Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

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.
БИБЛИОГРАФИЯ
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.