Кишечная палочка живое существо
Скромная бактерия за полстолетия с момента ее открытия в конце XIX в. стала настоящей волшебной палочкой для молекулярной биологии. Сейчас результаты опытов с ее использованием занимают главы и тома профессиональных и популярных изданий. Конечно, в нашем путеводителе по модельным организмам E. coli должна была занять свое почетное место.
Двенадцать модельных организмов
Привет! Меня зовут Сергей Мошковский. Дорогая редакция «Биомолекулы», выпустив настенный календарь о модельных организмах на 2020 год, заказала было мне лонгрид, который должен был, как суровый конвой, сопровождать календарь на сайте. Минутная слабость — сколько их было в жизни! — и я уже соглашаюсь. Но как писать? Ведь о каждой модельной скотинке, нарисованной на календаре, — как и о нескольких десятках не поместившихся туда, — написаны тома научной и даже популярной литературы. Придется писать не по-журналистски, из головы — как бы не вышло чего-то вроде поэмы «Москва — Петушки», где вместо станций — модельные организмы. Я и еще несколько авторов представляем вам на суд собранье пестрых глав — они будут выходить в течение всего 2020 года. Читатель, прости! Ты знаешь, кого за это винить!
Escherichia и Eschrichtius — Болезнь путешественников — Главная модельная бактерия — Учебник молекулярной генетики — Невезение с CRISPR/Cas
Кишечная палочка — один из первых мемов, с которым сталкиваются дети при знакомстве с биологией (рис. 1а). Запоминающееся, простое и забавное название. Помню, как узнал в детстве, что эта палочка может быть опасной — кто-то мучился животом, а родители сказали, что, наверное, кишечная палочка! Позже, уже в старшей школе, я узнал латинское название этой бактерии, и оно меня удивило, оказавшись каким-то не очень латинским. Оказывается, австрийский педиатр Теодор Эшерих (рис. 1б), который впервые выделил эту палочку из содержимого кишечника в 1885 году, вначале назвал ее благозвучно — Bacterium coli, что означает просто «кишечная бактерия». После ожидаемого пересмотра классификации бактерий род переименовали в честь первооткрывателя. По анекдотическому совпадению очень созвучно — Eschrichtius — называется одно из самых крупных существ на земле — серый кит (рис. 1в). Правда, этого гиганта так назвали в честь другого ученого — датского зоолога Даниэля Эшрихта, работавшего на полвека раньше (рис. 1г). В этом плане другой важной палочке — сенной — повезло больше, поскольку она до сих пор называется Bacillus subtilis, что в переводе — тонкая палочка.
Рисунок 1а. Escherichia длиной 2 мкм
Рисунок 1б. Теодор Эшерих (1857–1911)
Рисунок 1в. Eschrichtius длиной 14 метров
Рисунок 1г. Даниэль Фредрик Эшрихт (1798–1863)
Кишечная палочка живет… правильно, в кишечнике человека, составляя по численности не более 0,1% нормальной микрофлоры. Как и многие микроорганизмы, эта грамотрицательная палочка очень изменчива и из дружественного — комменсального — компонента микрофлоры кишечника зачастую превращается во вредный — патогенный. Практически каждый сталкивался с «колийной» инфекцией. Например, именно эшерихия вызывает большинство случаев диареи путешественников. В приморских районах местные жители иммунны к штаммам кишечной палочки, населяющим источники воды, поэтому от них страдают туристы. Одним из параметров качества питьевой воды считается косвенный показатель содержания в ней клеток кишечной палочки — так называемый коли-титр. Как и многие патогенные бактерии, кишечная палочка охотно приобретает свойства множественной устойчивости к антибиотикам . Так, в мире растет число случаев возвратного цистита [1] — воспаления мочевого пузыря — и других инфекций, вызванных мультирезистентными штаммами E. coli.
Зачем же такую опасную бактерию сделали модельной? Дело в том, что в условиях культивирования кишечная палочка часто теряет патогенность, становится неспособной жить в естественных для себя условиях (то есть одомашнивается). И этим свойством в 1940-е годы воспользовались микробиологи, проведя с лабораторными штаммами E. coli (например, со знаменитым штаммом К12) много прорывных для науки экспериментов.
