Жакоб из Пастеровского института со своим коллегой Э. Вольманом придумали оригинальный метод наблюдения за ходом конъюгации у бактерий. Они смешали мужской и женский типы бактерий в жидкой среде и через определенные промежутки времени отбирали пробы, помещая их затем в смеситель и продолжительно встряхивая, чтобы отделить друг от друга соединившиеся клетки. Затем они, так же как Ледерберг и Тейтем, зарегистрировали увеличение числа новых генов в «женских» клетках. Обозначим гены «мужской» хромосомы буквами А — Б—В — Г—Д — Е—Ж—3 и проследим вместе с Вольманом и Жакобом с часами в руках их перемещение из «мужских» клеток в «женские» (см. рис. на стр. 146)
Смешивать культуры «мужских» и «женских» бактерий они начали ровно в 9 часов. В 9.05 брали первую пробу, в 9.10 — вторую, в 9.20 — третью, в 9.30 — четвертую и в 9.35 — пятую. Затем встряхиванием разделяли спаренные клетки и, пересеяв их на агар, оставляли до следующего дня. И вот каков был результат: по прошествии 5 мин «женские» клетки не содержали еще ни одного «мужского» гена; через 10 мин в них был уже ген А, через 20 мин — гены А и Б, через 30 мин — гены А, Б и В, а спустя 35 мин положение уже не изменялось. Таким образом, конъюгация позволила «женским» клеткам получить три новых гена. А это означает, что они стали уже иными. Обогатившись тремя генами, они приобрели и иные свойства, которые передадутся следующим поколениям. Бактерии изменили свою природу!
Микробы и мутации
Рассказ о трансформации, трансдукции и конъюгации должен был убедить читателя, что микроорганизмы действительно могут изменять свою природу. Во всех рассмотренных случаях микробиологи использовали влияние генетического материала (ДНК) одних микробов на наследственные свойства других.
А теперь познакомимся с некоторыми примерами наследственных изменений, которые мы можем получить у микроорганизмов в лаборатории или же наблюдать в природе. Резкое, передаваемое по наследству изменение какого-нибудь свойства организмов называется мутацией. Современная биология накопила уже немало примеров внезапных (в масштабе одного поколения) изменений некоторых признаков растений, животных или микробов, которые наследуются следующими поколениями.
Мутации в природе возникают спонтанно («сами собой») или могут быть вызваны действием так называемых мутагенных факторов, к которым относятся некоторые химические вещества и различные формы излучений (ультрафиолетовое, рентгеновское или радиоактивное). Теперь для нас уже не является неожиданностью, когда какие-нибудь мутагенные факторы затрагивают генетический аппарат клетки и вызывают структурные изменения хромосом или влияют на молекулы ДНК в генах.
Схема Жакоба — Вольмана, показывающая последовательность перемещения генов из мужских клеток (правая о каждой паре) в женские во время конъюгации, которая продолжается 35 мин.
Первые статистически достоверные сведения о «химических» последствиях мутаций дали, как и следовало ожидать, микроорганизмы. На этот раз микробиологи избрали в качестве подопытного организма не бактерии, а более сложные в биологическом отношении микроскопические грибы — Neurospora crassa. Известно, что этот гриб для синтеза составных частей своей клетки не требует никаких ростовых веществ (аминокислот, витаминов), так как сам образует их (за исключением биотина) из простых органических соединений. Остальные биогенные вещества он способен ассимилировать в виде минеральных солей (биотин все же добавляют в питательную среду). Если споры этого гриба облучить рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами и посеять на оптимальную для них питательную среду, они не прорастают и грибы, следовательно, не размножаются. При выяснении причин этого явления было установлено, что культура облученных спор уже нуждается в присутствии ростовых веществ. Таким образом, в результате облучения спор этого гриба была вызвана рецессивная мутация: N. crassa потеряла способность синтезировать необходимые ростовые вещества из простых соединений.
Нейроспора в настоящее время является классическим объектом микробиологической генетики, к которому постепенно присоединяется ряд других организмов. Мутации не только используются для изучения многих вопросов генетики, они служат также и промышленным целям. В пятой части нашей книги читатель узнает, каким образом микробиологи при помощи мутагенных факторов «принуждают» микробы, образующие пенициллин и другие антибиотики, повысить свою продуктивность. Если раньше Penicillium chrysogenum синтезировал на каждый миллилитр питательной жидкости только 5—10 единиц пенициллина, то сейчас его потомки производят до 10 и даже до 15 тысяч единиц.
