В клетках эукариотов также существуют структуры, обладающие собственной ДНК, то есть «персональной» генетической информацией. Это митохондрии и хлоропласты.
Митохондрии представляют собой своеобразные энергетические станции клетки, в которых подвергаются окислению органические вещества, поступающие в клетку извне. В процессе окисления образуются молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), накапливающие энергию в своих химических связях (своеобразные клеточные аккумуляторы). Обычно в клетке содержится около двух тысяч митохондрий. Митохондрии имеют сферическую или эллипсоидную форму.
Митохондрии присутствуют как в животных, так и в растительных клетках, а хлоропласты или зеленые пластиды – только в растительных. Хлоропласты осуществляют фотосинтез. Благодаря наличию ДНК митохондрии и хлоропласты самостоятельно синтезируют ряд белков, поэтому их относят к так называемым полуавтономным клеточным структурам. Прочие белки в клетке синтезируются на основании информации, закодированной в основной ДНК, содержащейся в ядре.
Между плазмидами и митохондриями с хлоропластами есть одно существенное, можно сказать – принципиальное, различие. Бактерии (в том числе и бактерии разных видов) могут обмениваться плазмидами между собой, то есть делиться друг с другом генетической информацией. А вот митохондриями и хлоропластами эукариотические клетки между собой не обмениваются. «Автономность» митохондрий и хлоропластов ограничивается способностью к самостоятельному синтезу некоторых белков.
Кроме ДНК существуют еще и РНК – рибонуклеиновые кислоты, отличающиеся от молекул ДНК химическим строением и размерами. Молекулы РНК гораздо меньше молекул ДНК. Они бывают одноцепочечными или представляют собой многочисленные короткие фрагменты, собранные в нечто, похожее на клубок.
Подобно молекулам ДНК, молекулы РНК состоят из четырех видов нуклеотидов. У ДНК-содержащих организмов разные РНК выполняют разные функции – служить матрицами для синтеза молекул различных белков, транспортировать вещества внутри клетки, запускать процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы[23]. А у некоторых вирусов, не имеющих ДНК, наследственная информация записана в РНК.
Необходимо сделать одно уточнение. Не воспринимайте код из четырех нуклеотидов как варианты комбинации из четырех цифр от 0000 до 9999. Нет, код ДНК представляет собой длинные ряды, состоящие из четырех кодирующих элементов: «…123234432113214412341…» Число элементов в ряду не ограничено и вариантов комбинаций здесь может быть бесконечно много.
В завершение нашего краткого курса генетики давайте вспомним о вирусах, которые отличаются от живых организмов полным отсутствием обмена веществ, а также отсутствием клеточной структуры и аппарата синтеза белков. Но в то же время вирусы имеют генетический материал, способны к размножению (пусть и внутри клетки-хозяина) и эволюционируют путем естественного отбора[24], что позволяет отнести их к живым организмам. Посредством своей нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) вирус управляет клеткой-хозяином и программирует ее системы на синтез своего, вирусного материала (нуклеиновой кислоты и белков вирусных оболочек) из веществ клетки-хозяина. Можно сказать, что вирус «подчиняет» себе клетку и беззастенчиво пользуется ее ресурсами.
Все! Краткий курс генетики завершен. Можете считать себя генетиками первого дана, с которыми можно вести откровенный разговор на профессиональном уровне.
Могут ли организмы, не являющиеся родителями и потомками, в том числе и организмы, принадлежащие к разным видам, обмениваться генетической информацией между собой?
Да – могут! Горизонтальный перенос генов реально существует в природе.
Грозит ли нам чем-то этот горизонтальный перенос генов?
Грозит, еще как грозит!
Горизонтальный перенос генов дает бактериям возможность делиться друг с другом устойчивостью к антибиотикам, а эта устойчивость на сегодняшний день является ведущей проблемой в лечении заболеваний, вызванных инфекционными агентами и одной из ведущих проблем современной фармакологии. Образно говоря, мы с патогенными микробами пребываем в состоянии непрекращающейся «гонки вооружений». Стоит нам ударить по микробам новым антибиотиком, как они сразу же начинают создавать оборонительные сооружения – вырабатывать устойчивость к этому препарату. Нам приходится создавать новый антибиотик, к которому сразу же… Ну, вы поняли. Мало того что микроорганизмы способны вырабатывать эту устойчивость, они еще и делиться ею могут, посредством обмена плазмидами.
Именно обмен плазмидами между клетками и обеспечивает горизонтальный перенос генов у бактерий. Две бактерии сближаются, на участке соприкосновения их клеточные мембраны разрушаются, происходит обмен плазмидами, затем мембраны восстанавливаются и бактерии расходятся. Просто, быстро, удобно, эффективно. Но можно произвести обмен плазмидами и еще проще – без слияния. Одна бактерия «выбрасывает» плазмиду, то есть выводит ее во внешнюю среду, а другая – забирает «бесхозную» плазмиду себе.
Если у вас беспокойно застучало сердце, похолодели руки и волосы встали дыбом, то сделайте несколько глубоких вдохов, выпейте воды или чего-то еще успокаивающего, а затем читайте дальше.
Поводов к волнению у нас с вами нет, потому что никакого «генетического терроризма» не существует. Обмен плазмидами возможен исключительно между бактериями и только в прокариотической (безъядерной) бактериальной клетке плазмиды могут функционировать, то есть обеспечивать синтез белков на основании информации, содержащейся в их плазмидной ДНК.
Надо сказать, что человеческое сознание устроено удивительнейшим образом. Все мы знаем о том, что деталь от автомобиля одной марки скорее всего не подойдет к автомобилю другой марки, что пульт от кондиционера не может управлять телевизором и что одним ключом нельзя открыть все замки. Однако в то же время большинство из нас думает, что все живые клетки одинаковы. Думает, несмотря на многообразие живой природы, ежедневно мелькающее у нас перед глазами.
Если грибы и гидры размножаются почкованием, то это еще не означает, что гепарды и гамадрилы тоже должны размножаться подобным образом. Несмотря на то что их названия тоже начинаются с буквы «г». Как-то так.
Бактерия может передать свои плазмиды другой бактерии, но не может передать их клеткам слизистой оболочки толстой кишки или, скажем, слизистой оболочки влагалища. Даже искусственным образом это невозможно сделать. К великому огорчению генных инженеров, которые занимаются переносам генов от одних организмов к другим. Если прикрепить к плазмиде ген, то плазмида может выступать в роли его переносчика между бактериями, поскольку бактериальные клетки охотно поглощают чужие плазмиды. Но плазмиды, к сожалению, не помогут внедрить чужой ген в растительные клетки или, скажем, в животные.
К сожалению? Какое, к чертям, сожаление? К счастью! К счастью!
Спите спокойно и живите без страха. Ни при каких обстоятельствах, каким бы боком к вам не повернулась бы Фортуна, вам не грозит опасность превратиться из венца творения в скопище разнородных бактерий. Этого никогда не произойдет, потому что не может произойти. Миф о возможности обмена генами между бактериями и людьми возник вследствие неверного распространения выявленной особенности бактериальных клеток на все без исключения живые организмы. Так делать нельзя, даже если очень хочется, потому что это антинаучно.
Антинаучно, но нервы щекочет качественно. Стоит только представить, как твоя нога (или рука, неважно) превратилась в кучку бактерий, как… Ладно, хватит о страшном. У нас научно-популярная книга о микробиологии, а не ужастик в стивенокинговском духе.
Сейчас некоторые читатели понимающе улыбнутся и подумают: «Да хватит морочить нам головы бактериями и плазмидами, давайте лучше о вирусах поговорим».
Давайте поговорим. Мы как раз и собирались это сделать, поскольку без вирусов, при помощи которых генные инженеры осуществляют пересадки генов, тема горизонтального переноса была бы раскрыта не до конца.
Да – вирусы изменяют ДНК клеток, в которые они внедряются. То есть, по сути дела, «переключают» внимание клетки на свою ДНК или РНК. В норме клетка живет по законам (или согласно кодам), установленным ее ДНК. В ДНК все прописано досконально – когда и в каком количестве какой белок синтезировать. Любой признак живого организма определяется теми или иными белками, синтез которых кодируют гены.
Вирус дает клетке свою нуклеиновую кислоту и каким-то непостижимым образом «отвлекает внимание» клетки от ее собственной клеточной ДНК. Как только ученые установят механизм этого «отвлечения внимания», вирусам настанет кирдык, потому что они больше никогда никуда внедриться не смогут. Кто знает механизм процесса, тот всегда найдет возможность противодействия этому процессу.
Упрощенно и грубо можно сказать, что вирус подменяет ДНК той клетки, в которой он паразитирует. Это не горизонтальный перенос генов в чистом и незамутненном виде, но нечто тождественное, близкое – в клетку проникают чужие гены и клетка начинает считывать заложенную в них информацию.
Чем нам это грозит?
Или гибелью клетки и увеличением количества вирусов, которые успела «наштамповать» клетка до своей гибели, или же изменением свойств клетки, например – появлением ненормальной способности к бесконтрольному размножению, то есть к возникновению онкологического процесса. Но ни один вирус не способен превратить пораженный организм (одноклеточный или многоклеточный) в свое подобие. Он может только размножаться, паразитируя в клетке. Потому-то в случае с вирусами не говорят о горизонтальном переносе генов. Истинный горизонтальный перенос имеет место только тогда, когда клетка, получившая генетический материал, использует его в процессе своей нормальной жизнедеятельности и передает его потомству – дочерним клеткам.