Такая красивая логика и экономия у простейшей бактерии.
Чуть ниже я подробно расскажу, как работает репрессия, но, на мой взгляд, важность ферментной регуляции здесь и далее в контексте книги заключается не в тонкостях, а в логике как таковой. Прорыв удалось совершить, как только ученые начали мыслить непредвзято. Наблюдая какой-либо феномен, мы склонны выбирать наиболее прямолинейное объяснение, где цепочка причинно-следственных связей состоит из минимального количества звеньев. Если мы видим, как машина едет по улице, то считаем, что водитель жмет газ, а не отпускает тормоз.
Когда наличие A (например, сахара) приводит к появлению B (фермента), мы логически выводим положительную связь: A вызывает B. Нужно подключить воображение, чтобы представить себе иное объяснение: A ингибирует нечто третье (репрессор), который в свою очередь ингибирует B.
Но оказывается, что жизнь – от молекулярного уровня вплоть до экологического – обычно управляется более длинными цепочками причинно-следственных связей, чем кажется на первый взгляд, с большим количеством звеньев. Нужно знать каждое из этих звеньев и природу взаимодействий между ними, чтобы по-настоящему понимать законы регуляции и уметь вмешиваться в их работу.
Чтобы открыть репрессор и понять логику ферментной регуляции, Моно требовалось выйти из плоскости.
Открытие репрессора
Новый подход заключался в использовании генетики. Допустим, вас интересует, как приобретается какой-либо видимый признак, например розовый оттенок цветка. Можно найти ответ методом биохимии: растереть цветок и попытаться выделить все его ферменты, благодаря которым розовый оттенок возникает на материале простых химических веществ. Этот метод сложный и длительный.
Либо можно использовать генетику. Берем семена нескольких растений с розовыми цветами, выращиваем тысячи цветов и ищем среди них те немногие, лепестки которых оказались не розовыми, а, например, белыми. У каждого такого цветка имеется генетический дефект, мутация в гене, отвечающем за розовый цвет лепестков. Затем займемся изучением этих генов.
Значительное преимущество генетического подхода заключается в том, что он объективен, и нам достаточно просто взглянуть на цветы, чтобы найти растения с мутациями в интересующих нас генах. Мы не делаем никаких предположений о количестве "игроков" и о том, что они делают. Генетический метод позволяет обнаружить "игроков", к примеру, не являющихся ферментами. Катализатором многих важнейших прорывов в биологии и медицине за последние полвека оказался генетический метод. В следующих двух главах я приведу два важных примера такого рода из области медицины.
Моно с коллегами искали у бактерий такие мутации, которые нарушали синтез β-галактосидазы. Они выделили два типа мутантов. У первых синтезировался дефективный фермент β-галактосидаза, что было связано с мутациями в самом гене, кодирующем этот фермент. Такие мутации были ожидаемы. Но особенно интересны были мутации второго типа: мутантные бактерии синтезировали фермент и в отсутствие лактозы. Они производили фермент все время (конститутивно), независимо от наличия лактозы. У этих мутантов была нарушена нормальная регуляция синтеза фермента, механизм "включения" и "выключения". Конститутивные мутации возникали не в гене фермента, а в другом гене, но каким-то образом нарушали ферментную регуляцию.
Понимание того, как действует этот "игрок", стало ключом к пониманию ферментной регуляции. Но сперва Моно был озадачен. Он попытался интерпретировать конститутивных мутантов сквозь призму индуктора, действующего в качестве положительного регулятора синтеза фермента. Ученый рассуждал, что если мутантная бактерия не нуждалась в индукторе, чтобы синтезировать фермент, то мутанты должны сами синтезировать "внутренний" индуктор β-галактосидазы. Ошибку в логике Моно удалось обнаружить только после того, как к работе подключился новый человек.