Так, манипулируя мутированными штаммами кишечной палочки, которые уже научились получать при помощи облучения, Джошуа Ледерберг и Эдуард Лаури Тейтем в 1947 году обнаружили способность разных штаммов обмениваться генетическим материалом и спасать друг друга от образовавшихся дефектов, проявлявшихся в неспособности расти на минимальной питательной среде. Так был открыт процесс конъюгации бактерий, который затем послужил важным инструментом для картирования бактериального генома . Ведь тогда это можно было делать только косвенными, микробиологическими методами — сама природа генетического кода была неизвестна.
С начала 1950-х годов исследования по молекулярной генетике с использованием кишечной палочки и ее вирусов в качестве основного инструмента росли как снежный ком. Не будет преувеличением сказать, что к 70-м годам E. coli написала учебник молекулярной генетики! Вспомним открытие генетического кода, в котором участвовало несколько коллективов физиков и молекулярных биологов, в том числе Френсис Крик, Георгий Гамов и другие выдающиеся люди того времени [6]. Основные эксперименты по расшифровке кода велись на бесклеточных лизатах кишечной палочки.
Одновременно (или вскоре после этого) с помощью штаммов эшерихии были заложены основы современной молекулярной биологии. Французы Франсуа Жакоб и Жак Моно на примере лактозного оперона — серии генов E. coli, кодирующих каскад расщепления сахара лактозы, — раскрыли механизмы регуляции генной экспрессии — «самовыражения» генетического материала в виде работы белков, в данном случае — ферментов. На материале кишечной палочки описаны все процессы передачи информации в клетке: так называемые матричные процессы — репликация ДНК, транскрипция и трансляция. Я помню, как в университете на микробиологии нам раздали учебники Стента и Кэлиндара по молекулярной генетике, издания, кажется, 1981 года. Вначале было непонятно, почему это нужно для микробиологии, а потом оказалось, что материал учебника — кстати, очень непростой для восприятия второкурсника — на две трети описывает эксперименты, проведенные на кишечной палочке и ее вирусах.
Позднее обнаружилось, что E. coli хорошо подходит для зародившейся в 1960–1970-е годы биотехнологии [7]. Бактерия хорошо переносит введение в свою клетку гетерологичных (то есть чужеродных) генов и во многих случаях способна синтезировать их продукты без вреда для себя. Белки, полученные таким способом, стали называть рекомбинантными, и теперь они широко используются в медицине и других практических задачах.
Кишечная палочка — возможно, самый исследованный организм с точки зрения молекулярной биологии. Тем не менее у элементов ее генома до сих пор обнаруживают новые свойства. Это одновременно плохо (как же мало мы знаем!) и хорошо (будет чем заняться!). Совсем недавно на защите диссертации я услышал о том, как у одной из генных кассет эшерихии, участвующей в каскаде переработки сульфолипидов, также обнаружена и лактазная активность [8]. До этого такая активность была известна только у знаменитого лактозного оперона Жакоба и Моно, описанного в 1961 году!
Кажется, что E. coli — модельный организм без недостатков. Тем не менее биотехнологам не повезло, что у этой бактерии от природы нет системы бактериального иммунитета CRISPR/Cas [9], о которой я уже упоминал в эссе о бактериофаге лямбда [3]. Именно поэтому эту систему, ныне незаменимую в генной инженерии, открыли относительно поздно.
Кишечная палочка-выручалочка — это здорово (рис. 2). Но теперь пора переместиться в мир ядерных организмов. Удобным инструментом для молекулярной биологии и генетики эукариот оказались одноклеточные грибы — дрожжи — и гаплоидный плесневый гриб — нейроспора. Как они дошли до такой одноклеточной и гаплоидной жизни и что было открыто с их помощью — читайте в следующем материале нашего путеводителя по модельным организмам через месяц.
Рисунок 2. Кишечная палочка Escherichia coli как герой календаря «Биомолекулы». Этот календарь мы сделали в 2019 году и даже провели на него весьма успешный краудфандинг. На тех, кто успел приобрести календарь, палочка уже взирает со стенки, ну а с прочими мы делимся хайрезом этого листа — скачивайте, печатайте и вешайте на стенку! Ну а кто все же хочет приобрести бумажный экземпляр — приглашаем в интернет-магазин «Планеты.ру»!
