Содержание:
Что такое Чем отличаются от вирусов Как работают антибиотики Сколько на Земле бактерий Насколько бактерии изучены Что будет, если все бактерии исчезнут Зачем искать новые бактерии
Что такое бактерии
Бактерии — это одноклеточные свободно живущие микроорганизмы. Бактериальные клетки кардинально отличаются от клеток человека и других многоклеточных и поэтому бактерии формируют отдельный домен, то есть верхний уровень классификации живых организмов. Бактерии являются прокариотами. Это означает, что в бактериальной клетке нет ядра и других отделенных от внутриклеточного пространства органелл. Люди и другие животные, в том числе многие одноклеточные, а также растения и грибы составляют домен эукариот, то есть клетка такого организма содержит оформленное ядро, в котором, отдельно от всех остальных органелл и цитоплазмы хранится генетическая информация в виде молекул ДНК. В клетках эукариот есть и другие специфические компартменты: в переводе с английского это значит «отсек» — речь об отдельных внутриклеточных пространствах со своей функцией.
Чем бактерии отличаются от вирусов
Вирусы вызывают многие болезни человека. В биологии нет общего мнения, являются ли они живыми организмами или это просто сложно организованные высокомолекулярные соединения неживой природы. От живых организмов вирусы отличает прежде всего то, что они не нуждаются в энергии для независимого существования. Например, вирус гриппа получает энергию для распространения тогда, когда его носитель чихает. Получив импульс, он движется по инерции. Принимая во внимание крайне малые размеры и массу вирусов, много энергии для перемещения им не нужно.
У вирусов нет никаких средств для преобразования энергии, которую они могли бы получить при расщеплении каких-либо соединений, и в общем-то единственное, что делает вирус, это встраивает молекулу, несущую его наследственную информацию (ДНК или РНК) в клетку носителя. Дальнейшая мультипликация вирусов происходит уже за счет энергии клеток носителя.
Обычно размеры вирусных частиц-вирионов в сотни раз меньше размеров бактерий. Внутри вириона генетический материал находится как бы в замершем состоянии: у вирусов нет аппарата трансляции. И раз уж зашла речь, организация рибосомы — молекулярной машины, которая в живых клетках синтезирует белок на основе генетического кода — превышает сложность организации всей вирусной частицы. А рибосома — это лишь небольшая часть живой клетки.
Обо всем этом надо помнить, когда идет речь о лечении инфекций, разных по своей природе. Препараты, которые направлены на уничтожение бактерий или остановку их размножения (с тем чтобы организм силами иммунитета сам их уничтожил), воздействуют на живой организм, внутри которого происходят сложные процессы, которые можно нарушить. Поэтому антибиотики будут бессильны против вирусов. А противовирусные препараты не создавались для того, чтобы бороться с бактериями.
Как работают антибиотики
Почти половина всех известных антибиотиков блокирует бактериальную рибосому. Это сложнейшая молекулярная машина, которая состоит из нескольких десятков белков и молекул РНК, считывает генетическую информацию с молекулы матричной РНК (мРНК) и на ее основе тут же производит функциональную молекулу — то есть белок (именно он выполняет конкретную работу в клетке: ферментирует, строит мембраны, переносит вещества и т.п.). Антибиотик такого типа, грубо говоря, ставит палки в колеса рибосомы: она не может синтезировать белок. А без белков никакая жизнедеятельность клетки невозможна. Если же белок уже успел синтезироваться, он сворачивается в активную трехмерную структуру и отправляется выполнять свою функцию — антибиотик на него уже не действует.
Другие антибиотики работают на этап раньше — они блокируют синтез нуклеиновых кислот, то есть не дают синтезировать молекулу мРНК, которая несет конкретную генетическую «инструкцию» по сборке белка и с которой рибосома бы считывала информацию.
Есть антибиотики, которые работают еще на один этап раньше — не дают синтезировать азотистые основания — пурины и пиримидины, которые являются информационными единицами в РНК и ДНК. Другие антибиотики нарушают целостность мембраны или клеточной стенки бактерий , или же не дают синтезировать молекулы, из которых мембрана или клеточная стенка строятся, и это тормозит размножение бактерий.
Поскольку вирусы самостоятельно не синтезируют входящие в состав ДНК и РНК азотистые основания, не производят нуклеиновые кислоты и белки, антибиотики совершенно бесполезны в случае заражения вирусной инфекцией.
Сколько на Земле бактерий
По своей биомассе среди всего живого на Земле бактерии уступают только растениям. По некоторым подсчетам суммарная масса бактерий в 35 раз превышает массу всех животных, включая людей),, если же сравнивать только с людьми, то превосходство более чем тысячекратное.
Общая масса бактерий в человеке весом около 70 кг — примерно 200 гр. Значение не сенсационное, учитывая, что прежние оценки были в килограммах (от 2 до 5). Но поскольку бактериальные клетки обычно меньше соматических, то есть клеток тела, количественные оценки бактериального присутствия гораздо более головокружительны — бактерий больше, чем таких клеток: 38 трлн против 30 трлн.
