Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексенко Алексей

Впрочем, перейдем к другим приемам, с помощью которых бактерии обмениваются генами. Второй называется трансдукция. За него отвечают вирусы-бактериофаги, которые иногда встраивают свой геном в хромосому бактерии, живут там некоторое время, а потом вырезают сами себя и начинают размножаться. Так вот, при вырезании они иногда могут по неосторожности прихватить кусочек бактериальной хромосомы с каким-нибудь геном. А потом такой вирус заразит другую клетку, встроится в ее геном и подарит ей новый ген. Одно время было принято думать, что трансдукция – чистая случайность и бактерии в ней уготована лишь пассивная роль. Но сейчас выясняется, что особые приспособления – «агенты переноса генов», или АПГ, – являются частью бактериального аппарата выживания и эволюции, и не всегда легко бывает определить, где там злой вирус, а где добрый механизм клетки-хозяина. Об этом хорошо прочитать в «Логике случая» у Евгения Кунина, благо по самой первой биологической специальности он именно вирусолог и лишь потом стал биоинформатиком-теоретиком.

Наконец, есть третий прием, очень изощренный, и он называется конъюгация. О ней мы немного говорили: бактериальные клетки соединяются мостиком из цитоплазмы, и по этому мостику от одной клетки к другой передается особый генетический элемент, F-фактор. Элемент часто передается сам по себе, и тогда это похоже на обычную инфекцию. Но бывает, что элемент встроен в хромосому, и тогда он начинает перетаскивать всю хромосому за собой (а другая копия хромосомы остается внутри клетки, так что никто не умирает). Весь процесс занимает около полутора часов, но, если встряхнуть колбу с конъюгирующими бактериями, он прервется раньше, и от донора к реципиенту перейдет лишь часть генов. А поскольку генетики знают, в каком именно месте хромосомы встроен F-фактор у их домашних питомцев – бактерий, они могут использовать этот фокус, чтобы составлять карты генов. Генетическая карта кишечной палочки размечена в минутах. Если какой-то ген успевает перейти в клетку-реципиент за 30 минут конъюгации (а за 29 не успевает), значит, этот ген расположен «на 30-й минуте генетической карты».

Конъюгация уже так похожа на секс, что есть соблазн думать, будто это он и есть. У инфузорий – сложных ядерных организмов – половой процесс тоже называется конъюгацией, потому что внешне похож на бактериальный: две клетки соединяются мостиком и через него обмениваются ядрами. Но у инфузорий эти ядра – продукт мейоза, почти что наши гаметы, и все это просто часть обычного полового процесса. К тому же все происходит симметрично, родители вносят одинаковый генетический вклад. А при бактериальной конъюгации есть ярко выраженные «мама» и «папа» (папой будем считать штамм, в котором был F-фактор и который инициировал все это безобразие). По окончании процесса папа остается с чем был, а мама может использовать папину хромосому, чтобы заменить ею кусочек своей. А может и не использовать. Так что это не совсем одно и то же.

Тут нельзя не сказать, что все эти способы перенесения генов из одного организма в другой используются биологами-экспериментаторами. Взять хотя бы ту же трансформацию: это один из способов засунуть чужой ген в клетку, чтобы сделать из нее, о ужас, генно-модифицированный организм. Сам я умею делать это с бактериями и грибами, причем у грибов это даже проще – идеологически, если не технически. Сначала, правда, надо удалить клеточную стенку гриба, состоящую из хитина и других полисахаридов, для этого кусочек гриба обрабатывают особым ферментом. А потом просто добавляем чужую ДНК, резко помещаем клетки в концентрированный раствор чего бы то ни было (это называется осмотическим шоком), et voila – ДНК уже внутри клетки.

А что потом? А вот что: если она внутри, то какая-то ее часть доберется до ядра и найдет место, где встроиться в хромосому. Более того: если взять для трансформации два разных сорта молекул ДНК, то по итогам они с некоторой вероятностью прорекомбинируют между собой, объединившись в одну молекулу. Это значит, что рекомбинация вообще не такая уж диковина: это вполне обычная судьба «диких» молекул ДНК в клетке. Скорее уж организму надо принимать меры, чтобы такого не произошло, потому что происходит это буквально само собой, а рекомбинация непонятно чего с твоей единственной и незаменимой хромосомой может повредить какие-то нужные гены.

