Когда даже экстремальные условия не помеха
В 1956 году сотрудник Орегонской сельскохозяйственной экспериментальной станции Артур Андерсон проводил довольно странные эксперименты: облучал банки мясных консервов высокими дозами гамма-излучения. Цель экспериментов была банальной — определить, можно ли использовать радиацию для холодной стерилизации продуктов. На первый взгляд, результат был предсказуем, но что-то пошло не так: образцы мясных консервов через непродолжительное время испортились, а исследование показало наличие в них бактерий.
Но бактерии эти были отнюдь не простыми: помимо того, что их не убивали высокие дозы ионизирующего излучения до 10 000 Гр, они были устойчивы к длительному воздействию ультрафиолетовых лучей, высушиванию, действию кислот, вакуума и замораживанию.
Еще более удивительно то, что данные бактерии вовсе не зародились в секретных лабораториях Волт-Тек, а распространены повсеместно: их находили в фекалиях слонов, в песках пустыни, в глыбах арктического льда, в городских водоемах, домашней пыли и даже в медицинском инструментарии.
Новую бактерию назвали Micrococcus radiodurans, а впоследствии, уточнив родство методом секвенирования 16-S рРНК, определили в собственный род Deinococcus, что в дословном переводе означает «ужасные зерна». Самым известным и наиболее изученным представителем этого рода является Deinococcus radiodurans, и он, поистине, чемпион по выживанию, занесенный даже в Книгу рекордов Гиннеса как «самая сложная бактерия в мире».
Конечно, на нашей планете существует довольно большое количество экстремофильных организмов, которые способны выдерживать критические воздействия того или иного физико-химического параметра окружающей среды, есть также и любители радиации: широко распространенный грибок Ustilago maydis, поражающий кукурузу, и знаменитые чернобыльские почвенные грибки, но только Deinococcus radiodurans — настоящий крепкий орешек в этой компании, полиэкстремофил, способный выжить практически везде.
Микрофотографии клеток Deinococcus radiodurans, полученные при помощи различных видов электронной микроскопии. Первое фото, искусственно раскрашенное с помощью программного обеспечения, демонстрирует геном бактерии, упакованный в структуру тороидальной формы
Deinococcus radiodurans — довольно крупная бактерия, до 3,5 мкм, по морфологии относится к коккам, но при различных условиях может формировать комплексы из двух, четырех и более клеток. По тинкториальным свойствам бактерия грамположительная, хотя строение самой стенки несколько отличается от классического: клеточная стенка имеет несколько слоев, но в ней отсутствует тейхоевая кислота, а пептидогликан вместо мураминовой кислоты содержит орнитин.
Такое необычное строение клеточной стенки дало Deinococcus еще один achievement — он резистентен к бактериофагам. Также это привело к неспособности осуществлять коньюгацию, но Deinococcus нашел оригинальное решение этой проблемы: его клетки обладают невероятной компетентностью и способны принимать свободную ДНК без дополнительного воздействия.
Deinococcus вырабатывает собственный каротиноидный пигмент, который окрашивает колонии на агаре в розово-красный цвет. Бактерии не имеют органоидов движения, не образуют капсулу и споры, легко растут на самых простых питательных средах при широком диапазоне температур: от 4 до 45 °С, способны утилизировать практически любые субстраты для получения углерода. Казалось бы, ничего удивительного в этой бактерии нет, помимо клеточной стенки, даже споры она не образует, в чем же тогда секрет такой выживаемости?
Главной причиной гибели клеток при экстремальных воздействиях окружающей среды (в нашем случае радиации) является разрушение ДНК. Да, толстая клеточная стенка Deinococcus radiodurans в определенной мере дает преимущество при высушивании, воздействии вакуума, кислот и т. д., но ионизирующее излучение приводит к образованию многочисленных радикалов внутри клетки, и толстая клеточная стенка уже не поможет.
В отличие от других бактерий, ДНК Deinococcus radiodurans довольно плотно упакована в структуру тороидальной формы, возможно дело в этом? Нет: исследования показали, что количество разрывов ДНК при воздействии ионизирующего излучения у Deinococcus radiodurans такое же, как и у других бактерий. Причем разрывы ДНК возникают преимущественно двунитевые и их множество, что делает совершенно неэффективными стандартные механизмы репарации ДНК прокариот, даже негомологичное соединение концов тут не поможет.
