такие признаки? Что представляет собой образующее ген вещество, способное к саморепликации, мутациям и фенотипическому проявлению?

Ответы на такие фундаментальные вопросы неизбежно очень сложны, когда вопросы формулируются применительно к росту, развитию и размножению высших организмов, например человека, или даже менее сложных организмов, таких как мухи или растения гороха. Чем проще устроен организм, тем больше он подходит для решения подобных вопросов. Первые сведения о физических и химических основах наследственности были получены при работе с микроорганизмами.

Бактерии, ранее изучавшиеся лишь постольку, поскольку они являются возбудителями болезней человека и домашних животных, оказались удобным объектом для исследования наследственности и природы генетического материала. Вирусы, устроенные проще, чем бактерии, оказались и более удобным объектом. Вирусы способны размножаться лишь внутри живых клеток. Бактериофаги проникают в бактериальные клетки; другие вирусы поражают клетки растений и животных, и многие из них патогенны.

Еще в 1922 г. генетик Мёллер отметил два важных общих свойства бактериофагов и генов: и те и другие способны к размножению, создавая точные копии самих себя; и те и другие в результате мутаций могут принимать новые формы. Мёллер писал1)-.

«С другой стороны, если тельца Д'Эрелля (бактериофаги) действительно представляют собой гены, в основных чертах сходные с генами хромосом, то это дает нам возможность подступиться к проблеме гена с совершенно новых позиций... Было бы слишком опрометчиво назвать эти тельца генами, однако мы должны признать, что какие-либо отличия между генами и ими нам не известны. Следовательно, мы не можем категорически отвергать возможность того, что когда-нибудь мы научимся растирать гены в ступке, а затем снова собирать их в пробирке. Должны ли генетики превратиться в бактериологов, химиков и физиков, одновременно оставаясь при этом зоологами и ботаниками? Хотелось бы надеяться».

В 1922 г. генетики считали, что менделевские гены могут находиться лишь в ядрах клеток. Бактериофаги явно много мельче бактериальных клеток. Не могут ли они представлять собой «высвободившиеся» гены, способные к размножению, лишь попадая в бактериальную клетку? Эта гипотеза стимулировала множество исследований бактериофагов и других вирусов, исследований, частично подтвердивших идею Мёллера.

В этой главе мы рассмотрим, как изучение бактерий и вирусов привело к пониманию химической природы генетического материала и как были определены его физическая структура и свойства. В последующих главах мы проанализируем, какой вклад внесло изучение микроорганизмов в наши представления об организации и механизмах проявления генетического материала.

Бактерии как экспериментальный объект

Наиболее интенсивно исследуемый вид бактерий-это обитатель кишечника человека Escherichia coll Эта бактерия легко выращивается в жидкой среде, содержащей некоторые соли (NaCl, NH4C1, KH2P04, CaS04), ничтожные количества некоторых других необходимых элементов и какой-нибудь простой источник углерода, например глюкозу. Из этих веществ Е. coli способна синтезировать все сложные органические молекулы, образующие клетку (такие бактерии называются прототрофами). В питательной среде всего лишь за один день плотность популяции, возникшей из единственной клетки Е. coli, может достичь 2-3-109

1 Mutter HI. (1922). American Naturalist, 56, 32.

Рис. 4.1. Для определения количества живых бактериальных клеток в культуре ее образец последовательно разводят и фиксированный объем суспензии из последнего разведения высевают на твердую среду. После инкубации каждая бактериальная клетка, размножаясь, образует видимую невооруженным глазом колонию своих потомков. Подсчитав число колоний на чашке, легко узнать концентрацию бактериальных клеток в исходной

культуре. Например, на чашке выросло 100 колоний, следовательно, в 0,1 мл разбавленной культуры содержалось 100 клеток, а их число в исходной пробе равно (100 клеток/ОД мл)-102-102-102=109 клеток в 1 мл (Stent G.S., Calendar R. 1978. Molecular Genetics, 2nd ed., W. H. Freeman, San Francisco.) [Имеется перевод: Стент Г.. Кэ-линдар Р. 1981. Молекулярная генетика, М,, Мир.]

бактерий в миллилитре. Многие другие бактерии, особенно паразитические, не способны сами синтезировать некоторые органические соединения, и потому присутствие соответствующих соединений в среде необходимо для их существования. Такие бактерии называются ауксотрофами.

Количество живых клеток в бактериальной культуре можно приблизительно подсчитать, если развести определенным образом культуру и фиксированный объем суспензии высеять в чашку Петри на поверхность твердой питательной среды (с агар-агаром) (рис. 4.1). Если культура разведена достаточно для того, чтобы отдельные клетки оказались на значительном расстоянии друг от друга, то при инкубации чашки Петри в подходящих условиях каждая бактерия начинает быстро делиться и формирует на поверхности агара различимую невооруженным глазом колонию. Количество таких колоний можно подсчитать и, умножив полученную величину на коэффициент разведения, определить число клеток в исходной культуре (см. рис. 4.1). Этот способ дает возможность изучать потомство любой отдельной клетки. Например, можно получить чистую культуру любой мутантной бактерии, присутствовавшей в исходной суспензии клеток путем ее разведения и посева в чашке Петри. Этот простой метод лежит в основе всех исследований по генетике бактерий и использовался во всех обсуждаемых ниже экспериментах.

