Получалось, что бактерии, несмотря на генетическую идентичность, почему‑то ведут себя двумя принципиально разными способами. Новик и Уэйнер отделили любителей «лактозы» от тех бактерий, которые не желали ее утилизировать, и поместили их в свежие чашки Петри, где они смогли положить начало новым колониям. Их потомки вели себя точно так же. Любители производили на свет новых любителей, а потомки тех, кто не мог расщеплять лактозу, тоже не были способны это делать. Новик и Уэйнер обнаружили наследование признаков, не связанное с наследственностью!
Можно многое узнать о E. coli, если рассматривать ее как устройство, следующее фундаментальным принципам инженерного искусства. Это верно, но до определенного предела. Два «Боинга-777», находящиеся в одинаково хорошем техническом состоянии, должны вести себя абсолютно одинаково, но если бы они были похожи на E. coli, то в тот момент, когда один из них повернул бы налево, второй вполне мог бы повернуть направо.
Разница между E. coli и самолетом заключается в материале, из которого они сделаны. Если начинку самолета составляют провода и транзисторы, то внутри у E. coli — гибкие, подвижные и непредсказуемые молекулы. И работают они не равномерно, а «приступами». Электроны по схеме движутся равномерным потоком, а молекулы E. coli теснятся, толкаются и блуждают где попало. Когда какой‑нибудь ген активируется, это не значит, что соответствующий белок теперь будет производиться равномерно во все возрастающих количествах. Ферменты не всегда вовремя появляются там, где они нужны. Отдельная E. coli иногда вдруг резко увеличивает производство тех или иных белков. Если у нее включается lаcоперон, он может за первый же час выдать шесть молекул фермента бета — галактозидазы, а может и ни одного.
Именно благодаря неравномерности синтеза белков колония генетически идентичных E. coli становится группой индивидуальностей. Майкл Еловиц, ученый из Калифорнийского технологического института, сумел продемонстрировать это при помощи остроумного эксперимента. Вместе с коллегами он добавил к lac — оперону дополнительный ген, отвечающий за производство светящегося белка. Когда экспериментаторы заставляли бактерию включить этот оперон, она начинала производить такой белок. Вот только бактерия при этом не светилась — она мерцала. Каждый раз, когда синтез флуоресцентных белков ускорялся, происходила вспышка света. Одни вспышки были сильными и продолжительными, другие — совсем слабыми. А когда Еловиц сфотографировал всю колонию разом, то оказалось, что бактерии светятся не одновременно. На любом снимке присутствовали и темные, и ярко светящиеся бактерии.
Подобная неравномерность может привести к индивидуальным различиям между генетически идентичными бактериями. Оказывается, именно благодаря им некоторые особи E. coli с готовностью расщепляют лактозу, а другие не способны этого делать. Если бы мы могли заглянуть внутрь бактерии, которая не может расщеплять лактозу, то обнаружили бы репрессор, плотно обхвативший lас-оперон. Когда лактозе удается пройти сквозь мембрану бактерии, она изменяет форму молекулы репрессора, и тот отсоединяется от оператора. Как только lас — оперон высвобождается, РНК — полимеразы E. coli очень быстро приступают к работе. Они производят РНК — копию генов оперона, а рибосома синтезирует на ее матрице белки, в том числе и бета — галактозидазу.
При этом следует учитывать, что каждая E. coli, как правило, имеет лишь несколько молекул репрессора. Любой из них требуется всего несколько минут, чтобы найти lас — оперон и прекратить производство бета — галактозидазы. За короткие мгновения свободы оперон синтезирует лишь крохотное количество этого фермента, да и те немногие молекулы, которые все же успевают появиться, вскоре разрушаются специальными белками. Добавление небольшого количества лактозы не меняет положения вещей. Внутрь микроорганизма попадает слишком мало лактозы, чтобы надолго удержать репрессоры от подавления lас — оперона. Бактерия, как и прежде, не расщепляет лактозу.
Однако, если содержание лактозы в растворе продолжает повышаться, поведение E. coli внезапно изменяется и она начинает проявлять к ней активный интерес. Существует пороговая концентрация, за которой этот микроорганизм приступает к производству больших количеств бета — галактозидазы. Секрет такого превращения таится в одном из генов lac — оперона. Одновременно с бета — галактозидазой E. coli синтезирует еще один белок — пермеазу; этот белок встраивается в мембрану микроорганизма и переносит внутрь клетки молекулы лактозы. Когда lас — оперон бактерии, не желающей расщеплять лактозу, ненадолго включается, он производит и некоторое количество молекул пермеазы, которые начинают транспортировать лактозу внутрь микроорганизма. Дополнительные молекулы лактозы связывают большее количество молекул репрессора; lас — оперон включается и работает более длительное время, пока репрессор вновь его не заблокирует. Он произведет больше белков — и бета — галактозидазы для расщепления лактозы, и пермеазы для переноса лактозы внутрь. Возникает положительная обратная связь: чем больше становится пермеазы, тем больше внутрь клетки транспортируется лактозы, которая увеличивает количество пермеазы, которая, в свою очередь, транспортирует больше лактозы. Эта обратная связь переводит E. coli в новое состояние, в котором она производит бета — галактозидазу и расщепляет лактозу со всей доступной ей скоростью
[12].
Теперь E. coli трудно будет заставить вернуться к прежнему существованию. Если концентрация лактозы снизится, пермеазная система тем не менее будет активно переносить ее внутрь бактериальной клетки. E. coli сможет обеспечить себя достаточным количеством лактозы, чтобы удерживать репрессоры от блокирования оперона, так что производство бета — галактозидазы и пермеазы будет продолжаться. И только когда концентрация лактозы упадет ниже критического уровня, репрессоры вновь возьмут верх. Они заблокируют лактозный оперон, и синтез выключится.
Такой переключатель, работающий с задержкой по времени, поможет нам разобраться в странных результатах экспериментов Новика и Уэйнера. Разная реакция на лактозу у двух генетически одинаковых E. coli может объясняться разной историей этих бактерий. Не расщепляющая лактозу бактерия сопротивляется включению, тогда как вошедшая во вкус сопротивляется выключению. И оба типа бактерий способны передавать свое состояние последующим поколениям. При этом передачи разных генов не происходит. Просто одни бактерии передают потомкам много встроенных в мембрану молекул пермеазы и много плавающих внутри клетки молекул лактозы. Другие не передают ни того, ни другого.
А если к подобному переключателю добавить неравномерное производство белков, то это и будет рецепт индивидуальности E. coli. Когда колония E. coli получает немного лактозы, то у некоторых бактерий сразу же возникает гигантский всплеск производства белков, кодируемых генами лактозного оперона. Бактерии преодолевают порог, начинают расщеплять лактозу и остаются в таком состоянии, даже если ее концентрация падает. Другие E. coli в ответ на появление лактозы не производят никаких белков и по — прежнему не могут утилизировать лактозу. Так генетически идентичные клоны обретают индивидуальность в результате случайных событий.