Но Deinococcus и тут играет с читами: он использует гомологичную рекомбинацию ДНК. Да-да, это не ошибка: прокариотический микроорганизм, гаплоидный по природе, использует для восстановления поврежденных участков гомологичные хромосомы, которых у него быть не должно. Но они у Deinococcus есть: этот хитрец таскает с собой целый десяток копий собственного генома, что дает ему невероятные способности к репарации двунитевых разрывов ДНК. Надо признать, что обычные бактерии тоже могут иметь несколько копий своего генома, что связано с механизмом деления т. к. процесс удвоения хромосомы опережает деление самой клетки.
Почему же они не могут использовать их для репарации? Все дело в том, что процесс восстановления ДНК довольно длительный, а за это время разорванную ДНК разрушат собственные ферменты бактерий — нуклеазы, находящиеся в цитоплазме. Возникает логичный вопрос: почему этого не происходит у Deinococcus radiodurans, ведь нуклеазы есть и у него? А дело в том, что наш читер синтезирует особый набор белков, которые способны прикрывать разорванные участки ДНК от нуклеаз.
Хорошо, допустим ДНК Deinococcus научился защищать, но как быть с белками? При воздействии ионизирующего излучения они страдают не меньше, в первую очередь от активных форм кислорода, возникающих из молекул воды. У Deinococcus radiodurans и на эту проблему нашлось решение: он просто накапливает внутри клетки ионы марганца, которые замещают ионы железа в активных центрах ферментов, предотвращая реакцию Фентона, — главную причину их разрушения. Ионы марганца, кроме того, усиливают активность ферментов каталазы и супероксиддисмутазы, которые нужны для нейтрализации активных форм кислорода.
Два этих механизма обеспечивают Deinococcus radiodurans беспрецедентную защиту от негативных эффектов ионизирующего излучения — до 15 000 Гр с 37 % выживаемостью (для человека смерть неизбежна при поглощенной дозе 10 Гр). И тут возникает интересный вопрос: а зачем ему нужна такая защита и как она смогла сформироваться, если в процессе эволюции бактерии никогда не сталкивались с таким высокодозовым излучением?
Все просто: такая радиорезистентность — всего лишь приятный бонус к механизму защиты от другой, более реальной угрозы — обезвоживанию. Оказалось, что при обезвоживании бактерии подвергаются такому же окислительному стрессу, как и при воздействии ионизирующего излучения, и механизмы защиты Deinococcus radiodurans направлены, в первую очередь, на выживание в пустыне или выветриваемых гранитных скалах Арктики.
К счастью, Deinococcus radiodurans не имеет факторов патогенности и не способен вызывать заболевания. Невозможно даже предположить, как мы смогли бы противостоять такому патогену. А вот пользу он принести может. Разрабатываются методы применения этих бактерий для биоочистки радиоактивных отходов и для окисления тяжелых металлов в нефтепродуктах.
Изучение механизмов репарации ДНК и защиты белков Deinococcus radiodurans могут помочь в борьбе с рядом заболеваний (на самом деле все говорят, что могут быть использованы в борьбе со старением, но иммортализм, пусть и научный — это фу). Марганцевые комплексы, которые Deinococcus использует в качестве антиоксидантов, могут применяться для восстановления пациентов, подвергшихся воздействию ионизирующего излучения при авариях на ядерных объектах или при проведении лучевой терапии. Также Deinococcus radiodurans, в силу своей уникальной компетентности идеально подходит в качестве модельного организма для исследований в области генетики и молекулярной биологии.
Ну и еще одно необычное применение, которое нашли ученые для Deinococcus radiodurans: он может быть использован как носитель информации. Впечатлившись от просмотра сериала «Dark Angel», где электронные носители информации были уничтожены электромагнитной волной от ядерного взрыва, биоинформатик Пак Чун Вонг с коллегами решили создать альтернативный способ хранения информации — биологический.
Они взяли слова песни «It's Small World» и перевели ее в код, основанный на четырех известных всем «буквах» ДНК: А, Ц, Т, Г. Затем они искусственно синтезировали последовательности ДНК длиной до 150 пар нуклеотидов, снабдив их начальный и конечный концы специальными метками, защищающими от элиминации этих фрагментов и встроили их в геном Deinococcus radiodurans. И даже спустя 100 поколений бактерии копировали фрагменты ДНК со словами песни без ошибок. Такая вот бессмертная самовоспроизводящаяся биологическая микрофлешка, которой не страшен ядерный апокалипсис.
Чтобы эта бессмертная херня ещё во что-то мутировала и как всегда сбежала из лабораторий?
10Гр на человека в общем на все тело, тот же мозг тянет выживаемость до 100Гр, кожа может больше, есть неженька костный мозг полгрея и пиздец, так что человек при ядерном апокалипсисе выживет, жизнь будет правда убогая и не долгая