Какие-то странные бактерии

Две истории, которыми мы сегодня планируем поделиться с читателями, объединяет общая тема. Примерно вот какая: «До чего же нелепо устроена жизнь! И как это ей еще удалось за четыре миллиарда лет не зайти в полный тупик!»

Герой первой истории — бактерия, которую еще двадцать лет назад обнаружили в Швейцарии, на дне Цюрихского озера. Судя по всему, в качестве отхода своей жизнедеятельности бактерия производила толуол. Что такое толуол? Это углеводородное топливо. Его довольно много, к примеру, в составе высокооктанового бензина.

От такого открытия микробиологи страшно возбудились. Во-первых, теория вопроса: толуол, как и прочие углеводороды, под завязку набит энергией. Эта энергия, собственно, и разгоняет полуторатонный автомобиль от нуля до ста за семь секунд. Если использовать в качестве топлива озерный ил, машина поедет гораздо медленнее, если вообще куда-то поедет. А между тем бактерия черпает энергию из окружающей среды (то есть ила) и зачем-то разбазаривает ее на синтез совершенно ненужного на дне Цюрихского озера толуола. Во-вторых, есть еще и практический аспект: вот если бы приручить бактерию, способную делать высокооктановый бензин из всякой дряни, проблема исчерпания запасов нефти больше никогда не волновала бы благодарное человечество.

Проблема была в том, чтобы приручить эту глупую, но полезную бактерию. Однако два долгих десятилетия ее не получалось не то чтобы пристроить к полезному делу, а даже выделить из воды, не говоря уже о культивировании. Tolumonas auensis была неуловима.

Несколько лет назад за дело взялся Гарри Беллер из Калифорнии и его коллеги. Несколько командировок в Швейцарию скрасили унылую жизнь биохимиков из Объединенного биоэнергетического института в Эмеривилле, однако в какой-то момент стало ясно, что привозят они оттуда только часы, шоколад и складные ножики, а вовсе не культуры толумонады. Беллер обратился за советом к опытному и мудрому Фридриху Ютнеру, автору той первой работы 1996 года. Ютнер сказал, что, по его мнению, Цюрихское озеро сильно переоценивают, а подходящую бактерию можно поискать где-то поближе, в Калифорнии, ну хоть бы в канализационном отстойнике.

И вот одна из тех случайностей, что решают судьбу научных открытий: доктор Беллер не воспринял этот совет как издевательство, а принял за чистую монету. И действительно нашел в ближайшем отстойнике анаэробную бактерию, производящую толуол.

Далее последовало фракционирование белков и метагеномный анализ, но не будем вдаваться в технические детали. Важно, что в итоге обнаружены ферменты, делающие эту работу, а также их гены. А когда гены перенесли в кишечную палочку, как это принято у генных инженеров, этот простой и понятный микроб тоже стал выдавать на-гора огнеопасный толуол.

C кишечной палочкой все понятно, она пала жертвой коварства ученых, но что же заставило неизвестного микроба в канализационном отстойнике добровольно делать эту неблагодарную, энергетически неэффективную и, прямо скажем, бессмысленную работу? Мы привыкли, что природа мудра, потому что естественный отбор жестоко бьет по рукам всех тех, кто вздумает заниматься глупостями. А здесь налицо была глупость такого масштаба, что с ней не справился даже отлаженный механизм научно-популярной редакции Science: первый вариант сообщения содержал невообразимый наворот околесицы и безумных гипотез.

Но вскоре все разъяснилось. Расточительный синтез толуола, хоть и бессмыслен с точки зрения земной биосферы, тем не менее вполне разумен в понимании самой бактерии. Во-первых, толуол ядовит для окружающих бактерию тварей (других бактерий), так что это неплохой способ немного расчистить для себя поляну. А во-вторых, там, в отстойнике — а также в озерном иле красивейшего водоема Швейцарии — довольно кислая среда. Бактерии пришлось срочно придумать какой-то способ снизить кислотность хотя бы внутри своих собственных клеток. И тут под руку попалась химическая реакция, которая худо-бедно справлялась с задачей: фермент по имени фенилацетат-декарбоксилаза превращает фенилацетат в толуол, попутно уменьшая кислотность среды. Энергетический баланс процесса, столь важный в понимании сотрудников Биоэнергетического института, для бактерии интереса не представлял: видимо, остальные способы борьбы с кислотностью были тоже неидеальны, а речь шла о том, чтобы как-то выжить здесь и сейчас. Несчастное существо ухватилось за предоставленную возможность жить.

Разумеется, исследователи очень надеются, что странная бактерия спасет человечество, когда запас нефти подойдет к концу. Пока, однако, получать толуол из нефти в тысячи раз проще и дешевле. Так что историю про практическую значимость открытия калифорнийские биохимики приберегают для составления заявок на гранты. А сами тихо радуются, что им удалось случайно набрести на такой удивительный курьез эволюции.

Другой участник нашего парада уродов прославился вот чем: он отравляет свою среду обитания до такой степени, что сам же не может в этой среде выживать. Что может быть глупее? Заметьте, речь идет вовсе не о Homo sapiens, то есть о нас с вами, а о еще одной бактерии. О ней написали в Nature Ecology and Evolution биологи из Кембриджа. Статья так и называется: «Экологический суицид у микробов».

Микроб по имени пенибацилла (Paenibacillus) обитает в почве и занят обычно тем, что с огромным трудом, с помощью других микроорганизмов, разлагает сложные углеводы. Не слишком процветает, скорее, бедствует, но вот худо-бедно дожил в природе до наших времен. Проблемы у микроба возникают в тот момент, когда его помещают в тепличные условия: выращивают на богатой среде с большим количеством глюкозы. Непривычная к такой роскоши бактерия начинает жадно поедать глюкозу и одновременно закислять окружающую среду.

У любого существа — взять хотя бы производителя толуола из первой части нашей истории — есть свои приемы, чтобы бороться с такой напастью. Беда пенибациллы в том, что очень уж вкусной кажется ей непривычная глюкоза: она ест ее и не может остановиться. Биохимические механизмы, которые в норме защищают клетки от кислоты, просто перестают справляться со своей задачей. Ирония в том, что столько пищи бацилле в общем-то и не нужно. О такой ситуации у людей принято говорить: «Отказали тормоза». И как в случае людей с отказавшими тормозами, для бактерий все заканчивается плохо: культура полностью погибает, стерилизуя саму себя. Это при том, что вкусной глюкозы в среде остается более чем достаточно.

Разумеется, в такую ситуацию бедолага-микроб попал по воле ученых: в природе бактерии никогда не достигают такой плотности, еды у них всегда позорно мало, а окружающие их товарищи по несчастью — прочие микробы — вместе кое-как поддерживают постоянный состав среды. Но сам факт, обнаруженный кембриджскими биохимиками, прелюбопытный: как просто, оказывается, разладить систему, выкованную миллиардом лет эволюции. Неожиданное богатство, изобилие, отсутствие проблем — и постыдный эволюционный тупик. Оказалось, что эволюция — высший разум, или как вы там это называете? — предусмотрела для своих детей практически все. Кроме, как ни странно, беззаботного счастья. Никаких аналогий с родом человеческим мы тут проводить не будем — речь о бактериях.

Эта история двух странных бактерий была ранее опубликована в еженедельнике «Окна», литературном приложении к израильской газете «Вести» www.vesti.co.il