Благодарность
Автор благодарит своего друга — биоинформатика Анну Казнадзей (ИППИ РАН) за ее увлекательный рассказ о новом «лактозном опероне» кишечной палочки, в открытии которого она участвовала.
- Florian Hitzenbichler, Michaela Simon, Thomas Holzmann, Michael Iberer, Markus Zimmermann, et. al.. (2018). Antibiotic resistance in E. coli isolates from patients with urinary tract infections presenting to the emergency department. Infection. 46, 325-331;
- Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней;
- Модельные организмы: фаг лямбда;
- 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть I, историческая;
- Молекулярная биология;
- У истоков генетического кода: родственные души;
- Биотехнология. Генная инженерия;
- Anna Kaznadzey, Pavel Shelyakin, Evgeniya Belousova, Aleksandra Eremina, Uliana Shvyreva, et. al.. (2018). The genes of the sulphoquinovose catabolism in Escherichia coli are also associated with a previously unknown pathway of lactose degradation. Sci Rep. 8;
- CRISPR-системы: иммунизация прокариот.
Источник
Êíèãà: Ìèêðîêîñì. E. coli è íîâàÿ íàóêà î æèçíè
Æèâûå ñõåìû
Æèâûå ñõåìû
Äëÿ èíæåíåðà ñõåìà ýòî ñîâîêóïíîñòü ïðîâîäîâ, ðåçèñòîðîâ è äðóãèõ ýëåêòðîííûõ êîìïîíåíòîâ, îðãàíèçîâàííûõ òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ïîëó÷èòü èç âõîäíîãî ñèãíàëà âûõîäíîé. Ñ÷åò÷èê Ãåéãåðà, çàðåãèñòðèðîâàâ ïðîëåòàþùóþ ÷åðåç íåãî ðàäèîàêòèâíóþ ÷àñòèöó, ïðîèçâîäèò ùåë÷îê. Íàæàòèå íà êëàâèøó âûêëþ÷àòåëÿ ïîãðóæàåò êîìíàòó â òåìíîòó. Ãåíû ðàáîòàþò â ñîîòâåòñòâèè ñ òîé æå ëîãèêîé. Ó ãåíåòè÷åñêîé ñõåìû òîæå åñòü âõîäû è âûõîäû. Lac îïåðîí ñðàáàòûâàåò ëèøü ïðè ïîëó÷åíèè íà âõîä äâóõ ñèãíàëîâ: ñèãíàëà î òîì, ÷òî ó E. coli çàêîí÷èëàñü ãëþêîçà, è ñèãíàëà î íàëè÷èè ëàêòîçû. Íà âûõîäå ýòîé ñõåìû áåëêè, íåîáõîäèìûå E. coli äëÿ ðàñùåïëåíèÿ ëàêòîçû.
