История одного эксперимента
Мутируют ли бактерии случайным образом или же они мутируют с определенной целью? Исследователи ломают голову над этой загадкой уже более века.
В 1943 году микробиолог Сальвадор Лурия и физик, впоследствии ставший биологом, Макс Дельбрюк придумали эксперимент, который показал, что бактерии мутируют бесцельно. Эксперимент Лурии-Дельбрюка оказал значительное влияние на науку. Благодаря его результатам Лурия и Дельбрюк получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1969 году, а сегодня студенты изучают этот эксперимент на уроках биологии.
Дельбрюка и Лурию заинтересовал исключительно фундаментальный вопрос – как возникают мутации у бактерий. Рассмотрим, например, мутации, вызывающие у бактерий устойчивость к бактериофагам. Возьмем E.coli, которая является излюбленным модельным объектом молекулярных биологов. Если кишечная палочка встретится с бактериофагом, она наверняка будет им убита. Но это относится к нормальной E.coli (ее еще называют бактерией дикого типа). Если мы возьмем много-много бактерий и заразим их фагом, мы увидим, что несколько бактерий непременно выживут и образуют на чашке с питательной средой вполне здоровые и жизнеспособные колонии, как будто вирус им нипочем. Можно показать, что все клетки в этой колонии стали устойчивы к вирусу. Значит, они произошли из клетки-родителя, у которой каким-то образом появилась устойчивость к вирусу. Как могла возникнуть такая устойчивость?
Здесь есть два варианта ответа. Первый вариант: встретившись с вирусом, некоторые клетки научились с ним бороться. В свое время Ламарк предположил, что жираф тянулся к высоким веткам, поэтому у него отросла длинная шея. Так и здесь: клетки, оказавшись в очень вредных, очень неприятных условиях среды, начинают бороться, изменяться, пока наконец не найдут способ победить обстоятельства. Чистое торжество воли, как в немецкой философии. Сначала изменилась окружающая среда (в нашем случае в ней появился смертельный вирус), это дало вам какой-то сигнал, и вы решили поменяться, потому что если вы не поменяетесь, то вас больше не будет, вы исчезнете. Вероятность победить невелика – скажем, 0,001 %, – но поскольку клеток изначально было много, по статистике каким-то из них непременно удастся вырвать у фага победу, и их потомки увидят зарю следующего дня, образуют колонии.
Второй вариант – так называемые спонтанные мутации. Об их существование неявно предполагал еще Чарльз Дарвин, который, впрочем, ничего не знал про гены. Спонтанные мутации возникают случайно, вне всякой связи с тем, в каких условиях находится организм и какие изменения могли бы принести ему пользу. Просто клетка без всякой причины во время деления вдруг переходит в новое состояние. Оно может никак не проявиться, но если эта клетка (или ее потомки) окажутся в условиях, где это новое состояние играет роль для выживания, они воспользуются свалившейся на них с неба возможностью.
В условиях нашего опыта выбор между первым и вторым вариантом можно сформулировать так: возникает ли у клеток устойчивость к бактериофагам только в процессе фаговой инфекции или в любой момент времени, независимо от того, есть вирус или нет? Если вы задумаетесь, то поймете, что различить эти два варианта в эксперименте не так уж просто. Ведь для того, чтобы увидеть, возникла ли у клетки устойчивость к фагу, надо ее этим фагом заразить. А после того как вирус и клетка встретились, всякий может сказать, что именно эта встреча и стала причиной возникновения устойчивости (как в первом варианте). Даже если верен второй вариант и мутации возникают тогда, когда никаких фагов вокруг нет, то у нас не будет никакого способа их заметить без добавления фагов.
Опыт Дельбрюка и Лурии позволил сделать выбор между этими двумя возможностями. Этот опыт настолько простой, что каждый может повторить его у себя на кухне. Возьмем десять пробирок, посадим в каждую по одной клетке кишечной палочки и дадим им делиться, пока из каждой клетки не возникнут сотни тысяч потомков. Потом добавим в каждую пробирку фаги, так чтобы на каждую бактерию приходилась хотя бы одна частица вируса.
Если верен первый вариант – мутации возникают как результат борьбы с вирусом с вероятностью победы в 0,001 %, – в каждой пробирке победителями окажется некоторое количество клеток. Эти клетки образуют колонии на чашках с питательной средой, когда мы выльем на них содержимое наших пробирок с выжившими клетками. Количество образованных колоний не будет одинаковым, но в целом число колоний, образованных на разных чашках, окажется более или менее сходным: например, на одной чашке будет пять, на другой – возможно, четырнадцать, на третьей – десять. В целом распределение колоний на разных чашках будет довольно равномерным.
Но если верен вариант номер два, тогда спонтанные мутации могут произойти в любой из пробирок задолго до встречи с фагами. Например, у самой первой клетки или у одного из двух, четырех, восьми ее потомков, возникших соответственно после первого, второго или третьего деления. В этом случае в какой-то из культур устойчивых клеток окажется гораздо больше. А у числа устойчивых клеток из разных пробирок будет совсем другое, неравномерное распределение. Именно такое крайне неравномерное распределение и наблюдали Лурия и Дельбрюк. Их вывод: мутации возникают спонтанно. Окружающая среда лишь позволяет им проявиться и принести пользу (или вред).
Подобно небольшим выигрышам в игровых автоматах, мутации поздних поколений происходят чаще, но дают меньше устойчивых вариантов. Как и джекпоты, мутации раннего поколения происходят редко, но дают большое количество вариантов. Мутации раннего поколения редки, потому что на ранних этапах существует лишь небольшое количество бактерий, доступных для мутации. Например, в эксперименте с 20 поколениями мутация, произошедшая в 10-м поколении бактерий, даст 1024 устойчивых к фагам варианта. Мутация, произошедшая в 17-м поколении, даст только четыре устойчивых к фагу варианта. Количество устойчивых колоний в экспериментах было схоже с тем, как это происходит в игровых автоматах. Большинство чашек не содержали мутантных колоний или содержали их в небольшом количестве, но в нескольких чашках было большое количество мутантных колоний. Это означало, что бактерии выработали устойчивые варианты еще до того, как вступили во взаимодействие с фагами.
После завершения эксперимента Лурия отправил Дельбрюку записку с просьбой проверить его работу. Затем двое ученых вместе написали классическую работу, в которой описали экспериментальный протокол и теоретическую основу для измерения скорости мутации бактерий. Другие ученые провели аналогичные эксперименты, заменив фаги пенициллином и противотуберкулезными препаратами. Они также обнаружили, что бактериям не обязательно сталкиваться с антибиотиком, чтобы приобрести к нему устойчивость. Бактерии миллионы лет полагались на случайные мутации, чтобы справиться с суровой, постоянно меняющейся средой. Непрерывные случайные мутации неизбежно приведут их к появлению вариантов, которые будут резистентны к антибиотикам будущего.
Спустя пару десятилетий генетики поняли, как все на самом деле происходит. В ДНК хранится генетическая информация, при ее копировании случаются ошибки, эти ошибки иногда могут быть полезными, а все изменения в ДНК, как вредные, так и полезные, передаются от предков к потомкам. Таким образом, центральная догма молекулярной биологии возникла из эксперимента Дельбрюка и Лурии. Это очень красивый эксперимент, потому что он прост. Все красивые эксперименты просты.