Насколько хорошо изучены бактерии
Оценки того, насколько хорошо мы знаем мир бактерий, всегда очень приблизительны — сложно представить, сколько видов бактерий скрывается от взглядов ученых. По некоторым оценкам, микробиологам известно только 2% видов бактерий. Сложность количественных оценок заключается еще и в том, что геном бактерий довольно быстро мутирует.
Когда строят филогенетическое дерево, то есть определяют, какие виды в каком родстве состоят, анализируют именно геном, то есть полную последовательность «букв» в молекуле ДНК. Геном бактерий существенно короче, чем у человека, а размножение стремительно, поэтому мутации приводят к более быстрым изменениям на уровне популяций. По этой причине бывает очень сложно определить, где заканчивается один вид и начинается другой. Чтобы избежать этого, в отношении бактерий часто используют термин «операционная таксономическая единица» — то есть группа организмов с достаточно схожим геномом, в отличие от классической таксономии, в рамках которой точно понятно, что, например, индийский слон и африканский слон — два разных вида слонов, и мутант того или иного вида — это просто отклонение от генетической нормы.
Но что совершенно точно можно сказать, так это что хорошо изученных видов очень и очень мало. Кишечная палочка Escherichia coli один из самых изученных видов: микробиологи и молекулярные биологи часто используют ее в своих экспериментах. Хорошо известны бактерии, вызывающие различные распространенные и опасные заболевания, например Helicobacter pylori, которую обвиняют в развитии язвенных болезней желудка и двенадцатиперстной кишки и даже рака желудка. Хорошо известны многие виды бактерий, которые живут в желудочно-кишечном тракте человека или на поверхности кожи. Куда хуже обстоит дело с бактериями, которых злая судьба загнала в вечные льды Антарктики, высоты Гималаев и другие не слишком обжитые ареалы, микробиом которых изучают лишь немногие энтузиасты.
Список хорошо изученных бактерий не будет коротким, но по сравнению с общим количеством оперативных таксономических единиц, которое оценивается от 0,8 до 1,6 млн, это капля в море. Следует уточнить, что эта оценка — лишь одна из многих, и довольно скромная.
Что будет, если все бактерии исчезнут
Чтобы проиллюстрировать насколько незаменимы бактерии, можно просто представить, что произойдет, если все бактерии в одночасье исчезнут. Надо сказать, что эта апокалиптическая картина будет неполной, поскольку мы не знаем огромное количество бактерий и их роль в биосфере Земли.
В двух словах: вся жизнь на планете окажется обречена на очень быструю гибель. Например клетки человека просто перестанут быть способны производить энергию для дальнейшей жизнедеятельности. Дело в том, что основные энергетические станции клетки митохондрии — это, скорее всего, бактерии, когда-то захваченные эукариотической клеткой на заре земной эволюции. Вместо того чтобы переварить эту бактерию, клетки стали жить с ней в симбиозе и, как мы видим, оглядываясь вокруг на все многообразие жизни, это дало таким клеткам эволюционное преимущество: они смогли пережить кислородную катастрофу, самое первое массовое вымирание на планете.
Если митохондрии убрать из клетки, ее энергетическая эффективность снизится в разы, и она станет «аэротолерантно анаэробной», то есть кислород не будет для нее токсичен, но он ей будет совершенно не нужен. Но нужно будет гораздо больше питательных веществ, поскольку вместо 38 молекул АТФ (аденозинтрифосфата, главной энергетической «валюты» клеток), которые синтезируются из одной молекулы глюкозы, она будет способна синтезировать только две. Дальнейшее превращение молекулы АТФ в АДФ (аденозиндифосфат) с использованием свободной энергии, высвобождающейся в процессе отщепления одного фосфата, задействовано в великом множестве биохимических процессов внутри клетки, так что остановка этого процесса — настоящая катастрофа.
Что ж, митохондрии перестали быть самостоятельными организмами многие миллионы лет назад, но все-таки есть ли настоящие бактерии, без которых организм человека не сможет существовать?
Есть. И это не просто безбилетные пассажиры, живущие на всем готовеньком — они участвуют в формировании иммунитета, в пищеварении и даже поведении. Это так называемый микробиом человека. Есть исследования, показывающие, что не только сиюминутное настроение может быть связано напрямую с микрофлорой кишечника и тем, как бактериальные сообщества чувствуют себя внутри нас, но и, например, расстройство аутистического спектра. Так что пропажа всех микробов из пищеварительной системы человека чревата не только несварением, но и переменами к худшему в психике и гораздо более высоким риском инфекционных заболеваний.
Бактерии являются важнейшим звеном в круговороте азота. Во-первых, важно знать, что азот лежит в основе фундаментальных биологических молекул — нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков. Ни человек, ни животные, ни растения не способны потреблять азот из атмосферы. Да, мы вдыхаем воздух, который на 78% состоит из азота, но он как вошел, так и вышел — в атмосфере он лишь «разбавляет» кислород до пригодной для дыхания живых существ концентрации (хотя с точки зрения эволюции правильнее говорить, что это живые организмы приспособились к той концентрации кислорода, которая наличествует в атмосфере Земли).
