Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир
Брайан много лет изучал поразительный инструмент, которым обладают V. cholerae и многие другие микробы, – шприцеподобное устройство под названием система секреции VI типа (T6SS)12. С помощью этой наномашины бактерии прокалывают соседние клетки и впрыскивают в них токсины [41]. Нас заинтересовало, может ли V. cholerae использовать T6SS для внедрения в кишечник и позволит ли наша комбинация LSF-микроскопии и личинок данио-рерио пролить на это свет. Кроме того, никто никогда не наблюдал, как холерный вибрион колонизирует кишку животного и как вступает в конкуренцию с резидентными бактериями, – вдруг мы увидим нечто захватывающее? Группа Брайана создала несколько штаммов V. cholerae, включая вариант, в котором гены T6SS всегда оставались включенными, а следовательно, вибрион всегда был готов прокалывать соседей (слева на рисунке); у другого варианта «шприц», наоборот, был дефектным, и бактерия не могла никого атаковать (справа).
Группа Жуана проводила эксперименты в чашках Петри, чтобы изучить и визуализировать убийство бактерий бактериями – действо вообще-то довольно красивое. Ну а мы заглядывали внутрь рыбы13.
В простейшем эксперименте по заражению кишечника мы заранее колонизировали стерильную рыбу единственным аборигенным видом бактерий и через 24 часа ввели в окружавшую ее воду один из штаммов V. cholerae. В случае заражения вибрионом с поврежденной системой секреции аборигенные бактерии в кишечнике выглядели так же, как если бы пребывали в одиночестве: они не теряли в численности и формировали плотные колонии. После вторжения захватчика, всегда готового к атаке, аборигенные бактерии гибли: за сутки их популяции сокращались в среднем в 100 с лишним раз, а то и вовсе исчезали. Мы наблюдали, как аборигены теряли контроль над территорией и их колонии перемещались по кишечнику все ниже и ниже, пока не изгонялись из рыбы полностью. На том этапе мы страшно обрадовались очевидной разнице в результатах действия и бездействия T6SS и предположили, что вооруженные холерные вибрионы уничтожают аборигенов, вытесняя их из кишечника. Но мы продолжили наблюдения и обратили внимание на действия самих данио-рерио. Кишечник рыб, как и ваш, периодически сокращается, чтобы перемешивать и продвигать содержимое. Магистрантка Саванна Логан, проводившая эксперименты, заметила, что у рыб, колонизированных всегда боеспособными вибрионами, кишечник сокращался гораздо интенсивнее, чем у стерильных сородичей и рыб, колонизированных любыми другими штаммами V. cholerae. Анализ изображений показал, что интенсивность сокращений у рыб, колонизированных вибрионом с постоянно активной T6SS, была примерно на 100 % выше. Напрашивался вывод, что бактерии атакуют скорее не своих конкурентов, а их хозяина.
Чтобы это доказать, мы снова обратились к сочетанию генной инженерии с микроскопией. Было известно, что фрагмент одного из белков в составе бактериального «шприца» токсичен для микробов-эукариот типа амеб, например, поскольку разрушает филаменты цитоскелета, свойственные всем эукариотическим клеткам, но не представленные в идентичных вариантах у бактерий. Группа Брайана Хаммера создала дополнительный штамм V. cholerae, формирующий в целом функциональный шприц, только без этого токсичного фрагмента. Повторив тот же опыт с заражением рыбы, мы увидели нормальные кишечные сокращения и нормальную, стабильно высокую численность аборигенных кишечных бактерий. Следовательно, холерный вибрион побеждал бактериальных конкурентов, не убивая их, а выдворяя целыми ассоциациями из хозяина с помощью усиления кишечной моторики, обусловленного раздражением стенок токсичными шприцами. Для самих V. cholerae обстоятельства складывались удачнее, поскольку они не склонны к агрегации, подвижны и индивидуалистичны. Так мы установили, что любая бактерия может манипулировать физиологией животного, используя свои шприцеподобные системы. В более широком масштабе наша работа подчеркнула, что физический ландшафт кишечника критически важен для регуляции кишечного микробиома, причем механизмы этого влияния непознаваемы с помощью одних лишь экспериментов в пробирке и анализа ДНК.