Результаты, полученные на бактериях, внесли значительный вклад в наше понимание механизмов наследственности. В начальный период развития генетики исследования велись главным образом на высших организмах, размножающихся, так же как и человек, половым путем. У бактерий некоторые формы полового процесса были обнаружены лишь в 1946 году. Только постепенно ученые осознали, что механизмы наследования признаков у человека и бактерий в основах своих имеют очень много общего.

Экспериментальные исследования бактериофагов

Исследования, проведенные на фагах, внесли неоценимый вклад в наше понимание механизмов наследственности. Заражая бактериальные культуры, легко получить колоссальные популяции фагов-до 1011 частиц в 1 мл и более.

Титр фагов в культуре определяется следующим образом. Суспензия фаговых частиц соответствующим образом разводится, смешивается с определенным объемом культуры живых бактериальных клеток в полужидком агаре, а затем эта смесь равномерно распределяется по поверхности твердой питательной среды в чашке Петри и затвердевает. После инкубации живые бактерии, размножаясь, образуют плотный и видимый невооруженным глазом сплошной слой клеток (газон). В тех же местах, которые инфицированы фаговыми частицами, образуются негативные колонии (или бляшки) (рис. 4.2). Пробы, взятые из этих бляшек, способны заражать бактерии в других чашках потомством исходного фага. Если фаговых частиц в бактериальной культуре относительно мало, то каждая негативная колония на бактериальном газоне содержит потомство одной индивидуальной частицы фага. КонцентраРис. 4.2. Для определения количества жизнеспособных фаговых частиц образец препарата последовательно разводят и фиксированный объем разбавленной фаговой культуры смешивают с определенным объемом полужидкого питательного агара, содержащего несколько капель свежей бактериальной культуры (примерно 108 клеток). Затем полужидкий агар, смешанный с бактериями и фагами, выливают на поверхность твердой среды в чашку Петри, где он и застывает. После инкубации бактерии образуют на поверхности чашки плотный газон. В тех местах, где заражение фагом вызвало лизис

бактерий, в газоне образуются «дырки». Число «дырок», или бляшек, отражает число частиц фага, попавших в полужидкий агар. Если на поверхности чашки насчитывается 100 бляшек, значит, в 0,1 мл разбавленной культуры содержалось 100 фаговых частиц. Число фагов в исходной культуре, следовательно, было равно

(100 фагов/0,1 мл)-102-10М02-102 = Ю11 фагов в 1 мл. (Stent G.S., Calendar R. 1978. Molecular Genetics, 2nd ed., W. H. Freeman, San Francisco.) [Имеется перевод: Стент Г., Кэлиндар P. 1981. Молекулярная генетика, М., Мир.]

цию (титр) фага в исходной культуре можно определить, подсчитав число бляшек на газоне и умножив его на коэффициент разведения, как это показано на рис. 4.2. Заражая свежую культуру бактерий материалом из одной негативной колонии, можно получить чистый препарат фага.

ДНК-трансформирующий фактор пневмококка

В наши дни общеизвестно, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)-носитель наследственности у всех прокариот и эукариот. Впервые это было показано в исследованиях на бактериях пневмококках. Некоторые линии (штаммы) этого микроорганизма вызывают воспаление легких у млекопитающих. Бактерии патогенных штаммов синтезируют полисахаридную капсулу, слизистая поверхность которой защищает бактериальную клетку от фагоцитов иммунной системы зараженного животного. Штаммы пневмококков можно отличить друг от друга по антителам, продуцируемым животными в ответ на попадание в их организм различных полисахаридов и белков соответствующей линии бактерий. Именно по антителам на капсулярные полисахариды различают патогенные штаммы; их обозначают как тип I, тип И, тип III и т.д.

Патогенные штаммы, выращиваемые на твердой питательной среде в лаборатории, образуют блестящие гладкие колонии; такую морфологию колонии имеют из-за синтезируемых бактериями слизистых оболочек. Иногда возникают мутантные клетки, утратившие способность к ферментативной активности, необходимой для синтеза слизистой оболочки. Эти мутантные клетки образуют колонии с шероховатой поверхностью; они в отличие от родительских клеток S обозначаются буквой R (рис. 4.3). R-штаммы размножаются так же успешно, как и штаммы S, причем иногда происходят обратные мутации, восстанавливающие способность к синтезу слизистой оболочки. Тип капсулярных полисахаридов, синтезируемых в ревертантах, всегда совпадает с типом полисахаридов исходного родительского шт