Иногда величайшие научные открытия происходят совершенно случайно. Учёные искали способ продлить срок годности консервов с помощью радиации и наткнулись на организм, который переписал представления биологов о пределах жизни. Бактерия, найденная в облучённой тушёнке, оказалась практически неубиваемой.
1956 год: эксперименты с радиацией и едой
Середина 1950-х в США время повышенного интереса к радиационным технологиям. Атомная энергетика развивается, холодная война набирает обороты, учёные ищут способы применения ядерных технологий в мирных целях. Один из таких способов консервирование продуктов с помощью радиации.
Логика простая. Бактерии и микроорганизмы вызывают порчу еды. Если их уничтожить, продукт сохранится дольше. Термическая обработка помогает, но не всегда эффективна и некоторые споры выживают даже при высоких температурах. Химические консерванты работают, но изменяют вкус и потенциально вредны для здоровья.
Радиация казалась идеальным решением. Гамма-излучение проникает глубоко в продукт, убивает все живые клетки, не оставляет химических следов, не делает еду радиоактивной. Облучил банку консервов мощной дозой и внутри стерильная среда, которая не испортится годами.
Теория красивая. Практика оказалась сложнее.
В одной из лабораторий проводили стандартный эксперемент. