Как постичь главную тайну океана (часть II)

Бактерии, содержащие фотородопсин, на дереве жизни обозначены как SAR86. Впоследствии ДеЛонг показал, что эти организмы широко распространены в поверхностных водах океанов. Изобилие бактерий указывает на то, что выработка энергии с помощью света достаточно широко происходит в океанических водах...

Продолжение. Начало - здесь

Бактерии, содержащие фотородопсин, на дереве жизни обозначены как SAR86. Впоследствии ДеЛонг показал, что эти организмы широко распространены в поверхностных водах океанов. Изобилие бактерий указывает на то, что выработка энергии с помощью света достаточно широко происходит в океанических водах.

Родопсин - важный компонент глаз млекопитающих, он работает там как светочувствительный элемент. Когда на него попадает свет, он вступает в связь с молекулой ретинала - так работает механизм зрения. В archaea тоже есть родопсин, но с немного другой. Белок этого гена не только связывает ретинал, но и работает "протонным насосом" - он выталкивает положительные ионы водорода из клеток, вырабатывая тем самым энергию.

Уже само открытие фотородопсина потрясало основы биологии. Но ДеЛонг поставил новую задачу - он хотел добиться функционирования этого вещества в кишечной палочке - бактерии, которая легко размножается в лабораторных условиях. Однако здесь существовала одна серьезная проблема: выращенные в лаборатории культуры бактерий, подобных кишечной палочке, не могут существовать в условиях, в которых обитает большинство морских микроорганизмов. Изъятие молекулы из морской бактерии и помещение ее в лабораторные условия может вызвать ее гибель. Возможно, что молекулы родопсина в новых бактериях могут функционировать только в определенных условиях. В таком случае ученый вернулся бы к тому, с чего начинал, будучи вынужден пытаться разводить бактерий, которые отказываются жить вне океана.

Для того, чтобы поместить родопсин в кишечную палочку, Беджа применил молекулярную хитрость. Поместив ген в бактерии, он смешал их с ретиналом. Ретинал столь мал, что может проникать сквозь молекулярные мембраны. Когда же ретинал попал в бактерии, Беджа осветил микробов. К его радости, кишечная палочка покраснела, указывая на то, что молекулы родопсина связали ретинал.

Затем исследователи проверили, работает ли родопсин как насос, измерив количество ионов водорода, которые "выбрасываются" из клеток. К радости исследователей, удалось не только зафиксировать этот процесс, но даже измерить количество вырабатываемой при этом энергии. Вскоре ДеЛонг направил заявку на патент на ген родопсина в бактериях. Он полагает, что его открытие может применяться в нанотехнологиях, в частности, для выработки энергии в кишечной палочке для создания дополнительных запасов белков, используемых при производстве лекарств.

Одновременно поступило предложение о сотрудничестве от Института генных исследований в Мэрилэнде - тамошние исследователи хотели найти микроорганизмы, которые помогли бы разрешить проблему возрастающей сопротивляемости антибиотикам. Каждый год миллиарды долларов тратятся на эксперименты, направленные на создание новых антибиотиков. Но основные находки, скорее всего, таятся за пределами лабораторий. Микробы сражаются друг с другом миллиарды лет. При этом отдельные бактерии создают антибиотики, уничтожающие их врагов. Ученые надеются, используя знания о геномах бактерий, выявить такие антибиотики. Поэтому методы, используемые ДеЛонгом, позволили бы существенно ускорить процесс поисков.

Проблема антибиотиков была сформулирована ученым, занимающимся изучением другой загадки. Огромные скопления безымянных бактерий обитают также и в почве. Поэтому исследователи из Института генных исследований работают совместно со специалистами по почвенной микробиологии для того, чтобы обнаружить новые микроорганизмы. Как рассказывают ученые, эта идея возникла в 1996 году. Истоки ее заключаются в ранних работах норвежского микробиолога Торсвика, который гипотетически рассчитал точное число геномов бактерий на Земле.

Почвенный микробиолог Гудмэн, использую методику, похожую на методику ДеЛонга, обнаружил ряд бактерий, которые убивают своих врагов. Хотя его работа до сих пор не завершена, предварительные результаты выглядят многообещающе, поскольку Гудмэн ищет семейства генов, а не отдельные гены, как ДеЛонг. Большинство известных бактерий, вырабатывающих антибиотики, имеют определенные антибиотические гены, следующие друг за другом в ДНК. Когда он находит группу родственных генов, он полагает, что нашел то, что ему надо.

Гудмэн считает, что мы находимся на пороге понимания истинной глобальной роли микробиологии. Работы ДеЛонга показали, что геномика может разрешать задачи, которые ранее казались неразрешимыми. Впрочем, есть и скептики, и их немало: они утверждают, что не стоит слишком полагаться на подобные открытия, ведь идентификация гена не очень-то много дает в смысле понимания его функционирования. К примеру, ген может присутствовать в организме, но никогда не функционировать. Примеров тому множество.

Гудмэн же полагает, что скептики забывают научную пословицу: "знание того, какие породы растут в лесу, многое говорит о лесе". Если ген присутствует, он может сообщить исследователям информацию об эволюции организма или объяснить, почему микроорганизм обитает именно в этой среде. И хотя всегда найдутся те, которые не удовлетворятся до тех пор, пока не будут видеть организм как на ладони, но важность геномики состоит в том, чтобы дать возможность ученым узнать как можно больше об организмах, которые не дают себя потрогать.

Конечно, ДеЛонг не считает, что его открытие даст ответ на любые вопросы. "Нам по-прежнему необходимо многое выяснить", - говорит он. Теперь он пытается разрешить новую задачу. ДеЛонг и Беджа хотят добиться того, чтобы их родопсин функционировал и в океане, чтобы доказать, что ген может функционировать в естественной для микроба окружающей среде. ДеЛонг говорит "Моя цель - продолжать узнавать как можно больше об океанах". Он продолжает искать ответ на вопрос о том, почему многие микроорганизмы не могут быть выращены в лабораторных условиях. Ведь культивирование в лаборатории - исторически один из основных методов микробиологии. Основные теории утверждают, что ученый должен быть способен изъять организм из его среды обитания, культивировать его в лаборатории, а затем вернуть в естественную среду, чтобы наиболее полно понять его функционирование. Кажется, что ДеЛонг не успокоится, пока не применит этот постулат к загадочным морским микробам. Он уже размышлял о том, как это сделать, к примеру, выращивая бактерий под голубым светом, более привычным для существ, обитающих в море. Но достигнутые успехи побудили его пока продолжить исследования геномов.

Впрочем, куда бы не предпринял он следующее путешествие в поисках новых микроорганизмов, он неразрывно связан с местом своей работы - Институтом водных исследований Монтерейского залива. Сидя и созерцая великолепный вид залива, ученый улыбается и говорит: "Именно здесь я погружаюсь в большие раздумья о маленьких вещах".