Ó E. coli íåò ïðîâîäîâ, êîòîðûå ó÷åíûå ìîãëè áû ðàçîìêíóòü, ÷òîáû ïîñìîòðåòü, êàê ðàáîòàþò åå ñõåìû. Âìåñòî ýòîãî èì ïðèõîäèòñÿ ñòàâèòü ýêñïåðèìåíòû âðîäå òåõ, ÷òî ïðîâîäèëè Ìîíî è Æàêîá. Ýêñïåðèìåíòàòîðû íàáëþäàþò, êàê áûñòðî ìèêðîîðãàíèçìû îòêëèêàþòñÿ íà èçìåíåíèå îêðóæàþùåé ñðåäû, ñ êàêîé ñêîðîñòüþ îíè ñïîñîáíû ïðîèçâåñòè òîò èëè èíîé áåëîê èëè, íàîáîðîò, èçáàâèòüñÿ îò íåãî. Îíè îáúåäèíÿþò ðåçóëüòàòû ìíîæåñòâà ýêñïåðèìåíòîâ â ìîäåëè è ñ èõ ïîìîùüþ ïðåäñêàçûâàþò, êàê ïîâåäåò ñåáÿ E. coli â ñëåäóþùåì ýêñïåðèìåíòå. Ôóíäàìåíòàëüíûå îòêðûòèÿ, ñäåëàííûå Ìîíî, Æàêîáîì è èõ êîëëåãàìè íà E. coli, ïîçâîëèëè äðóãèì ó÷åíûì ðàçîáðàòüñÿ â ñõåìàõ ðàçíûõ âèäîâ, â òîì ÷èñëå è íàøåãî. Íî â òå÷åíèå âñåõ 50 ëåò, ÷òî ïðîøëè ñ òîãî ïàìÿòíîãî âå÷åðà â êèíîòåàòðå, èññëåäîâàòåëè ïðîäîëæàëè âñåðüåç èçó÷àòü E. coli. Èì óäàëîñü îáíàðóæèòü â ãåíåòè÷åñêîì àïïàðàòå áàêòåðèè èíòåðåñíåéøèå ñòðóêòóðû, à ïîçæå ñîñòàâèòü åãî êàðòó ñàìóþ ïîäðîáíóþ èç âñåõ îáèòàþùèõ íà Çåìëå âèäîâ æèâûõ ñóùåñòâ; ïîïóòíî âûÿñíèëîñü, ÷òî ãåíåòè÷åñêèå ñõåìû âî ìíîãîì íàïîìèíàþò ñõåìû ýëåêòðîííûå, êîòîðûå ñåãîäíÿ ìîæíî îáíàðóæèòü â öèôðîâûõ êàìåðàõ èëè ñïóòíèêîâûõ ðàäèîïðèåìíèêàõ.
×òîáû äîêàçàòü, ÷òî ýòî íå ïóñòîå ñðàâíåíèå, ÿ õî÷ó ðàçîáðàòü ðàáîòó âñåãî ëèøü îäíîé èç ìíîæåñòâà ñõåì E. coli. Ýòà ñõåìà óïðàâëÿåò áèîñèíòåçîì è ñáîðêîé æãóòèêîâ. Ó÷åíûå ïîòðàòèëè íåìàëî ëåò íà òî, ÷òîáû âûÿñíèòü, êàêèå ãåíû â íåå âõîäÿò. À â 2005 ã. Óðè Àëîí è åãî êîëëåãè èç Èíñòèòóòà Âåéöìàíà îïðåäåëèëè íàêîíåö, ÷òî ýòà ñõåìà äåëàåò. Îíà ðàáîòàåò êàê ïðîòèâîïîìåõîâûé ôèëüòð.
Èíæåíåðû èñïîëüçóþò ïîäîáíûå ôèëüòðû äëÿ áëîêèðîâàíèÿ àòìîñôåðíûõ ïîìåõ â òåëåôîííûõ ëèíèÿõ, áîðüáû ñ ðàçìûâàíèåì èçîáðàæåíèé è äðóãèìè âíåøíèìè âîçäåéñòâèÿìè, çàòðóäíÿþùèìè ïðèåì ñèãíàëà.  ñëó÷àå E. coli â ðîëè ïîìåõ âûñòóïàåò ëèøíÿÿ, íåñóùåñòâåííàÿ èíôîðìàöèÿ îá îêðóæàþùåé ñðåäå, à ïðîòèâîïîìåõîâûé ôèëüòð ïîçâîëÿåò áàêòåðèè îáðàùàòü âíèìàíèå òîëüêî íà òå ôàêòîðû, êîòîðûå èìåþò ïðèíöèïèàëüíîå çíà÷åíèå. Äëÿ E. coli ïðè ñáîðêå æãóòèêà êðàéíå âàæíî îòñåêàòü ïîìåõè, ïîòîìó ÷òî åãî ñîîðóæåíèå âî ìíîãîì íàïîìèíàåò ñòðîèòåëüñòâî ñîáîðà.