При изучении мутаций удобным объектом могут быть и бактерии. За первые исследования в этой области, равно как и за изучение бактериофагов, в 1969 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили три американских микробиолога — С. Лурия, М. Дельбрюк и А. Херши.
Дельбрюк был сначала физиком, но его всегда привлекала биология, в частности бактериофаги; именно на этом поприще он и познакомился с Лурия. Херши вместе с Мартой Чейз доказал, что инфекционным началом бактериофагов является нуклеиновая кислота, а не белок.
Лурия известен своим высказыванием о том, что «вирусы — это паразиты на генетическом уровне». Вместе с Дельбрюком он создал метод, известный под названием «флюктуационный тест». При помощи этого метода изучали мутации на бактериях Escherichia coli, которые в послевоенные годы были излюбленным объектом ученых. Своим флюктуационным тестом они доказали, что приобретенная бактериями устойчивость к бактериофагам связана с мутациями. При встрече с устойчивой клеткой бактериофаг терпит поражение, а клетка остается живой. Но таких «удачливых» бактерий бывает чрезвычайно мало — из 300 миллионов делящихся бактерий только одна-единственная может иметь шанс приобрести устойчивость к бактериофагам путем мутации!
Какова же генетическая сущность мутаций? Как генетикам удается разгадывать подоплеку этих явлений? Ведь даже изучение таких, казалось бы, простых организмов, как нейроспора, — очень трудная задача. Было бы значительно легче, если бы в нашем распоряжении имелись какие-то несложные «модели генетического материала» вроде комбинации нуклеиновой кислоты и белка, что-то подобное гену, который способен к «самовоспроизводству» и подвержен мутациям. Могут ли биологические объекты представить нам такую модель? Да, могут — такими моделями могли бы быть вирусы. Они отвечают всем этим требованиям.
ВТМ помогает изучать мутации
Вирус табачной мозаики, который уже не раз помогал нам разгадать многие загадки жизни, предлагается и в качестве модели для изучения мутаций. ВТМ содержит рибонуклеиновую кислоту, которая, как мы увидим далее, выполняет ту самую генетическую роль, которую у других вирусов и живых клеток выполняет ДНК.
В Лаборатории вирусов Калифорнийского университета было положено начало изучению ВТМ; в распоряжении ученых имеется не только «нормальный» ВТМ, но и его мутанты, возникшие в результате происходящих в природе мутаций. Эти мутанты отличаются от нормального ВТМ симптомами вызываемого ими на листьях табака заболевания.
ВТМ и его мутанты послужили хорошими объектами при изучении химической природы мутаций. Сотрудники лаборатории сравнили прежде всего белковую часть ВТМ и мутанта, обозначаемого шифром J14D1. При изучении их белковых субъединиц, состоящих, как мы знаем, из 158 аминокислотных остатков, было обнаружено, что участие отдельных аминокислот неодинаково. Субъединицы мутанта J14D1 имели на одну молекулу лизина больше и на одну молекулу глютаминовой кислоты меньше, чем нормальный ВТМ.
Ученые пытались также уловить различия в молекулах РНК. Но это оказалось трудной задачей, поскольку расположение отдельных нуклеотидов в макромолекулах еще неизвестно. Однако процентное различие в РНК нормального ВТМ и РНК мутанта установить все же удалось. И эти данные были очень важны.
Теперь мы знаем, что РНК из ВТМ способна сама по себе вызвать заболевание табачной мозаикой. И если мутант J14D1 вызывает иное течение болезни, то это происходит потому, что он содержит иную РНК, которая в клетках пораженных растений заставляет ферменты синтезировать иную РНК и иные белковые субъединицы у вирусных частиц. Мы видели, что различия в этих субъединицах незначительны и касаются лишь двух аминокислот. Более заметны различия в самом действии нормального ВТМ и его мутанта: ВТМ вызывает на листьях молодых растений табака образование пузырьков и замедляет, но не останавливает их рост, тогда как мутант J14D1 приводит к быстрой гибели растений.