Открытие закона двойного отрицания
Этим человеком стал Франсуа Жакоб. До войны Жакоб планировал стать хирургом, но его карьера рухнула после тяжелого ранения в Нормандии, которое он получил, будучи фронтовым врачом. Тогда Жакоб занялся наукой и по счастливой случайности оказался в лаборатории Львова, совсем рядом с Моно. Жакоб изучал другой феномен: он интересовался тем, как бактериальным вирусам удается подолгу скрываться внутри бактерий, пока какой-нибудь фактор не спровоцирует взрывное размножение такого вируса. Достаточно скоро Жакоб разработал важные методы изучения бактериальных генов. Он присоединился к Моно в 1957 г., и его новый инструмент генетического характера наконец-то позволил разгадать логику ферментной регуляции.
В отличие от людей и большинства животных, у которых имеется по две копии каждой хромосомы (по одной от каждого из родителей) и по две копии большинства генов, у E. coli каждая хромосома и каждый ген присутствуют в одном экземпляре. Одним из передовых приемов, которым стал пользоваться Жакоб, стала передача генов от бактерии к бактерии. Таким образом ему удалось получить бактерии с дополнительными копиями генов и проверить, как влияет на бактерию смешивание мутантных генов с обычными. Если Моно был прав насчет конститутивных мутантов, то при совмещении в одной бактериальной клетке нормальной и мутантной копии гена должен был образовываться внутренний индуктор, что привело бы к постоянному синтезу фермента.
Но когда Жакоб и прикомандированный американский ученый Артур Парди поставили такой опыт, они получили прямо противоположный результат: чтобы синтезировать фермент, бактерии требовался индуктор (лактоза). Сначала исследователи растерялись. Может быть, они допустили какую-то техническую ошибку? Но дело было не в этом: повторные эксперименты давали аналогичный результат.
Если технических ошибок не было, то, возможно, были логические. Действительно, именно на это указал Моно и Жакобу Лео Сцилард, физик, ставший биологом и часто наведывавшийся в Институт Пастера. Может быть, они неверно понимали индуктор? Может быть, индуктор не запускает синтез фермента напрямую, как полагал Моно, а ингибирует отрицательный регулятор синтеза фермента?
Бинго. Закон двойного отрицания все ставил на свои места.
Конститутивные мутанты не синтезировали внутренний индуктор, просто у них в ферментной регуляции не хватало одного звена – репрессора синтеза фермента. Из-за отсутствия репрессора мутанты могли непрерывно синтезировать фермент без индуктора. А когда у бактерии была одна рабочая копия гена репрессора и одна – мутантная, рабочая копия доминировала и угнетала синтез фермента до тех пор, пока не поступал индуктор.
Как только Моно и Жакобу удалось избавиться от ошибочной трактовки, предполагавшей простые причинно-следственные связи, они стали мыслить по-новому и обнаружили закономерности, которые ранее не могли заметить ни они, ни кто-нибудь еще.
Однажды воскресным вечером Жакоб с женой смотрел фильм в парижском кинотеатре. В какой-то момент он отвлекся и погрузился в мысли о тайне, которую пытался разгадать уже много лет. В некоторых бактериях находились скрытые вирусы, которые могли обнаружить себя под действием ультрафиолета. Жакоб не мог понять, как действует этот механизм. Идея о возможной связи между тем, чем занимается Жакоб, и исследованиями Моно, осуществляемыми в другом конце коридора института, никому и в голову не приходила. По крайней мере до тех пор, пока в темноте кинозала перед мысленным взором Жакоба не возник вирус, каким-то образом упакованный со всем множеством своих генов внутри бактерии.
Тут ученого осенило: активация вируса подчинялась той же логике, что и двойной отрицательный механизм индуцирования ферментов. Вероятно, вирусные гены также угнетались репрессором до тех пор, пока этот репрессор не разрушался или не исчезал под действием ультрафиолета, что позволяло включиться вирусным генам.
То, что представлялось положительной активацией, на деле опять оказалось ингибированием репрессора.
Получив в качестве подтверждения два, казалось бы, совершенно разных феномена, Моно и Жакоб предположили, что в клетке присутствуют белки двух основных типов: структурные (например, ферменты, катализирующие химические реакции в клетках, или белки, образующие части вируса) и регуляторные (контролирующие, какие структурные белки будут или не будут синтезироваться в зависимости от условий). Итак, на уровне регуляции не все белки равны. Некоторые белки нужны для контроля над другими. Моно теперь мог всегда определить отрицательную регуляцию и найти ее другими способами.