Живые схемы

Живые схемы

Для инженера схема — это совокупность проводов, резисторов и других электронных компонентов, организованных таким образом, чтобы получить из входного сигнала выходной. Счетчик Гейгера, зарегистрировав пролетающую через него радиоактивную частицу, производит щелчок. Нажатие на клавишу выключателя погружает комнату в темноту. Гены работают в соответствии с той же логикой. У генетической схемы тоже есть входы и выходы. Lac — оперон срабатывает лишь при получении на вход двух сигналов: сигнала о том, что у E. coli закончилась глюкоза, и сигнала о наличии лактозы. На выходе этой схемы — белки, необходимые E. coli для расщепления лактозы.

У E. coli нет проводов, которые ученые могли бы разомкнуть, чтобы посмотреть, как работают ее схемы. Вместо этого им приходится ставить эксперименты вроде тех, что проводили Моно и Жакоб. Экспериментаторы наблюдают, как быстро микроорганизмы откликаются на изменение окружающей среды, с какой скоростью они способны произвести тот или иной белок или, наоборот, избавиться от него. Они объединяют результаты множества экспериментов в модели и с их помощью предсказывают, как поведет себя E. coli в следующем эксперименте. Фундаментальные открытия, сделанные Моно, Жакобом и их коллегами на E. coli, позволили другим ученым разобраться в схемах разных видов, в том числе и нашего. Но в течение всех 50 лет, что прошли с того памятного вечера в кинотеатре, исследователи продолжали всерьез изучать E. coli. Им удалось обнаружить в генетическом аппарате бактерии интереснейшие структуры, а позже составить его карту — самую подробную из всех обитающих на Земле видов живых существ; попутно выяснилось, что генетические схемы во многом напоминают схемы электронные, которые сегодня можно обнаружить в цифровых камерах или спутниковых радиоприемниках.

Чтобы доказать, что это не пустое сравнение, я хочу разобрать работу всего лишь одной из множества схем E. coli. Эта схема управляет биосинтезом и сборкой жгутиков. Ученые потратили немало лет на то, чтобы выяснить, какие гены в нее входят. А в 2005 г. Ури Алон и его коллеги из Института Вейцмана определили наконец, что эта схема делает. Она работает как противопомеховый фильтр.

Инженеры используют подобные фильтры для блокирования атмосферных помех в телефонных линиях, борьбы с размыванием изображений и другими внешними воздействиями, затрудняющими прием сигнала. В случае E. coli в роли помех выступает лишняя, несущественная информация об окружающей среде, а противопомеховый фильтр позволяет бактерии обращать внимание только на те факторы, которые имеют принципиальное значение. Для E. coli при сборке жгутика крайне важно отсекать помехи, потому что его сооружение во многом напоминает строительство собора.

Бактерия должна включить около 50 генов, синтезирующих десятки тысяч белков, причем белки эти синтезируются и действуют в строго согласованном порядке. Сначала мотор встраивается в клеточную оболочку. Затем стержень с центральным каналом, работающий наподобие шприца, пройдя сквозь центр мотора, выталкивает наружу тысячи белковых молекул. Белки проходят через полую трубочку и появляются с другой стороны, наращивая жгутик. Весь процесс занимает один — два часа, что для E. coli может означать несколько поколений. При делении клетки новая бактерия наследует частично выстроенный жгутик и передает его, по — прежнему в незавершенном виде, своим потомкам.

К моменту окончания синтеза жгутиков проблема, заставившая микроорганизм отращивать их, может разрешиться сама собой. Вся затраченная на эту работу энергия пропадает впустую. Поэтому E. coli внимательно следит за тем, что происходит вокруг, и как только дела начинают идти на лад, останавливает сборку жгутика. Единственная причина, из?за которой эта стратегия способна привести к неудаче, заключается в том, что наступление лучших времен может обернуться мимолетным миражом. Если E. coli прекратит сборку жгутика при первом проблеске надежды — скажем, случайно проплывающей мимо молекулы кислорода, — она может застрять там, где ее жизни грозит опасность. Такие сигналы играют для E. coli роль помех, которые она должна отсекать.

Чтобы объяснить, как E. coli отфильтровывает из сигнала помехи, я нарисую блок — схему соответствующей системы. Стрелка со знаком «плюс» означает, что данный сигнал или ген стимулирует активность другого гена.

Знак «минус» означает, что ген подавлен. Первая стрелка на этой схеме ведет из внешнего мира внутрь клетки E. coli. Почувствовав, что условия окружающей среды стали неблагоприятными, бактерия в некоторых случаях производит в ответ белки FlhD и FlhC, которые формируют тетрамерный комплекс, состоящий из двух молекул FlhD и двух молекул FlhC.

Этот комплекс — один из главных переключателей E. coli. Он способен закрепляться в разных местах бактериальной хромосомы и включать разные гены, которые отвечают за производство многих белков, необходимых для синтеза жгутика.

