявшиеся в бесконечных далях человеческой натуры. Антибиотики, хоть и проникают внутрь биопленки, не истребляют там всех микробов. Выживают сильнейшие. Их потомки становятся основным населением колонии, а значит, та будет куда опаснее, чем прежде.

В 2002 году американские микробиологи Элиана Дренкард и Фредерик Осьюбел опытным путем убедились, что из безобидных бактерий можно путем впрыскивания в их колонию нескольких доз антибиотика получить опасных возбудителей заболеваний. Даже когда от колонии микробов остается несколько особей, это не помогает. Вскоре вырастет колония «продвинутых микробов», способных не погибнуть от лекарств. Да, их не истребишь как каких-нибудь квагг или стеллеровых коров. Даже если бы — вообразите себе! — мы могли стрелять по микробам из ружей, наверняка появилась бы популяция микробов, покрытая броней.

И бактерии нарушают процедуру голосования

С тех пор как мы узнали, что опасны не микробы сами по себе, а их кворум — их роковое количество, — стало ясно, что и бороться с ними можно иначе. Нам нужны лекарства нового типа — не антибиотики, которыми невидимую рать стараются извести подчистую, а — назовем их так — «дезориентирующие» лекарства. Надо не уничтожать бактерии, а мешать им общаться друг с другом и подсчитывать кворум. Пусть микробы, даже образовав крупную колонию, по-прежнему верят, что разобщены. Пусть не догадываются, что им пора переходить в атаку. Значит, надо найти те особые вещества, которые подавляют химические сигналы микробов. Те остаются живы, хоть и беспомощны. Но для этого надо досконально понять тайный язык микробов.

Возможно, когда лекарства нового типа будут найдены, они окажутся универсальными. Ведь выяснилось, что многие виды бактерий используют в общении одни и те же сигнальные молекулы. Если помешать выделению этих молекул, наступит «немая сцена». Армия бактерий будет ждать команду: «В ружье!» — и не дождется ее.

Ключевую роль в общении микробов играют определенные сигнальные молекулы. Какие? В 2003 году удалось обнаружить, по-видимому, весьма важную в биологическом микромире молекулу — так называемую Autoinducer 1-2. Это своего рода «пиджин-инглиш» микробьего царства — язык межвидового общения. На нем, как установлено, общаются между собой не менее полусотни различных видов бактерий, в том числе кишечная палочка (Escherichia coli).

Фредерик Хьюджсон и его коллеги из Принстонского университета сумели даже поймать эту молекулу с поличным. На бактерии Vibrio harveyi они обнаружили рецептор, к которому и пристыковывалась 1-2. Работа была не из легких. Представьте себе огромный авторынок — это будет наш рецептор. Он состоит из нескольких тысяч атомов. Одна машина на нем — всего 16 атомов! — это и есть 1-2. Дальнейшие исследования показали, что эта молекула содержит, например, атомы бора. Давно известно, что данный химический элемент каким-то образом воздействует на живые организмы. Как именно, было неясно. Теперь мы начинаем понимать, что бактерии (хотя бы некоторые из них) пользуются этим веществом в общении друг с другом. Зная это, можно не давать им поговорить. Тому есть примеры в живой природе.

Некоторые виды водорослей выделяют фураноны — вещества, которые мешают образованию на стеблях налета бактерий. Подобную стратегию микробиологи хотят использовать и в борьбе с возбудителями болезней, например, с холерными вибрионами. Нужно понять лишь, какими веществами удастся подавить активность сигнальных молекул. Так, Ханс-Курт Флеминг из Дуйсбургского университета предлагает использовать протеазы — ферменты, расщепляющие протеины. Если сигнальные молекулы будут распадаться, то и «перепись населения» в мире бактерий не состоится.

Другой метод борьбы — найти вещества, которые деформируют сигнальную молекулу; она не пристыкуется к рецептору бактерии. Так «посол войны» превратится в посла с «китайской грамотой», которую нормальный микроб не сумеет прочесть.

Еще одна идея родилась после того, как в 2004 году был расшифрован геном микроба Bdellovibrio bacteriovorus. Этот микроорганизм — по своей природе хищник, но атакует не клетки высших организмов, а лишь бактерии. Он проникает внутрь микроба и пожирает его, а затем делится почти на полтора десятка клеток, которые тут же отправляются на охоту.

«Враг моего врага — мой друг». Эта истина инвариантна — она применима как в мире людей, так и в мире микробов. Ученые уже прозвали в шутку этих бактериоедов «живым антибиотиком». Вот только не станет ли шутка дурной? Не окажутся ли некоторые бактерии устойчивы к атакам микробов-убийц? И не приведет ли это к появлению новых, особенно стойких микробов, которые никаким хищникам не по зубам?

Если же надежды ученых сбудутся, то в медицине произойдет качественно новый скачок. Не секрет, что операции по протезированию или трансплантации органов нередко проходят с осложнениями. Возникают воспалительные процессы. Если же удастся помешать образованию бактериальных пленок на протезах и имплантатах, то эти операции получат самое широкое распространение. Пару веков назад простое переливание крови было своего рода «русской рулеткой». В будущем же и пересадка органов может стать чем-то вроде зубного протезирования. Как полагают исследователи, наши успехи в изучении тайного языка микробов позволят нам наконец контролировать развитие эпидемий.