Тайны открытий XX века - Александр Волков

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.

Рецепторы бактерии улавливают сигнальные вещества, выделяемые другими бактериями

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.