Мікроби гарні та не дуже. Здоров’я і виживання у світі бактерій - Джессіка Снайдер Сакс
Ці новини зародили в медичній спільноті хибне відчуття безпеки. Якщо мутувати в бік стійкості до антибіотиків могла не більше ніж одна на 10 мільйонів бактерій, розв’язання доволі просте: завдавати подвійних ударів, вводячи два різні препарати одночасно. Шанси, що якась бактерія виявиться стійкою до двох різних антибіотиків, були мізерними: один на 10 мільйонів разів по 10 мільйонів, тобто на 100 трильйонів (1014). Проблема полягала тільки в тому, що бактеріальний світ, схоже, цього не чув. Уже наприкінці 1940-х і на початку 1950-х років у лікарнях та кабінетах лікарів почала проявлятися резистентність до багатьох препаратів одночасно. У деяких випадках ця резистентність, схоже, будувалася по одному антибіотику за раз, тобто штам, уже резистентний до одного антибіотика, виробляв підштам, здатний опиратися ще одному антибіотику. Хоч як дивно, деякі лікарі повідомляли, що стикаються з бактеріями, які, будучи абсолютно чутливими до стандартних антибіотиків, раптом ставали геть нечутливими до багатьох лікарських засобів. Більшість медичних експертів відкидали ці повідомлення як притягнуті за вуха.
Хоча в той час цього ніхто не усвідомлював, ранні роботи Ледерберґів уже натякали на багато незвичайних трюків, якими можуть скористатися «прості» бактерії для подолання можливих перешкод на шляху еволюції. Для початку ще в далекому 1946 році молодий і гарний 21-річний Джошуа здивував науковий світ заявою, що бактерії мають статеве життя. Це твердження здавалося безглуздим, оскільки в бактерій явно відсутні складні клітинні структури, які дозволяють більшим і складнішим організмам сортувати й ділити їхні гени на половинчасті набори, що містяться в яйцеклітинах і сперматозоїдах. Усі знали, що бактерії розмножуються простим розщепленням надвоє, даючи кожній «дочірній» клітині точну копію генів «батьківської» клітини. Така спрощена манера розмноження дозволяла одній-єдиній бактерії множитися швидко й у геометричній прогресії, досягаючи популяції в кілька мільйонів усього за лічені години або аж до мільярда впродовж дня.
Елегантний доказ Джошуа спирався на набір мутантних бактерій E. coli. Кожен із цих мутантів не мав здатності виробляти одну або більше різних поживних речовин. Тому розмножуватись вони могли лише на поживному середовищі, збагаченому вітамінами або амінокислотами, які самі виробляти були нездатні. Однак, змішавши різноманітні комбінації частково неповноцінних мутантів, Джошуа створив повністю функціональне «потомство», тобто бактерій, здатних виробляти всі поживні речовини, необхідні їм для чудового самопочуття на незбагаченому поживному середовищі. Якимось чином неповноцінні мутанти поєднали свої генетичні активи. У макроскопічному житті, від червів до людей, батьки діляться своїми генами через злиття яйцеклітин і сперматозоїдів. У чому ж полягає «статеве життя» у бактерій, не міг сказати навіть сам Джошуа.
Через два роки Естер таки вдалось отримати деяке уявлення про те, як відбувається статеве життя бактерій. Вона тоді працювала зі свіжим набором мутантів E. coli, коли вони раптом утратили свою здатність «спаровуватися». Як генетик, Естер розуміла, що зникнення тієї чи іншої властивості часто дає ключ до пошуку гена, який зазвичай її зумовлює. За кілька років вона, її чоловік та їхній колега в Італії Луїджі Каваллі зуміли знайти такий собі «фактор фертильності». Він розміщувався в кільці генів, що вільно плавало в бактеріальній клітині незалежно від головної хромосоми. Джошуа назвав ці кружальця додаткових генів «плазмідами». Завдання гена фертильності плазміди (F-фактора) – скеровувати клітини для формування пілуса, свого роду бактеріального пеніса, що випинається з зовнішньої оболонки бактерії, утворюючи місток з іншою бактерією і дозволяючи передачу всієї плазміди разом із будь-яким додатковим генетичним матеріалом, який вона може нести. Ощасливлений таким чином, мікроб-одержувач так само стає фертильним, тобто здатним утворювати шлюбні містки й ділитися генами, у тому числі стійкості до лікарських засобів, з іншими бактеріями.