Áàêòåðèÿ äîëæíà âêëþ÷èòü îêîëî 50 ãåíîâ, ñèíòåçèðóþùèõ äåñÿòêè òûñÿ÷ áåëêîâ, ïðè÷åì áåëêè ýòè ñèíòåçèðóþòñÿ è äåéñòâóþò â ñòðîãî ñîãëàñîâàííîì ïîðÿäêå. Ñíà÷àëà ìîòîð âñòðàèâàåòñÿ â êëåòî÷íóþ îáîëî÷êó. Çàòåì ñòåðæåíü ñ öåíòðàëüíûì êàíàëîì, ðàáîòàþùèé íàïîäîáèå øïðèöà, ïðîéäÿ ñêâîçü öåíòð ìîòîðà, âûòàëêèâàåò íàðóæó òûñÿ÷è áåëêîâûõ ìîëåêóë. Áåëêè ïðîõîäÿò ÷åðåç ïîëóþ òðóáî÷êó è ïîÿâëÿþòñÿ ñ äðóãîé ñòîðîíû, íàðàùèâàÿ æãóòèê. Âåñü ïðîöåññ çàíèìàåò îäèí äâà ÷àñà, ÷òî äëÿ E. coli ìîæåò îçíà÷àòü íåñêîëüêî ïîêîëåíèé. Ïðè äåëåíèè êëåòêè íîâàÿ áàêòåðèÿ íàñëåäóåò ÷àñòè÷íî âûñòðîåííûé æãóòèê è ïåðåäàåò åãî, ïî ïðåæíåìó â íåçàâåðøåííîì âèäå, ñâîèì ïîòîìêàì.
Ê ìîìåíòó îêîí÷àíèÿ ñèíòåçà æãóòèêîâ ïðîáëåìà, çàñòàâèâøàÿ ìèêðîîðãàíèçì îòðàùèâàòü èõ, ìîæåò ðàçðåøèòüñÿ ñàìà ñîáîé. Âñÿ çàòðà÷åííàÿ íà ýòó ðàáîòó ýíåðãèÿ ïðîïàäàåò âïóñòóþ. Ïîýòîìó E. coli âíèìàòåëüíî ñëåäèò çà òåì, ÷òî ïðîèñõîäèò âîêðóã, è êàê òîëüêî äåëà íà÷èíàþò èäòè íà ëàä, îñòàíàâëèâàåò ñáîðêó æãóòèêà. Åäèíñòâåííàÿ ïðè÷èíà, èç?çà êîòîðîé ýòà ñòðàòåãèÿ ñïîñîáíà ïðèâåñòè ê íåóäà÷å, çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî íàñòóïëåíèå ëó÷øèõ âðåìåí ìîæåò îáåðíóòüñÿ ìèìîëåòíûì ìèðàæîì. Åñëè E. coli ïðåêðàòèò ñáîðêó æãóòèêà ïðè ïåðâîì ïðîáëåñêå íàäåæäû ñêàæåì, ñëó÷àéíî ïðîïëûâàþùåé ìèìî ìîëåêóëû êèñëîðîäà, îíà ìîæåò çàñòðÿòü òàì, ãäå åå æèçíè ãðîçèò îïàñíîñòü. Òàêèå ñèãíàëû èãðàþò äëÿ E. coli ðîëü ïîìåõ, êîòîðûå îíà äîëæíà îòñåêàòü.
×òîáû îáúÿñíèòü, êàê E. coli îòôèëüòðîâûâàåò èç ñèãíàëà ïîìåõè, ÿ íàðèñóþ áëîê ñõåìó ñîîòâåòñòâóþùåé ñèñòåìû. Ñòðåëêà ñî çíàêîì «ïëþñ» îçíà÷àåò, ÷òî äàííûé ñèãíàë èëè ãåí ñòèìóëèðóåò àêòèâíîñòü äðóãîãî ãåíà.
Çíàê «ìèíóñ» îçíà÷àåò, ÷òî ãåí ïîäàâëåí. Ïåðâàÿ ñòðåëêà íà ýòîé ñõåìå âåäåò èç âíåøíåãî ìèðà âíóòðü êëåòêè E. coli. Ïî÷óâñòâîâàâ, ÷òî óñëîâèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû ñòàëè íåáëàãîïðèÿòíûìè, áàêòåðèÿ â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ïðîèçâîäèò â îòâåò áåëêè FlhD è FlhC, êîòîðûå ôîðìèðóþò òåòðàìåðíûé êîìïëåêñ, ñîñòîÿùèé èç äâóõ ìîëåêóë FlhD è äâóõ ìîëåêóë FlhC.
