Deinococcus radiodurans: инструкция по выживанию

В 1956 году сотрудник Орегонской сельскохозяйственной экспериментальной станции Артур Андерсон проводил довольно странные эксперименты: облучал банки мясных консервов высокими дозами гамма-излучения. Цель экспериментов была банальной — определить, можно ли использовать радиацию для холодной стерилизации продуктов. На первый взгляд, результат был  предсказуем, но что-то пошло не так: образцы мясных консервов через непродолжительное время испортились, а исследование показало наличие в них бактерий.

Но бактерии эти были отнюдь не простыми: помимо того, что их не убивали высокие дозы ионизирующего излучения до 10 000 Гр, они были устойчивы к длительному воздействию ультрафиолетовых лучей, высушиванию, действию кислот, вакуума и замораживанию.

Еще более удивительно то, что данные бактерии вовсе не зародились в секретных лабораториях Волт-Тек, а распространены повсеместно: их находили в фекалиях слонов, в песках пустыни, в глыбах арктического льда, в городских водоемах, домашней пыли и даже в медицинском инструментарии.

Новую бактерию назвали Micrococcus radiodurans, а впоследствии, уточнив родство методом секвенирования 16-S рРНК, определили в собственный род Deinococcus, что в дословном переводе означает «ужасные зерна». Самым известным и наиболее изученным представителем этого рода является Deinococcus radiodurans, и он, поистине, чемпион по выживанию, занесенный даже в Книгу рекордов Гиннеса как «самая сложная бактерия в мире».

Конечно, на нашей планете существует довольно большое количество экстремофильных организмов, которые способны выдерживать критические воздействия того или иного физико-химического параметра окружающей среды, есть также и любители радиации: широко распространенный грибок Ustilago maydis, поражающий кукурузу, и знаменитые чернобыльские почвенные грибки, но только Deinococcus radiodurans — настоящий крепкий орешек в этой компании, полиэкстремофил, способный выжить практически везде.

Микрофотографии клеток Deinococcus radiodurans, полученные при помощи различных видов электронной микроскопии. Первое фото, искусственно раскрашенное с помощью программного обеспечения, демонстрирует геном бактерии, упакованный в структуру тороидальной формы. Источник: Weizmann Institute of Science wis-wander.weizmann.ac.il

Deinococcus radiodurans — довольно крупная бактерия, до 3,5 мкм, по морфологии относится к коккам, но при различных условиях может формировать комплексы из двух, четырех и более клеток. По тинкториальным свойствам бактерия грамположительная, хотя строение самой стенки несколько отличается от классического: клеточная стенка имеет несколько слоев, но в ней отсутствует тейхоевая кислота, а пептидогликан вместо мураминовой кислоты содержит орнитин.

Такое необычное строение клеточной стенки дало Deinococcus еще один achievement — он резистентен к бактериофагам. Также это привело к неспособности осуществлять коньюгацию, но Deinococcus нашел оригинальное решение этой проблемы: его клетки обладают невероятной компетентностью и способны принимать свободную ДНК без дополнительного воздействия.

Deinococcus вырабатывает собственный каротиноидный пигмент, который окрашивает колонии на агаре в розово-красный цвет. Бактерии не имеют органоидов движения, не образуют капсулу и споры, легко растут на самых простых питательных средах при широком диапазоне температур: от 4 до 45 °С, способны утилизировать практически любые субстраты для получения углерода. Казалось бы, ничего удивительного в этой бактерии нет, помимо клеточной стенки, даже споры она не образует, в чем же тогда секрет такой выживаемости?

Главной причиной гибели клеток при экстремальных воздействиях окружающей среды (в нашем случае радиации) является разрушение ДНК. Да, толстая клеточная стенка Deinococcus radiodurans в определенной мере дает преимущество при высушивании, воздействии вакуума, кислот и т. д., но ионизирующее излучение приводит к образованию многочисленных радикалов внутри клетки, и толстая клеточная стенка уже не поможет.

В отличие от других бактерий, ДНК Deinococcus radiodurans довольно плотно упакована в структуру тороидальной формы, возможно дело в этом? Нет: исследования показали, что количество разрывов ДНК при воздействии ионизирующего излучения у Deinococcus radiodurans такое же, как и у других бактерий. Причем разрывы ДНК возникают преимущественно двунитевые и их множество, что делает совершенно неэффективными стандартные механизмы репарации ДНК прокариот, даже негомологичное соединение концов тут не поможет.

Но Deinococcus и тут играет с читами: он использует гомологичную рекомбинацию ДНК. Да-да, это не ошибка: прокариотический микроорганизм, гаплоидный по природе, использует для восстановления поврежденных участков гомологичные хромосомы, которых у него быть не должно. Но они у Deinococcus есть: этот хитрец таскает с собой целый десяток копий собственного генома, что дает ему невероятные способности к репарации двунитевых разрывов ДНК. Надо признать, что обычные бактерии тоже могут иметь несколько копий своего генома, что связано с механизмом деления т. к. процесс удвоения хромосомы опережает деление самой клетки.