Люди и животные получают азот с пищей — как животного, так и растительного происхождения. Но чтобы он в этой пище оказался, нужны бактерии, которые берут азот из атмосферы, усваивают его, и превращают в результате своего метаболизма в те или иные химические соединения — первым в очереди идет аммиак, его легко могут усваивать уже растения. Так что азот в ДНК и в составе каждого белка каждого живого организма попал в круговорот питательных веществ именно благодаря бактериям.
В конце концов, именно бактерии разлагают трупы. Для палеонтологов и археологов это, конечно, настоящее счастье — добраться до косточки, целого скелета (а то и мумифицированного трупа!) раньше, чем бактерии. Но без бактерий планета была бы завалена мертвецами еще задолго до появления человека.
Зачем искать новые бактерии
Итак, человечеству не надо побеждать все бактерии. Но есть другая проблема — бактерии становятся устойчивы к антибиотикам, и по мере того как мы находим новые способы борьбы с ними, бактерии мутируют и становятся невосприимчивы к нашему оружию. И поиск новых бактерий, как ни парадоксально, нужен именно для того чтобы выделить вещества, которые будут убивать бактерий.
Антибиотики имеют достаточно сложную структуру и не возникают в природе просто так. Бактерии и грибы за годы эволюции научились синтезировать такие вещества, которые помогают им бороться с конкурентами.
В тексте говорится о бактериях и грибах вместе, потому что:
Бактерии сами продуцируют антибиотики (например, стрептомицеты — источник стрептомицина, тетрациклина). Грибы (особенно плесневые) тоже синтезируют такие вещества, и самый знаменитый пример — пенициллин, выделенный Александром Флемингом в 1928 году из гриба Penicillium notatum (и позже доработанный для клинического применения).
Классический подход в поиске новых антибиотиков заключается в следующем: берется некоторый сложившийся биоценоз — фрагмент почвы или вода из лужи — из него выделяют культуры бактерий и к ним подселяют колонии известных патогенов. А потом смотрят, как это действует на мишень — если патогены не растут, а умирают, значит есть какое-то вещество, которое обладает антибиотической активностью. Надо только его выделить и очистить, что лишь на словах является простой задачей. нет гарантии, что в конце этого пути нас ждет ранее неизвестный антибиотик.
Такой подход приносил свои плоды, но со временем все труднее и труднее найти образцы, которые еще никто не проверил таким же образом. Такой метод оставляет ученых в полном неведении относительно того, какой эффект имеет искомое вещество — повреждает ли оно бактериальную ДНК или блокирует рибосому или действует каким-то иным способом.
Для того чтобы было проще понять, как работает антибиотик, были изобретены репортерные системы.
Дмитрий Лукьянов, кандидат химических наук, МГУ им. М.В. Ломоносова, Skoltech:
«Идея репортерных конструкций для поиска новых антибиотиков основана на реакции бактерии на повреждение ДНК, так называемый SOS-ответ. В норме, в клетке есть белки, которые начинают синтезироваться при повреждении генома — их задача спасти клетку от гибели и восстановить ДНК. Так вот если средствами генной инженерии в геноме бактерии вместо генов белков SOS-ответа подставить конструкцию, которую можно как-то визуально детектировать, например, флуоресцентный белок, то мы увидим, что под воздействием антибиотика произошло повреждение ДНК.
Главная задача репортерных конструкций — заставить клетку светиться тогда, когда на нее воздействует некое вещество, влияющее на определенный биохимический путь».
В МГУ Петром Сергиевым и Ильей Остерманом была разработана репортерная система, позволяющая визуализировать, по какому из двух наиболее распространенных путей — нарушению биосинтеза белка или повреждению ДНК идет работа антибиотика. Это существенно облегчает дальнейшую работу. Система работает таким образом, что если у бактерии нарушается трансляция — то есть процесс биосинтеза белка — начинает синтезироваться белок, который «светится» красным, если повреждается ДНК, то синтезируется другой белок, который дает визуальный сигнал на другой волне, и его можно при анализе обозначить как зеленый.
На первом этапе поиска веществ ученые берут образец — это может быть почва, речная вода, все что угодно с богатым содержанием бактерий, которые могут быть потенциальными продуцентами антибиотиков. Затем их засевают на чашку Петри и получают набор культур. Пока что они все растут вместе и на следующем этапе нужно отделить их друг от друга для получения монокультур. А потом исследователи вырезают кусок агарозного геля, на котором культуры растут, и кладут на чашку с репортером: он показывает, в каких случаях какой биохимический путь нарушается.
И если ученые действительно видят, что вещество — какое пока не известно — работает, они переходят к следующему этапу — культивированию этих новых бактерий в жидкой среде и очистке культуральной жидкости. Ну и наконец они пытаются понять, что это за молекула и как она работает, если это еще не описано в литературе.
Одновременно можно нанести сотню соединений на небольшую чашку и в отличие от классического подхода у исследователей есть подсказка, где искать механизм работы.
Такой метод называется высокопроизводительным — с его помощью можно проверить десятки тысяч соединений за достаточно короткий срок. Проблема лишь одна — найти такие вещества, которые еще не были проверены.