Именно здесь кроется основной недостаток механизма, отвечающего за синтез жгутика. В ответ на стрессовое воздействие этот механизм может включить соответствующие гены, но ему же придется их выключать, когда кризис завершится. Без воздействия стрессового фактора бактерия прекращает производить новые молекулы FlhD/FlhC. Старые молекулы постепенно исчезают, и контролируемые FlhD/FlhC гены теряют способность производить свои белки. В результате сложный процесс синтеза жгутика начинает давать сбои и вообще прекращается при малейшем, хотя и недолгом, улучшении ситуации. Когда же условия вновь ухудшатся, бактерии придется паскочегапивать свою жгутикостпоительную машину практически с нуля. Понятно, что в критических обстоятельствах любая задержка может оказаться фатальной.

На самом деле E. coli не страдает и не гибнет от ложных сигналов тревоги, потому что в ее генетическом аппарате имеются дополнительные системы регуляции. При включении генов, отвечающих за синтез жгутика, комплекс FlhD/FlhC запускает резервный ген fliA.

Кодируемый им белок FliA тоже может включать гены, отвечающие за синтез жгутика.

Но fliA, помимо всего прочего, находится под контролем еще одного белка, получившего название FlgM. Этот белок захватывает молекулы белка FliA сразу же, как только E. coli их синтезирует, и не позволяет им включать гены синтеза жгутика. Вот как выглядит схема с участием FlgM:

Однако FlgM не способен долго подавлять работу fliA, потому что E. coli выбрасывает его наружу через ту же шприцеподобную структуру, через которую подается строительный материал для жгутика. По мере того как число молекул FlgM снижается, высвобождается все больше молекул белка FliA, которые начинают включать гены синтеза жгутика один за другим.

Вот, наконец, полная схема противопомехового фильтра E. coli, составленная Алоном и его коллегами:

Этот элегантный генетический механизм делает E. coli царицей в лучшем из миров. В начале процесса синтеза жгутика бактерия сохраняет высочайшую чувствительность к любым признакам улучшения ситуации, потому что за работу соответствующих генов в этот момент отвечает только FlhD/FlhC. Но когда «шприц» построен и E. coli начинает выкачивать FlgM наружу, в дело вступает противопомеховый фильтр. Если теперь стрессовые факторы ослабевают, снижается и уровень FlhD/FlhC. Но к этому моменту E. coli уже успевает выработать достаточное количество свободных молекул белка FliA, чтобы удерживать гены синтеза жгутика в рабочем состоянии более часа. Затем, если улучшение ситуации окажется временным, E. coli возобновит производство FlhD/FlhC, и синтез жгутика продолжится без сбоев.

E. coli способна отфильтровывать помехи и шум, но она отнюдь не глуха. Если обстановка значительно улучшится, бактерия прекратит синтез жгутика. Дело в том, что запаса FliA надолго не хватит. Молекулы белка одна за другой получают повреждения, и молекулярные мусорщики E. coli их уничтожают. Если стрессовое воздействие не возобновится в течение определенного времени, запасы белка FliA закончится и схема перестанет действовать. Видно, и правда вернулись сытые времена, и пора отказаться от строительства бесполезного жгутика.

Сейчас ученые пытаются разобраться в генетических схемах других биологических видов так же тщательно, как Алон и его коллеги разобрались в схемах E. coli. Но этот процесс займет немало времени. Знаний ученых о том, как работают в этих схемах гены и белки, пока недостаточно, чтобы строить хорошие, достоверные модели. Во многих случаях нам известно лишь, что ген А включает гены В и С; мы не представляем, что заставляет его «щелкать выключателем» и что происходит после этого.

Но Алон сумел извлечь замечательный урок даже из такого крохотного объема информации. Вместе с коллегами он тщательно исследовал гены E. coli и нескольких других хорошо изученных видов — дрожжей, уксусных нематод, плодовых мушек, мышей и человека. Соединение отдельных блоков этих схем стрелками происходит в соответствии с неким шаблоном намного чаще, чем можно было бы ожидать при их случайном формировании. Противопомеховый фильтр E. coli, к примеру, принадлежит к классу схем, которые инженеры называют схемами регулирования с прямой связью или схемами непосредственного регулирования. (Цепочка связей в противопомеховом фильтре идет от FlhDC к FliA и далее к генам синтеза жгутика.) Как показали Алон и его коллеги, схемы непосредственного или прямого регулирования необычайно популярны в живых системах. Кроме того, природа демонстрирует склонность к использованию еще нескольких типов схем, которые, судя по всему, также дают жизни возможность извлекать выгоду из таких инженерных решений, как противопомеховые фильтры. E. coli и слон, похоже, не просто построены на базе одного и того же генетического кода. Вдобавок, они скомпонованы с использованием одних и тех же стандартных схемотехнических приемов.