Почему же они не могут использовать их для репарации? Все дело в том, что процесс восстановления ДНК довольно длительный, а за это время разорванную ДНК разрушат собственные ферменты бактерий — нуклеазы, находящиеся в цитоплазме. Возникает логичный вопрос: почему этого не происходит у Deinococcus radiodurans, ведь нуклеазы есть и у него? А дело в том, что наш читер синтезирует особый набор белков, которые способны прикрывать разорванные участки ДНК от нуклеаз.

Хорошо, допустим ДНК Deinococcus научился защищать, но как быть с белками? При воздействии ионизирующего излучения они страдают не меньше, в первую очередь от активных форм кислорода, возникающих из молекул воды. У Deinococcus radiodurans и на эту проблему нашлось решение: он просто накапливает внутри клетки ионы марганца, которые замещают ионы железа в активных центрах ферментов, предотвращая реакцию Фентона, — главную причину их разрушения. Ионы марганца, кроме того, усиливают активность ферментов каталазы и супероксиддисмутазы, которые нужны для нейтрализации активных форм кислорода.

Два этих механизма обеспечивают Deinococcus radiodurans беспрецедентную защиту от негативных эффектов ионизирующего излучения — до 15 000 Гр с 37 % выживаемостью (для человека смерть неизбежна при поглощенной дозе 10 Гр). И тут возникает интересный вопрос: а зачем ему нужна такая защита и как она смогла сформироваться, если в процессе эволюции бактерии никогда не сталкивались с таким высокодозовым излучением?

Все просто: такая радиорезистентность — всего лишь приятный бонус к механизму защиты от другой, более реальной угрозы — обезвоживанию. Оказалось, что при обезвоживании бактерии подвергаются такому же окислительному стрессу, как и при воздействии ионизирующего излучения, и механизмы защиты Deinococcus radiodurans направлены, в первую очередь, на выживание в пустыне или выветриваемых гранитных скалах Арктики.

К счастью, Deinococcus radiodurans не имеет факторов патогенности и не способен вызывать заболевания. Невозможно даже предположить, как мы смогли бы противостоять такому патогену. А вот пользу он принести может. Разрабатываются методы применения этих бактерий для биоочистки радиоактивных отходов и для окисления тяжелых металлов в нефтепродуктах.

Изучение механизмов репарации ДНК и защиты белков Deinococcus radiodurans могут помочь в борьбе с рядом заболеваний (на самом деле все говорят, что могут быть использованы в борьбе со старением, но иммортализм, пусть и научный — это фу). Марганцевые комплексы, которые Deinococcus использует в качестве антиоксидантов, могут применяться для восстановления пациентов, подвергшихся воздействию ионизирующего излучения при авариях на ядерных объектах или при проведении лучевой терапии. Также Deinococcus radiodurans, в силу своей уникальной компетентности идеально подходит в качестве модельного организма для исследований в области генетики и молекулярной биологии.

Ну и еще одно необычное применение, которое нашли ученые для Deinococcus radiodurans: он может быть использован как носитель информации. Впечатлившись от просмотра сериала «Dark Angel», где электронные носители информации были уничтожены электромагнитной волной от ядерного взрыва, биоинформатик Пак Чун Вонг с коллегами решили создать альтернативный способ хранения информации — биологический.

Они взяли слова песни «It's Small World» и перевели ее в код, основанный на четырех известных всем «буквах» ДНК: А, Ц, Т, Г. Затем они искусственно синтезировали последовательности ДНК длиной до 150 пар нуклеотидов, снабдив их начальный и конечный концы специальными метками, защищающими от элиминации этих фрагментов и встроили их в геном Deinococcus radiodurans. И даже спустя 100 поколений бактерии копировали фрагменты ДНК со словами песни без ошибок. Такая вот бессмертная самовоспроизводящаяся биологическая микрофлешка, которой не страшен ядерный апокалипсис.

Источники:

1. Anderson, A W; H C Nordan; R F Cain; G Parrish; D Duggan (1956). "Studies on a radio-resistant micrococcus. I. Isolation, morphology, cultural characteristics, and resistance to gamma radiation". Food Technol. 10 (1): 575–577
   
2. Levin-Zaidman S, Englander J, Shimoni E, Sharma AK, Minton KW, Minsky A (2003). "Ringlike structure of the Deinococcus radiodurans genome: a key to radioresistance?". Science. 299(5604): 254–256. Bibcode:2003Sci...299..254L. doi:10.1126/science.1077865. PMID 12522252.
   
3. Zahradka K, Slade D, Bailone A, Sommer S, Averbeck D, Petranovic M, Lindner AB, Radman M (2006). "Reassembly of shattered chromosomes in Deinococcus radiodurans". Nature. 443 (7111): 569–573. Bibcode:2006Natur.443..569Z. doi:10.1038/nature05160. PMID 17006450.
   
4. Pearson, Helen (30 September 2004). "Secret of radiation-proof bugs proposed" (PDF). [email protected]. Archived from the original (PDF) on 2006-01-04. Retrieved 2006-06-19.