Ýòîò êîìïëåêñ îäèí èç ãëàâíûõ ïåðåêëþ÷àòåëåé E. coli. Îí ñïîñîáåí çàêðåïëÿòüñÿ â ðàçíûõ ìåñòàõ áàêòåðèàëüíîé õðîìîñîìû è âêëþ÷àòü ðàçíûå ãåíû, êîòîðûå îòâå÷àþò çà ïðîèçâîäñòâî ìíîãèõ áåëêîâ, íåîáõîäèìûõ äëÿ ñèíòåçà æãóòèêà.
Èìåííî çäåñü êðîåòñÿ îñíîâíîé íåäîñòàòîê ìåõàíèçìà, îòâå÷àþùåãî çà ñèíòåç æãóòèêà.  îòâåò íà ñòðåññîâîå âîçäåéñòâèå ýòîò ìåõàíèçì ìîæåò âêëþ÷èòü ñîîòâåòñòâóþùèå ãåíû, íî åìó æå ïðèäåòñÿ èõ âûêëþ÷àòü, êîãäà êðèçèñ çàâåðøèòñÿ. Áåç âîçäåéñòâèÿ ñòðåññîâîãî ôàêòîðà áàêòåðèÿ ïðåêðàùàåò ïðîèçâîäèòü íîâûå ìîëåêóëû FlhD/FlhC. Ñòàðûå ìîëåêóëû ïîñòåïåííî èñ÷åçàþò, è êîíòðîëèðóåìûå FlhD/FlhC ãåíû òåðÿþò ñïîñîáíîñòü ïðîèçâîäèòü ñâîè áåëêè.  ðåçóëüòàòå ñëîæíûé ïðîöåññ ñèíòåçà æãóòèêà íà÷èíàåò äàâàòü ñáîè è âîîáùå ïðåêðàùàåòñÿ ïðè ìàëåéøåì, õîòÿ è íåäîëãîì, óëó÷øåíèè ñèòóàöèè. Êîãäà æå óñëîâèÿ âíîâü óõóäøàòñÿ, áàêòåðèè ïðèäåòñÿ ïàñêî÷åãàïèâàòü ñâîþ æãóòèêîñòïîèòåëüíóþ ìàøèíó ïðàêòè÷åñêè ñ íóëÿ. Ïîíÿòíî, ÷òî â êðèòè÷åñêèõ îáñòîÿòåëüñòâàõ ëþáàÿ çàäåðæêà ìîæåò îêàçàòüñÿ ôàòàëüíîé.
Íà ñàìîì äåëå E. coli íå ñòðàäàåò è íå ãèáíåò îò ëîæíûõ ñèãíàëîâ òðåâîãè, ïîòîìó ÷òî â åå ãåíåòè÷åñêîì àïïàðàòå èìåþòñÿ äîïîëíèòåëüíûå ñèñòåìû ðåãóëÿöèè. Ïðè âêëþ÷åíèè ãåíîâ, îòâå÷àþùèõ çà ñèíòåç æãóòèêà, êîìïëåêñ FlhD/FlhC çàïóñêàåò ðåçåðâíûé ãåí fliA.
Êîäèðóåìûé èì áåëîê FliA òîæå ìîæåò âêëþ÷àòü ãåíû, îòâå÷àþùèå çà ñèíòåç æãóòèêà.
