Тропа предков: непобедимые бактерии

Каких-то 4 миллиарда лет назад на Земле в бульоне из химических реакций, большой вулканической активности и множества воды зародилась жизнь — прежде всего, благодаря аминокислотам и РНК. Процесс их сосуществования напоминал корпорации, которые конкурируют на одном рынке и настолько разрослись, что не могут уничтожить друг друга, а потому объединяются. Примерно то же произошло с РНК и аминокислотами — в итоге получился свойственный всем живым организмам генетический код.

Полтора миллиарда лет назад произошло еще одно судьбоносное событие: клетка с ядром проглотила «родню» нынешних бактерий, благодаря чему возникли эукариоты — в том числе и мы с вами. Впоследствии бактерии эволюционировали в митохондрии: энергетические станции в клетках эукариот. На этом пути эукариот и прокариот практически разошлись — хотя среди одноклеточных есть и те, и другие.

На данном этапе Одноклеточные отправились развиваться дальше и параллельно знакомиться с экспертами. Среди них — научный сотрудник лаборатории бионанотехнологий НГУ кандидат биологических наук Маргарита Романенко. Ей помогает аспират кафедры молекулярной биологии факультета естественных наук НГУ Михаил Карташов, который не единожды был в Африке, боролся с вирусом Эбола и другими опасными вирусами: про этих неодноклеточных нам тоже предстоит узнать на эволюционной прогулке.

— Как только вы почувствуете непреодолимое желание пообщаться с бактериями, берите пробирки и наливайте в них воду, — дает практическое задание Маргарита Романенко. — Потом окунайте туда ватную палочку, проводите ей по любой интересующей вас поверхности — листку, тропинке, коже — и мажьте взятой пробой по чашке Петри: главное, не сильно давить на стекло.

Желающие могут нарисовать бактериями любой рисунок или слово, и спустя пару дней в чашке уже вырастут молодые бактерии. Кстати, не все из них на это способны — на стеклянной поверхности проявится только небольшая доля микроорганизмов.

Так как у бактерий в процессе эволюции постоянно происходил обмен генами с разными живыми организмами — растениями, животными, одноклеточными, — следует проверить, действительно ли данные микроорганизмы обитают повсюду. Поэтому одному из Одноклеточных предстоит взять пробу у представителя тропы Насекомых — так, на всякий случай. А потом — обняться при встрече с другими группами, чтобы провести конъюгацию (обмен генами) со всеми остальными видами организмов.

Конъюгация проходит буквально за минуты: бактерия вытягивает к другой клетке свои пилии и забирает часть генетического материала. Однако это не единственный способ передачи информации от клетки к клетке. Другой вариант — трансформация: какая-то клетка видит «вкусный» фрагмент ДНК в окружающей среде и при определенных условиях встраивает его в свой геном — вдруг понадобится?

Также существует третий процесс под названием трансдукция: когда вирус, переходя из одной бактерии в другую, прихватывает с собой куски бактериального генома. Бактериофаг (или просто фаг), поражающий клетки опешившей бактерии, также впрыскивает в нее часть своей ДНК, однако ей вирусные гены могут оказаться даже полезными — для защиты в будущем.

В прошлом веке начала активно развиваться генетическая инженерия, и в рамках этого направления ученые обнаружили так называемые молекулярные ножницы, которые режут ДНК в строго определенной позиции — рестриктазы. Эти бактериальные ферменты распознают молекулу ДНК с определенным сочетанием нуклеотидов (обычно чужеродную ДНК фагов), «садятся» на нее и разрезают. Данный процесс удобен для молекулярных биологов: на нем построено создание ГМО.

Позднее обнаружилась другая система защиты бактерий. Ее основой являются особые участки генома — короткие палиндромные повторы или CRISPR. Между ними расположены уникальные последовательности или спейсеры: они словно карта памяти записывают информацию о вирусах, с которыми сталкивались предки бактерии. Так что если в бактериальную клетку снова проникнет чужеродная ДНК, она будет распознана специальным белком Cas9, который разрежет вирусную ДНК и запустит реакции, направленные на ее уничтожение.

Чем меньше разнообразие микробов в кишечнике человека, тем больше он болеет. Маргарита Романенко поясняет: именно поэтому детей не нужно держать в стерильности — они должны сталкиваться с разными бактериями и вырабатывать иммунитет. Источник такого разнообразия — свежие овощи и фрукты как питательная среда для бактерий кишечника. Еду из «Макдональдса» микробы не жалуют, так что постоянное потребление фаст-фуда закономерно приведет к снижению биоразнообразия.

Бактерии могут регулярно обмениваться генетическим материалом друг с другом: некоторые из этих живых организмов полностью обновили себя за все время существования. Поэтому бактерии быстро адаптируются к различным сложностям — в том числе антибиотикам: уже появились устойчивые ко всем их видам супербактерии. Так что через пару десятилетий это может оказаться большой проблемой для человечества.

…взять пробу с предводителя Насекомых и отправить ее в чашку Петри.

В ожидании тропы Людей участники решили взять пробу у собаки, которая совершенно не хотела возвращать ватную палочку незадачливым экспериментаторам.

Участники «Тропы предков» выстроились в эволюционное дерево: от одноклеточных до людей. Как заметил заведующий лабораторией в ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН доктор биологических наук Павел Бородин, за 4 млрд лет цепь ни разу не прервалась: все мы — наследники генов общего предка. А значит, наши прародители были самыми умными и изворотливыми, и делали все правильно.