українські вчені зрозуміли, як найживучі бактерії виживають у радіації
Бактерія-термінатор та її редрада
Як легендарна бактерія Deinococcus radiodurans примудряється виживати в радіації, як випромінювання впливає на живі клітини та чи можна силу бактерій звернути проти них самих, з'ясували українські вчені.
Багато хто чув про мікроскопічні безхребетні тихохідки (близький до членистоногих типTardigrada), що зовні нагадують щось середнє між надувним матрацом і плюшевим ведмедиком, які і у воді не тонуть, і космічного випромінювання не бояться, і після кріозаморозки оживають.Deinococcus radiodurans- "тихохідки" серед бактерій.
Хоча одноклітинні дейнококи сильно відрізняються від свого еукаріотичного (має ядра в клітинах) багатоклітинного побратима, вони зовсім не поступаються йому живучістю і можуть витримувати
дозу радіації до 10 тис. грей (для людини доза 5 грей смертельна), висушування та хімічна дія.
70 років тому США першими у світі провели випробування ядерної бомби
Як радіація шкодить клітині
Відкриті Deinococcus radiodurans були випадковими: у 1956 році їх знайшли «у доброму здоров'ї» у банку з м'ясними консервами, які намагалися простерилізувати за допомогою радіації.
У нормі будь-яке іонізуюче випромінювання — потік заряджених чи нейтральних частинок чи квантів, здатний перетворювати нейтральні атоми на заряджені іони, збуджуючи їх, — руйнує гармонію злагодженого механізму хімічних перетворень, які у живої клітині.
Непереборні хімічні сили починають тягнути іонізовані атоми до «сусідів», яких у незбудженому стані вони були абсолютно «байдужі». Навіть безпечні та всюдисущі нейтральні молекули води можуть перетворитися на пероксид і потім насупероксид - небезпечні вільні радикали, одне з основних джерел ушкоджень біологічних молекул у клітині. Дія вільних радикалів називають оксидативним стресом, оскільки воно пов'язане з окисленням біомолекул.
Результат - випадкові хімічні зв'язки, молекулярна плутанина і «руйнування традиційних цінностей». Усередині живої клітини головним «охоронцем традицій» є ДНК, в якій у закодованому вигляді міститься інструкція зі збирання всіх її білків, найважливіших учасників основних клітинних процесів. Тому радіація (як і багато токсичних речовин), що порушує послідовність ДНК, несе для клітин смертельну небезпеку: деякі мутації можуть випадково виявитися корисними, але, якщо не дивлячись переставляти деталі в складному механізмі, що справно працює, ймовірність зламати його незрівнянно вище, ніж ймовірність винайти що щось хороше.
Крім того, у ДНК можуть утворюватися розриви, що заважають зчитуванню коду. "Ломаються" і самі білки - особливо часто ушкоджується SH-групи в цистеїні (однієї з амінокислот - "цеглинок", з яких будується молекула білка), що порушує їх функції.
Повстати з радіоактивного попелу
Астронавти, що літали до Місяця, частіше вмирають від проблем із серцем
Як же бактерії виживають за таких умов? Ушкодження ДНК живих організмів не завжди призводять до плачевних наслідків. У клітинах є спеціальні механізми репарації — «ремонту» дорогоцінної молекули, наприклад, один з її ланцюгів можна добудувати, «підглядаючи» до другого на тій самій ділянці та підбираючи нуклеотиди («літери» генетичного коду) за принципом комплементарності, тобто підставляючи на місце відсутнього фрагмента парні йому «літери».
ДНК Deinococcus radiodurans упакована в дві кільцеві хромосоми та дві плазміди – порівняноневеликі додаткові кільцеві молекули ДНК. Кожна така молекула представлена в кількості від чотирьох до десяти копій у будь-який момент життя клітини, тому запасних варіантів для «звіряння» у неї завжди багато (а не лише дві, як у нас у соматичних клітинах). Більше того, виявилося, що основна небезпека для життя дейнокока - це не пошкодження ДНК (яку можна відремонтувати, використовуючи додаткові копії), а саме руйнування структури білків, які займаються її ремонтом.
Для «лагодження» розривів у ДНК бактерія має додаткові білки: одні зв'язуються з одиночним ланцюгом ДНК при розриві, щоб захистити її від подальших ушкоджень, інші, працюючи як «клітинна поліція», ловлять «порушників спокою», вільні радикали і розщеплюють їх.
Крім того, всі бактерії мають додаткові «хитрощі», що дозволяють вносити коректури прямо в ході транскрипції — зчитування «ДНК-текстів». Проте чи є якісь особливості цього процесу у Deinococcus radiodurans, досі було невідомо.
Хитрощі редактури
«РНК-полімераза — один із найконсервативніших ферментів в еволюції, і структура його багато в чому схожа і у бактерій, і в людини. У той самий час різні організми використовують найрізноманітніші способи регуляції цього ферменту.
Однією з найцікавіших груп регуляторних факторів є білки, які здатні безпосередньо впливати на активний центр полімерази РНК. Для цього вони зв'язуються у спеціальному каналі, який з'єднує поверхню РНК-полімерази з активним центром (так званий вторинний канал — на відміну від первинного, в якому відбувається зв'язування ДНК та РНК)», — розповідає Андрій Кульбачинський.
Які місця Сонячної системи найбільш придатні для життя
«Досліджені нами фактори – Gfh-білки – є родичами (гомологами) Gre-факторів. Однак замість того, щоб перемикати активності полімерази РНК, вони її інгібують! Причому в тій бактерії, яку ми досліджуємо (Deinococcus radiodurans), це відбувається лише в певних ділянках геному і тільки в присутності іонів марганцю, які, як вже давно відомо, відіграють роль у захисті клітин дейнокока від окислювального стресу», — повідомляє вчений.
Перспективи: чи допоможуть Gfh-фактори «боротися з бактеріями їхньою ж зброєю»?
Дослідники зробили припущення, що Gfh-білки можуть «фіксувати» РНК-полімеразу у певному структурному стані, зупиняючи її перебіг молекулою ДНК. Таку «замерлу над помилкою» РНК-полімеразу дізнаються інші білки - фактори репарації («лагодження») і реплікації (відтворення) ДНК. Подальшим завданням вчених стане дослідження ролі Gfh-білків у захисті дейнококів від радіації.
Автор додає, що можливе і практичне застосування результатів дослідження. Так як Gfh-фактори фіксують РНК-полімеразу і зупиняють транскрипцію, то, вивчивши їх, можна створити або знайти інші молекули, здатні перешкодити бактеріям переписувати інформацію з ДНК РНК і синтезувати білки. РНК-полімераза повільно змінюється з часом, тому у бактерій вона дуже схожа і її зручно використовувати як мета для антибактеріальних препаратів. Так, антибіотикрифампіцин, що використовується у боротьбі з паличкою Коха, що викликає туберкульоз, пригнічує саме РНК-полімеразу бактерій (щоправда, згодом вони виробляють до нього стійкість, що робить отримання нових антибіотиків найважливішою проблемою найближчого майбутнього).