Помогут ли наши находки победить холеру? Сомневаюсь. Разумеется, традиционным был бы ответ «да», ведь именно он должен звучать в любых новостях и пресс-релизах; в крайнем случае ответ обязан подводить к мысли, что не за горами победа над любыми болезнями, хоть как-то касающимися открытия. Но в случае с холерой есть препятствие помощнее, чем длинная и непредсказуемая тропинка от фундаментальной лабораторной науки до клинической практики: холеру и без того легко лечить. И главное средство здесь – за исключением самых тяжелых случаев – вода с солями и сахарами. Пугающе высокая смертность от этой болезни в наши дни свидетельствует лишь о плачевном состоянии санитарии и вообще общественного здравоохранения во множестве стран. Зачем же нам тогда изучать у холерного вибриона систему секреции VI типа? Она, конечно же, интересна и сама по себе, но меня больше волнует то, что V. cholerae – лишь один из многих видов бактерий, обладающих таким механизмом. Та же система секреции есть у десятков, а то и сотен видов в вашем пищеварительном тракте, и потому, изучив ее роль в кишечнике, мы могли бы лучше понять, от чего зависит структура вашего микробиома. Научившись манипулировать T6SS у разных бактерий, мы, возможно, проложили бы долгожданный путь к оздоравливающему перекраиванию кишечного микробиома.
Почти во всем, что мы наблюдали в кишке данио-рерио, проявлялся отчетливый биофизический след: физические аспекты поведения – плавание и навигация, формирование трехмерных колоний или манипуляция кишечными сокращениями – во многом определяли исходы. В другом эксперименте мы обнаружили, что под действием малых доз широко применяемого антибиотика обычно подвижные бактерии удлиняются и спутываются, а склонные к агрегации формируют более крупные кластеры, но в меньшем количестве. Оба сценария ведут к значительному общему сокращению бактериальной популяции, поскольку слишком уж сплоченные микробы выталкиваются усилиями кишечника. Вероятно, так и объясняются загадочные крупные изменения в кишечном микробиоме человека, запускаемые антибиотиком и выявляемые с помощью секвенирования. Но это-то и тревожит больше всего, ведь антибиотики в низких концентрациях – повсеместно распространенный загрязнитель. Этот проект, как и многие другие, мы выполняли вместе с лабораторией Карен Гиймен, а основное бремя экспериментов лежало на аспиранте-физике Брэндоне Шломанне и постдоке-биологе Трэвисе Уайлсе, с готовностью размывавших границы между науками.
Наблюдать за поведением бактерий прекрасно, но управлять ими, должно быть, еще лучше. И снова мы обращаемся к одной из наших красных нитей – к теме регуляторных цепей. В главе 4 мы познакомились с инструментами активации и инактивации отдельных генных цепей (вспомните мышей, меняющих цвет). Вышеупомянутый Трэвис Уайлс внедрил подобные переключатели в геном аборигенной кишечной бактерии данио-рерио и взял в свои руки контроль над ее плаванием и химической чувствительностью. Чтобы перемещаться в жидкости, эти бактерии вращают торчащим из одного конца клетки «хвостиком» – жгутиком наподобие штопора. Жгутик и его мотор строятся самосборкой множества разных белков, включая пару PomA и PomB в составе статора мотора (отмечены черным на рисунке основания жгутика). Без PomA и PomB нить жгутика формируется нормально, а вот мотор не создает крутящего момента, который вращал бы жгутик и за счет этого двигал клетку. Следовательно, переключатель, который под влиянием химического сигнала извне выключает гены pomA и pomB в бактерии, обычно экспрессирующей их, либо включает эти гены в бактерии, обычно их не задействующей, позволяет нам решать, будут ли модифицированные микробы плавать в кишечнике. (В нашем случае внешний сигнал должен быть постоянным, сродни кнопке, на которую надо непрерывно давить, чтобы свет не погас. Получается, положения этого переключателя не записываются в память – инженер назвал бы его переключателем мгновенного действия.)
