Трансформация у бактерии

Слышишь названий бесчисленный ряд,
И варварским звуком
Множества странных имен
Твой поражается слух
Иоганн Вольфганг Гёте

Мне очень хотелось бы приводить как можно меньше терминов и скучных определений. Но ничего не поделаешь. Как только наступает пора рассказывать о новых опытах, требуются и новые термины.

В этой связи мне вспоминается заседание секции генетиков в 1966 году. После того как много лет в нашей стране не преподавали генетику в вузах, не вели исследовательских работ по генетике и, наконец, когда генетиков в стране почти не осталось, при Московском обществе испытателей природы была создана секция генетиков. На первом же заседании большая аудитория Зоологического музея МГУ была буквально забита людьми, особенно молодежью. Одни пришли «поглазеть» на жизых морганистов (председательствовал Н. П. Дубинин, а в президиуме сидели самые уважаемые генетики страны), вторые - чтобы решить по-деловому, как, когда и где начать свои исследования — сейчас сказали бы «скоординировать свои усилия»,— а третьи (особенно молодые участники секции) искренне хотели познакомиться с генетикой.

Но как только докладчики начали говорить на своем «генетическом языке», выявилось самое неприятное: язык был труден, понять его было невозможно без тщательной подготовки. Тогда и родилась мысль организовать курс лекций по генетике. Одну из первых лекций В. В. Сахаров начал словами: «Наука начинается тогда, когда появляются точные термины. Без терминов нет науки, как нет языка без слов». Довольно скоро мне пришлось самому удостовериться в том, насколько это верно. Я пропустил одну из лекций по генетике микробов. И когда на следующем заседании читался доклад о закономерностях генетических процессов у микроорганизмов, я сидел и с ужасом чувствовал, что смысл доклада запечатан для меня на семь замков. Трансформирующие агенты путались с трансдуцирующими фрагментами, коньюганты с сегрегантами... Пришлось уйти и сесть за учебники. И лишь спустя много лет, уже работая с микробами, я подружился со «страшными» терминами.

Мы с вами приступаем сейчас к знакомству с новым миром живых существ. Всякая новая страна загадочна, тем более такая обширная и вездесущая, как мир микробов. Вступая в нее, нам придется начать с азов. Для начала познакомимся с явлением трансформации у микробов.

Есть микроб пневмококк. Пневмококки бывают разными: у одних оболочка толстая, и их за это называют капсульными, у других она тонкая — их именуют бескапсульными. Часть пневмококков вызывает у зараженных ими животных болезни, и такие пневмококки называют вирулентными, другие же оказываются безвредными, то есть авирулентными.

Микробов, в том числе и пневмококков, можно легко убить разными способами, например нагреванием. В 1928 году английский бактериолог Ф. Гриффит изучал болезни, вызываемые пневмококками. Он вводил мышам разные типы бактерий и смотрел, как при этом будет развиваться болезнь. Затем убивал бактерии теплом и вводил другим мышам порции убитых микробов. Как и следовало ожидать, мертвые пневмококки болезнь не вызывали. Но однажды Гриффит поставил опыт иначе. Он решил впрыснуть мышам одновременно суспензию живых безвредных и убитых вирулентных бактерий. Результат можно было предсказать на основании предыдущих опытов. Болезнь могли вызывать только вирулентные бактерии, но они были обезврежены, так что никакого эффекта от таких «прививок» ждать не стоило. Но, к удивлению исследователя, все его мыши погибли.

Опыт Гриффита. При заражении кроликов прогретыми капсульными бактериями или бескапсульными животные не погибали.
Но при смешанном заражении прогретыми капсульными и бескапсульными бактериальными клетками кролики погибали.
Этот опыт был первым, доказавшим возможность передачи генетических признаков у бактерий.
Впоследствии было установлено, что передача осуществляется с помощью ДНК.

Растерянный Гриффит не знал, что и подумать. Он повторил опыты, но с тем же успехом — мыши и на этот раз погибли. Тогда Гриффиту пришла в голову счастливая мысль: определить, какие же бактерии присутствуют в крови мертвых животных. Сделать это было нетрудно: в его опытах вирулентные бактерии были капсульными, а безвредные — бескапсульными. Ученый выделил из крови бактерии и измерил у них толщину оболочек. Результат промеров был поразительным: мышам вводились живыми только бескапсульные бактерии, а в крови живыми оказались и бескапсульные и капсульные. Убитые капсульные бактерии изменили бескапсульные формы, трансформировали их в болезнетворные капсульные формы. Но как ни бился Гриффит, выяснить, каким образом убитые бактерии смогли передать свои свойства живым, не сумел.

Загадка эта долго оставалась без ответа. В те годы считали, что наследственность связана с белковыми структурами, и потому Гриффит и его последователи искали белки бактерий, которые были бы ответственны за трансформацию, но поиски оказались тщетными.

Лишь спустя шестнадцать лет, в 1944 году, сотрудники Рокфеллеровского института медицинских исследований Освальд Эйвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти поняли, где была ошибка их предшественников. Те искали причину трансформации в белке, а она оказалась в другом компоненте клеток. «Главная цель работы, — писали они, — сводилась к попытке изолировать активное вещество клеток и, если удастся, определить его химическую природу или, по крайней мере, выяснить, к какому типу известных химических соединений оно относится».

Применив тончайшую методику, им удалось сконцентрировать агента, вызывающего трансформацию. Но его было очень мало: от 0,5 до 1 миллиграмма на один кубический сантиметр раствора. Вещество оказалось бесцветным, прозрачным в рассеянном свете и довольно вязким. Драгоценную жидкость поместили в холодильник и, беря небольшие порции, испытывали методами микроанализа. Прежде всего выяснили, как влияет на него замораживание, оттаивание, нагревание до 65°С в течение получаса или часа, затем определили количественное содержание в нем углерода, водорода, азота и фосфора. В общем, проделали массу анализов, пока не убедились, что перед ними сложная кислота, которая присутствует в ядрах клеток всех живых существ без исключения. Раньше это соединение называли тимонуклеиновой кислотой, а потом стали называть дезоксирибонуклеиновой кислотой, сокращенно ДНК.

Она давно была известна химикам, но на нее как-то не обращали внимания, полагая, что раз состав ДНК одинаков во всех клетках, никакого генетического смысла она не может нести.

Эйвери, Маклеод и Маккарти всеми способами пытались очистить трансформирующий агент. А вдруг ДНК — просто «пустая порода», а все «золото» находится в виде небольших примесей белка? Что, если после какой-нибудь очистки она потеряет свою трансформирующую активность? Но чем чище делалась ДНК, тем активнее шла трансформация. Наконец исследователи убедились, что дело именно в ней, а не в примесях или добавках.

Так был сделан первый шаг на пути признания роли ДНК в переносе генетической информации. Но хотя роль ядерной кислоты начала проясняться, способ, которым ДНК передавала наследственные признаки, оставался неизвестным. Конечно, большая часть ученых по-прежнему считала, что история с трансформацией — частный пример, и свято верила в генетическую роль белка. Но в это время к данным по трансформации прибавились факты по взаимодействию бактерий и бактериальных вирусов. Они также свидетельствовали: ДНК ответственна за наследственность!