Íî fliA, ïîìèìî âñåãî ïðî÷åãî, íàõîäèòñÿ ïîä êîíòðîëåì åùå îäíîãî áåëêà, ïîëó÷èâøåãî íàçâàíèå FlgM. Ýòîò áåëîê çàõâàòûâàåò ìîëåêóëû áåëêà FliA ñðàçó æå, êàê òîëüêî E. coli èõ ñèíòåçèðóåò, è íå ïîçâîëÿåò èì âêëþ÷àòü ãåíû ñèíòåçà æãóòèêà. Âîò êàê âûãëÿäèò ñõåìà ñ ó÷àñòèåì FlgM:
Îäíàêî FlgM íå ñïîñîáåí äîëãî ïîäàâëÿòü ðàáîòó fliA, ïîòîìó ÷òî E. coli âûáðàñûâàåò åãî íàðóæó ÷åðåç òó æå øïðèöåïîäîáíóþ ñòðóêòóðó, ÷åðåç êîòîðóþ ïîäàåòñÿ ñòðîèòåëüíûé ìàòåðèàë äëÿ æãóòèêà. Ïî ìåðå òîãî êàê ÷èñëî ìîëåêóë FlgM ñíèæàåòñÿ, âûñâîáîæäàåòñÿ âñå áîëüøå ìîëåêóë áåëêà FliA, êîòîðûå íà÷èíàþò âêëþ÷àòü ãåíû ñèíòåçà æãóòèêà îäèí çà äðóãèì.
Âîò, íàêîíåö, ïîëíàÿ ñõåìà ïðîòèâîïîìåõîâîãî ôèëüòðà E. coli, ñîñòàâëåííàÿ Àëîíîì è åãî êîëëåãàìè:
Ýòîò ýëåãàíòíûé ãåíåòè÷åñêèé ìåõàíèçì äåëàåò E. coli öàðèöåé â ëó÷øåì èç ìèðîâ.  íà÷àëå ïðîöåññà ñèíòåçà æãóòèêà áàêòåðèÿ ñîõðàíÿåò âûñî÷àéøóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ê ëþáûì ïðèçíàêàì óëó÷øåíèÿ ñèòóàöèè, ïîòîìó ÷òî çà ðàáîòó ñîîòâåòñòâóþùèõ ãåíîâ â ýòîò ìîìåíò îòâå÷àåò òîëüêî FlhD/FlhC. Íî êîãäà «øïðèö» ïîñòðîåí è E. coli íà÷èíàåò âûêà÷èâàòü FlgM íàðóæó, â äåëî âñòóïàåò ïðîòèâîïîìåõîâûé ôèëüòð. Åñëè òåïåðü ñòðåññîâûå ôàêòîðû îñëàáåâàþò, ñíèæàåòñÿ è óðîâåíü FlhD/FlhC. Íî ê ýòîìó ìîìåíòó E. coli óæå óñïåâàåò âûðàáîòàòü äîñòàòî÷íîå êîëè÷åñòâî ñâîáîäíûõ ìîëåêóë áåëêà FliA, ÷òîáû óäåðæèâàòü ãåíû ñèíòåçà æãóòèêà â ðàáî÷åì ñîñòîÿíèè áîëåå ÷àñà. Çàòåì, åñëè óëó÷øåíèå ñèòóàöèè îêàæåòñÿ âðåìåííûì, E. coli âîçîáíîâèò ïðîèçâîäñòâî FlhD/FlhC, è ñèíòåç æãóòèêà ïðîäîëæèòñÿ áåç ñáîåâ.
E. coli ñïîñîáíà îòôèëüòðîâûâàòü ïîìåõè è øóì, íî îíà îòíþäü íå ãëóõà. Åñëè îáñòàíîâêà çíà÷èòåëüíî óëó÷øèòñÿ, áàêòåðèÿ ïðåêðàòèò ñèíòåç æãóòèêà. Äåëî â òîì, ÷òî çàïàñà FliA íàäîëãî íå õâàòèò. Ìîëåêóëû áåëêà îäíà çà äðóãîé ïîëó÷àþò ïîâðåæäåíèÿ, è ìîëåêóëÿðíûå ìóñîðùèêè E. coli èõ óíè÷òîæàþò. Åñëè ñòðåññîâîå âîçäåéñòâèå íå âîçîáíîâèòñÿ â òå÷åíèå îïðåäåëåííîãî âðåìåíè, çàïàñû áåëêà FliA çàêîí÷èòñÿ è ñõåìà ïåðåñòàíåò äåéñòâîâàòü. Âèäíî, è ïðàâäà âåðíóëèñü ñûòûå âðåìåíà, è ïîðà îòêàçàòüñÿ îò ñòðîèòåëüñòâà áåñïîëåçíîãî æãóòèêà.
