Физик, подаривший биологам царство

Как физик навел порядок в микробиологии, как было свергнуто «двоецарствие» в микромире, как РНК ловили с поличным по «отпечаткам пальцев», как рибосомы получили скелет и где у бактерий сэндвичи и бутерброды, рассказывает сегодняшний выпуск «Истории науки».

Примерно 70 лет назад американский студент немецкого происхождения изучал физику и математику в Амхерстском колледже в штате Массачусетс. Тогда еще никто не знал, что в будущем он перевернет представления о мире живого. Молодой человек год изучал биохимию в качестве дополнительного курса, но, как сам признавался, «не испытывал никакого интереса к растениям и животным». Но тут один из его преподавателей по физике, Уильям Фейрбанк, разглядел талант студента и предложил ему соединить биологию с физикой, поступив на биофизику в Йель.

Будучи аспирантом, Карл занимался вирусами – искал пути их разрушения с помощью тепла и ионизирующего излучения, чему и посвятил свою кандидатскую. Но вирусы даже живыми назвать нельзя в прямом смысле этого слова. На древе жизни им не выделяют собственных ветвей – так и существуют они без царства (и без домена — то есть, надцарства), хотя в их защиту выступает группа ученых, в том числе, открывшие гигантский клоснойвирус, у которого есть некоторые элементы для самостоятельного синтеза белка, а не только инструкция в генетическом коде. Но все же четвертое надцарство в наши дни – это что-то из области фантастики. Однако во времена молодости Везе их и вовсе было только два.

Прошли века после того, как все меньшее, чем мы можем увидеть, считали «анималькулями», преимущественно насылающими на нас болезни и портящими продукты. Даже сам Левенгук уже начал понимать, как важны и полезны бывают микроорганизмы даже для пищевой промышленности: кисломолочными продуктами и поднимающимся тестом мы тоже обязаны им. Позже антропоцентрический взгляд сместился на более широкую перспективу: микроорганизмы обитают повсюду, населили Землю задолго до развития многоклеточности и значат они для круговорота веществ на планете много больше, чем все остальные, вместе взятые.

Изучая внутреннее строение клеток, исследователи разделили их на содержащие ядро (эукариоты) и не имеющие его (прокариоты, буквально – «доядерные»). Эукариоты, более близкие и «понятные» нам, были более систематизированы. Неудивительно: чтобы начать классифицировать хотя бы самых больших из них, не нужен был ни микроскоп, ни умение читать геномы. Прокариотам – группе, которую раньше считали синонимичной группе бактерий, повезло меньше: они выглядели как свалка всего, что однозначно живое (в отличие от вирусов), но не имеет ядра (в отличие от эукариот). Но чтобы представить масштабы этой несуразности, нужно было владеть соответствующими методами, которых до середины XX века не существовало.

Что могли сделать ученые для классификации того, что и увидеть не так просто? Одним из методов стало предложение красить бактерии разными способами и смотреть на них в световой микроскоп. Эта нехитрая методика, придуманная датским биологом Хансом Христианом Грамом, неожиданно попала в цель. Часть бактерий красилась генцианвиолетом, который не смывался спиртом, остальные можно было сделать розовыми с помощью сафранина (название пошло от арабского слова «шафран»).

Причем, как выяснилось гораздо позже, это различие было не внешним, а глубоко фундаментальным: грам-положительные, остававшиеся фиолетовыми, отличались от грам-отрицательных по строению своей оболочки. Если у первых поверх мембраны есть толстый слой пептидогликана, известного как муреин (составное соединение, имеющее одновременно белковую и углеводную части), который и красится генцианвиолетом, то у вторых пептидогликаны были тоненькой прослойкой между двумя мембранами. Таким образом, у грам-положительных бактерий оказалась оболочка-бутерброд, где на «хлеб» мембраны намазан толстенный слой муреиновой слизи, то у грам-отрицательных «хлеб» был с двух сторон, защищая пептидогликан от окрашивания генцианвиолетом и делая всю конструкцию больше похожей на сэндвич.

Но все это сводилось больше к описанию: где живет бактерия, чем питается, как растет в лаборатории, как красится, какая у нее форма клеток. Этот подход никак нельзя было назвать полным.

Когда Карл Везе заинтересовался бактериальными спорами (не в смысле прений, а в смысле «уснувших» стадий для пережидания неблагоприятных условий), биологическая наука стояла на пороге прекрасной эпохи. В руки биологов попали генетические инструменты и методы изучения поведения важных биомолекул. Глазам биологов начала потихоньку открываться правда. Группа, известная как бактерии, оказалась на удивление неоднородной – настолько, что даже к прокариотам бактерии и археи одновременно относить оказалось неправильно (хотя некоторые школьные русские учебники до сих пор запросто относят их всех к бактериям).