Приблизно в той самий час Естер знайшла першу підказку до ще одного способу, яким бактерії обмінюються своїми генами. Вона відкрила фаг лямбда, вірус бактерій, що роками тихенько собі мешкав усередині деяких лабораторних штамів E. coli. Час від часу лямбда вискакував із головної хромосоми інфікованої бактерії для поширення на інші бактерії. Іноді ця інфекція вбивала нових одержувачів. В інші ж рази цей фаг успішно інтегрувався в хромосому бактерії і таким чином тихенько передавався майбутнім поколінням. Невдовзі після того третій співробітник лабораторії Ледерберґа, 22-річний Нортон Зіндер, показав, що фаги на кшталт лямбда залучені до контрабанди генів. Зокрема, він виявив, що, коли фаг вирізається з бактеріальної хромосоми, він подекуди прихоплює з собою і шматочок цієї хромосоми. Аби продемонструвати, що, на його думку, відбувається, Зіндер інфікував колонії стійкої до лікарських засобів сальмонели, а потім змішав їх з неінфікованими та чутливими до лікарських засобів штамами в чашці Петрі. У процесі цього він спіймав фаги, що підхоплювали гени резистентності та передавали їх у робочому порядку наступному колу інфікованих ними бактерій. Будь-яка бактерія, що переживала інфекцію, одразу ж ставала стійкою до лікарських засобів.
Зіндер назвав це вірусне перенесення генів «трансдукцією», щоб відрізняти його від «трансформації» – ще одного способу, яким бактерії можуть набувати нових властивостей. Відкриття малозрозумілого процесу трансформації датується ще експериментом 1928 року співробітника британського Міністерства охорони здоров’я Фредеріка Ґріффіта. Вивчаючи епідемію особливо тяжкої пневмонії, Ґріффіт почав порівнювати й протиставляти різні штами бактерії Streptococcus pneumoniae. Серед характерних особливостей найсмертоноснішого штама було те, що він одягнений у гладеньку й слизьку капсулу, і це дозволило йому уникати захоплення імунними клітинами тіла. Одного дня Ґріффіт увів своїм лабораторним мишам живий, але нешкідливий штам Streptococcus pneumoniae разом із частиною мертвих клітин небезпечного штаму. Миші відразу ж померли. Коли ж Ґріффіт дослідив їхню кров під мікроскопом, то виявив, що колись нешкідливі мутанти вдяглися в капсули. Він повторив свій експеримент, аби переконатися, що всередину не просковзнула жодна жива смертоносна бактерія. Таких не виявилося. Якимось чином раніше нешкідливий голий стрептокок перейняв здатність створювати капсули від підмішаних до нього клітин свого мертвого родича.
На початку 1940-х років науковці з Рокфеллерівського інституту Освальд Ейвері, Колін Маклеод і Маклін Маккарті визначили, що насправді стрептокок Ґріффіта підбирав зі свого навколишнього середовища фрагменти дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) смертоносного штаму. При цьому вони подали перший переконливий доказ, що саме ДНК є тим матеріалом, з якого складаються гени.
Коли в 1952-му лабораторія Ледерберґів опублікувала низку своїх відкриттів, стало ясно, що бактерії мають багато різних способів набувати нових властивостей. Вони можуть підбирати гени, обмінюватися ними шляхом кон’югації або врощувати їх у свої хромосоми за допомогою фагів, що перестрибують між бактеріями. Сьогодні ми знаємо ще й про четвертий тип генетичного таксі, що їздить бактеріальним світом: так звані стрибучі гени (транспозони), уперше відкриті генетиком Барбарою Макклінток у 1940-х роках. По суті, транспозон складається з гена або групи генів, прикритого з флангів парою «вставних послідовностей» – сегментів ДНК, що періодично вирізаються з однієї хромосоми, вставляючи самих себе та всі свої проміжні гени в іншу.