Ñåé÷àñ ó÷åíûå ïûòàþòñÿ ðàçîáðàòüñÿ â ãåíåòè÷åñêèõ ñõåìàõ äðóãèõ áèîëîãè÷åñêèõ âèäîâ òàê æå òùàòåëüíî, êàê Àëîí è åãî êîëëåãè ðàçîáðàëèñü â ñõåìàõ E. coli. Íî ýòîò ïðîöåññ çàéìåò íåìàëî âðåìåíè. Çíàíèé ó÷åíûõ î òîì, êàê ðàáîòàþò â ýòèõ ñõåìàõ ãåíû è áåëêè, ïîêà íåäîñòàòî÷íî, ÷òîáû ñòðîèòü õîðîøèå, äîñòîâåðíûå ìîäåëè. Âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ íàì èçâåñòíî ëèøü, ÷òî ãåí À âêëþ÷àåò ãåíû  è Ñ; ìû íå ïðåäñòàâëÿåì, ÷òî çàñòàâëÿåò åãî «ùåëêàòü âûêëþ÷àòåëåì» è ÷òî ïðîèñõîäèò ïîñëå ýòîãî.
Íî Àëîí ñóìåë èçâëå÷ü çàìå÷àòåëüíûé óðîê äàæå èç òàêîãî êðîõîòíîãî îáúåìà èíôîðìàöèè. Âìåñòå ñ êîëëåãàìè îí òùàòåëüíî èññëåäîâàë ãåíû E. coli è íåñêîëüêèõ äðóãèõ õîðîøî èçó÷åííûõ âèäîâ äðîææåé, óêñóñíûõ íåìàòîä, ïëîäîâûõ ìóøåê, ìûøåé è ÷åëîâåêà. Ñîåäèíåíèå îòäåëüíûõ áëîêîâ ýòèõ ñõåì ñòðåëêàìè ïðîèñõîäèò â ñîîòâåòñòâèè ñ íåêèì øàáëîíîì íàìíîãî ÷àùå, ÷åì ìîæíî áûëî áû îæèäàòü ïðè èõ ñëó÷àéíîì ôîðìèðîâàíèè. Ïðîòèâîïîìåõîâûé ôèëüòð E. coli, ê ïðèìåðó, ïðèíàäëåæèò ê êëàññó ñõåì, êîòîðûå èíæåíåðû íàçûâàþò ñõåìàìè ðåãóëèðîâàíèÿ ñ ïðÿìîé ñâÿçüþ èëè ñõåìàìè íåïîñðåäñòâåííîãî ðåãóëèðîâàíèÿ. (Öåïî÷êà ñâÿçåé â ïðîòèâîïîìåõîâîì ôèëüòðå èäåò îò FlhDC ê FliA è äàëåå ê ãåíàì ñèíòåçà æãóòèêà.) Êàê ïîêàçàëè Àëîí è åãî êîëëåãè, ñõåìû íåïîñðåäñòâåííîãî èëè ïðÿìîãî ðåãóëèðîâàíèÿ íåîáû÷àéíî ïîïóëÿðíû â æèâûõ ñèñòåìàõ. Êðîìå òîãî, ïðèðîäà äåìîíñòðèðóåò ñêëîííîñòü ê èñïîëüçîâàíèþ åùå íåñêîëüêèõ òèïîâ ñõåì, êîòîðûå, ñóäÿ ïî âñåìó, òàêæå äàþò æèçíè âîçìîæíîñòü èçâëåêàòü âûãîäó èç òàêèõ èíæåíåðíûõ ðåøåíèé, êàê ïðîòèâîïîìåõîâûå ôèëüòðû. E. coli è ñëîí, ïîõîæå, íå ïðîñòî ïîñòðîåíû íà áàçå îäíîãî è òîãî æå ãåíåòè÷åñêîãî êîäà. Âäîáàâîê, îíè ñêîìïîíîâàíû ñ èñïîëüçîâàíèåì îäíèõ è òåõ æå ñòàíäàðòíûõ ñõåìîòåõíè÷åñêèõ ïðèåìîâ.
Источник