На такой неутолимой тяге к рекомбинации построен смешной способ клонирования генов, который придумал мой коллега Дэвид Джемс, а я осуществил. Тут, кажется, опять надо сделать отступление и рассказать, что такое клонирование. Это слово биологи употребляют, когда надо описать, как из чего-то живого – к примеру, овечки – получается много его копий. Но гораздо чаще слово «клонирование» относится к генам, и тогда оно означает, что мы наделали много-много копий нужного нам гена, чтобы было проще его изучать. Обычно эта процедура начинается с того, что биологи делают «библиотеку», или «банк», генов. Для этого ДНК интересного нам организма рубят на кусочки, а потом зашивают эти кусочки в какую-нибудь молекулу-вектор. В этой молекуле обычно есть особые приспособления, чтобы она могла самостоятельно размножаться в клетках, а также маркер – ген, по наличию которого мы узнаём, что молекула вообще попала в клетку. Потом наш «банк» генов вводят в организм-реципиент с помощью той самой трансформации и, наконец, каким-то способом отбирают «клоны», в которых заключен тот самый интересующий нас кусочек ДНК.

Способ клонирования, который предложили мы с Дэвидом, получил название instant gene bank, то есть что-то типа «быстрорастворимый банк генов». Он устроен невероятно просто: не надо никуда зашивать никакие кусочки ДНК. Просто перемешиваем все компоненты – вектор, донорскую ДНК и клетки плесени с переваренной клеточной стенкой. Бабах! – и вот уже на чашках Петри растут нужные клоны, только выбирай. Почему это вообще работает? Да потому, что разные сорта ДНК, попав в грибную клетку, тут же бросаются рекомбинировать между собой, и никто не в силах им в этом помешать. Именно эту историю я и пытался рассказать в тот день Гвидо Понтекорво, намеренно ограничивая себя лексикой из сказки «Златовласка и три медведя», что, как мне казалось, было уместно в общении с пожилым человеком.

Пока читатели окончательно не запутались в побочных линиях повествования, вернемся к основному сюжету. Все эти подробности приведены здесь для того, чтобы намекнуть: ни слияние клеток, ни слияние ядер, ни рекомбинация не таинства, а повседневность. Они происходят повсюду на древе жизни и при самых разных обстоятельствах. Половой процесс у высших организмов просто систематизировал эти разрозненные наработки и объединил в стройную схему. Наверное, вот теперь все-таки пора рассказать, как именно он это сделал.

Arnold B. J., Huang I. T., Hanage W. P. Horizontal Gene Transfer and Adaptive Evolution in Bacteria. Nature Reviews. Microbiology. 2022. 20(4): 206–218.

Avery O. T., MacLeod C.M., McCarty M. Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Deoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III. Journal of Experimental Medicine. 1944. 79(2): 137–158.

Gems D., Aleksenko A., Belenky L., et al. An 'Instant Gene Bank' Method for Gene Cloning by Mutant Complementation. Molecular & General Genetics. 1994. 242(4): 467–471.

Johnston C., Martin B., Fichant G., et al. Bacterial Transformation: Distribution, Shared Mechanisms and Divergent Control. Nature Reviews. Microbiology. 2014. 12(3): 181–196.

Lang A., Zhaxybayeva O., Beatty J. Gene Transfer Agents: Phage-Like Elements of Genetic Exchange. Nature Reviews. Microbiology. 2012. 10(7): 472–482.

Pontecorvo G. The Parasexual Cycle in Fungi. Annual Review of Microbiology. 1956. 10: 393–400.

Virolle C., Goldlust K., Djermoun S., et al. Plasmid Transfer by Conjugation in Gram-Negative Bacteria: From the Cellular to the Community Level. Genes (Basel). 2020. 11(11): 1239.