Археи отличаются от бактерий тем, что слишком напоминают эукариот: несмотря на отсутствие ядра, маленький размер клеток, пептидогликана в стенке они не имеют, а вместо него их мембраны покрыты жесткой белковой «кольчугой». Сама же мембрана состоит из таких фосфолипидов, которых нет ни у бактерий, ни у эукариот. У некоторых архей обычный двойной слой фосфолипидов и вовсе заменен на одинарный. Археи чаще, чем бактерии, живут в самых, казалось бы, негостеприимных местах: горячих источниках, в слишком кислой или щелочной среде, могут получать энергию из метана, металлов, водорода, аммиака и других не очень съедобных на вид субстанций. Внутренняя жизнь клеток архей тоже необычна: их ферменты не близки ни бактериальным, ни эукариотическим. Однако все археи считались родственниками бактериями (многие из них по сей день носят архаические названия, например, галобактерии, которые на самом деле не относятся к бактериям).

После работы в лаборатории General Motors Везе перешел на кафедру микробиологии университета Иллинойса, где он останется до конца своих дней. Там изучали эволюцию прокариот. Поскольку биология уже пришла к мысли, что гены меняются с разной скоростью, что зависит от их важности, ученый догадался, что рибосомная РНК (составной элемент рибосомы – машинки для сборки белка внутри клетки) может послужить отличным хронометром эволюции. Поскольку синтез белка – ключевая способность клетки, меняется этот процесс очень медленно. Случайные мутации в столь отлаженном механизме скорее могут что-то испортить, чем улучшить, поэтому и скорость их будет очень маленькой. Причем у разных организмов она должна быть примерно одинаковой. Поэтому, глядя на различия в таких консервативных последовательностях, можно примерно определить, как давно разделились рассматриваемые группы живого мира.

Везе выбрал для сравнения сначала 5S-рибосомную РНК, однако этот фрагмент генетической информации был очень коротким – всего 120 букв-нуклеотидов. Поэтому в начале 1970-х он перешел на более крупную часть рибосомы – 16S-РНК, которая была длиной в целых полторы тысячи «букв».

Везе принялся изучать и сравнивать последовательности 16S-РНК из всех бактерий, которые только мог получить. Он использовал разработанный биохимиком Фредериком Сэнгером метод «фингерпринтинга» – «отпечатков пальцев», которые позволяют читать нуклеотидный текст РНК по распределению этой молекулы в электрическом поле. Годы работы не прошли даром: однажды Везе наткнулся на питающийся метаном организм, «отпечатки пальцев» которого не были похожи на привычный для бактериальных РНК узор. На основании своих исследований Везе с аспирантом Джорджем Фоксом в 1977 году опубликовал в Докладах Академии наук США сообщение, что архей и бактерий стоит разделить на два царства, относящиеся к разным надцарствам, добавив новую ветвь к древу жизни. Поначалу статья вызвала шквал негодования и критики: ученых даже называли противниками теории Дарвина. Но все больше и больше доказательств свидетельствовало в пользу такого построения, и только в начале двухтысячных годов «двоецарствие» среди прокариот было свергнуто, и на смену ему пришла более справедливая, тройная схема. Теперь вся жизнь делится на три домена: эукариоты (с царствами грибов, растений, животных и разными одноклеточными с ядром), бактерии (в который входит царство бактерий) и археи (куда относится царство архей).

Кроме этого достижения, которое само по себе довольно масштабно, Карл Везе внес большой вклад в изучение эволюции безъядерных организмов, дополнив знания о том, как работает «эволюционный хронометр» на основе рибосомной РНК. Он обнаружил и фрагменты рибосомы, которые почти не изменяются у всех организмов. В результате стало понятно, что рибосомная РНК, скорее всего, занимает место «скелета» этой клеточной структуры.

Поиски микроорганизмов для секвенирования (чтения геномов) позволили Везе найти новый подход к их изучению. Если раньше и культивировали в лаборатории и изучали то, что там вырастало, Везе предложил секвенировать все, что зачерпнулось в образце, а потом уже собирать прочитанные геномы, как конструктор. Это очень продвинуло геномику микроорганизмов, ведь лишь малая их часть может расти в лабораторных условиях.

Такой подход поставил микробиологию перед рядом новых вопросов, показал, насколько разнообразен мир живых организмов, и как важны одноклеточные «скрытые игроки» и «серые кардиналы» для экологии. «Бактерии – преобладающие организмы на планете, и по количеству, и по общей массе, и по важности для глобального круговорота веществ. Следовательно, микробная экология больше всего нуждается в развитии – и в смысле фактов, которые нужно понять, и в смысле подхода, который позволил бы их интерпретировать», – написал он в своей философской статье, которая стала практически его научным завещанием. Молекулярная биология, как показал Везе, открыла невиданные возможности развития новых и систематизации старых направлений наук о жизни – и нам еще только предстоит увидеть продолжение этой захватывающей истории, в которой Карл Везе написал несколько важных страниц.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.