Микробы способны размножаться с ужасающей скоростью. Но лишь тогда, когда в их распоряжении имеется достаточное количество ресурсов. Они действительно не заполонили нашу планету только потому, что большую часть своей жизни голодают. Секреты их выживания во время бескормицы представляют огромный интерес для науки. Не так давно выяснилось, что иногда бактерии беспощадно травят самих себя. По мнению ученых, токсины, вырабатывающиеся для этой цели, могут принести огромную пользу человечеству.
Проиллюстрировать скорость, с которой способны размножаться бактерии, можно на примере кишечной палочки. Этот микроб создает свою точную копию каждые 20 минут. Таким образом, он, если описывать данный процесс самыми примитивными понятиями, всего за час может увеличить вес с одного пикограмма до восьми. Продолжите эту геометрическую прогрессию, и через сутки вы получите 4.7 миллиарда граммов. По прошествии 44 часов масса микробов сравняется с земной, а спустя 48 она перевесит все планеты Солнечной системы вместе взятые. Естественно, произойти этот кошмар не может никоим образом, так как бактериям для поддержания такого роста неоткуда брать не столько питательные вещества, сколько материю как таковую.
Когда у бактерий заканчиваются ресурсы, они испытывают стресс, замедляя свой рост и ограничивая активность. В эти непростые моменты жизни они ведут себя исключительно токсично. В самом буквальном смысле этого слова. Микробы вырабатывают яды, уничтожающие генетические механизмы производства белков или нарушающие стабильность внешней защитной мембраны. Размножение становится невозможным. В состоянии крайнего голода токсины способны даже убить бактерию. Несмотря на то, что у неё есть противоядие!
Использующиеся бактериями яды являются составной частью так называемой «системы токсин-антитоксин» (ТА-система). Микробы производят отравляющие субстанции на постоянной основе, но если внешний стресс отсутствует, они также вырабатывают противоядия, тем или иным образом подавляющие яд. Антитоксины контролируют ситуацию, чтобы их антиподы не наделали чего лишнего. Они, например, могут предотвратить образование отравы, расположившись в ДНК перед её геном. Также они способны «перехватывать» генетические инструкции по выработке токсинов, пока они не достигли «производственной» части клетки. Наконец, противоядия иногда воздействуют на своих оппонентов самым прямым образом – нейтрализуя их молекулы при непосредственном контакте. Антитоксины менее стабильны, поэтому в условиях стресса распадаются первыми. Яды в этот момент обретают полную свободу действий, но это на самом деле является благом для бактерии. Голод убивает потому, что организм не может получить достаточный объем питательных веществ для клеток, токсины же помогают микробам «расслабиться» и дожить до более сытных времен.
За последние сорок лет микробиологи, изучая ТА-системы, идентифицировали тысячи видов токсинов. Также были разработаны методики «внедрения» в эти механизмы с целью проведения тех или иных экспериментов. Возьмем, к примеру, систему ccdA/ccdB, отличительной особенностью которой является то, что она не дает бактерии считывать информацию собственной ДНК. Когда у микроба все в порядке с питанием, антитоксин ccdA крепко держится за яд, ccdB, блокируя его разрушительные наклонности. Однако в отсутствие противоядия отрава воздействует на белок, который называется ДНК-гираза.
Необходимая справка: при считывании генетической информации бактериальная клетка распрямляет и снова сворачивает спираль ДНК. Со временем это приводит к накоплению напряжения, что в конечном итоге может спровоцировать повреждение её нитей. ДНК-гираза отвечает за снятие стресса – она разрезает спираль, позволяет ей немного расслабиться, после чего сшивает снова.
CcdB блокирует ДНК-гиразу, мешая ей выполнять свою работу. Клетка теряет возможность считывать генетическую информацию и ремонтировать поврежденную ДНК. Для бактерии это, наверное, неприятно, но того же самого нельзя сказать об ученых, которые занимаются генной инженерией. Потому что для них это идеальная возможность вставить в ДНК микроба те или иные гены. Ученые берут штамм бактерий, который не использует пару ccdB/ccdA. После этого они создают участок ДНК, в котором закодирована генная информация яда (сcdB) и устойчивости к ампициллину.
После этого все бактерии в той или иной культуре, не имеющие этого отрезка, будут погибать под действием названного антибиотика. Однако и обладатели данного участка тоже не выживут, так как в нем есть токсин, и нет антитоксина. Прелесть метода в том, что сcdB является так называемым «заполнителем». На его место можно вставить любой ген, который интересен исследователям. По большому счету, яд здесь нужен только для проверки работоспособности экспериментальной ДНК. Ученые знают, что выжить после обработки ампициллином могут только те бактерии, у которых есть нормально функционирующий новый ген с сcdB и устойчивостью к антибиотикам.
В дальнейшем ученые надеются использовать ТА-системы в медицинских исследованиях. Некоторые эксперты считают, что их можно использовать для создания новых антибиотиков. Генеральная идея тут в том, что бактерии уже производят токсины, и мы могли бы воспользоваться этим, чтобы избирательно уничтожать болезнетворные микробы. В частности, это могло бы помочь в борьбе с туберкулезом – бактериальным заболеванием, очень трудно поддающимся лечению посредством вакцин и антибиотиков. При этом у его возбудителя наличествуют ТА-системы, и можно бы было попытаться разработать препарат, действующий в качестве своеобразной приманки. Он будет нести отраву, отвлекающую антитоксины бактерии, а собственный яд микроба будут довершать его уничтожение.
Естественно, чтобы совершить столь значимый научный прорыв, нужно гораздо глубже понимать ТА-системы и механизмы их функционирования у разных бактерий. Работа в соответствующем направлении продолжается. Пока же мы можем порадоваться, что описанные сегодня микробы научились сдерживаться и не стремятся поглотить все ресурсы, имеющиеся на нашей планете.
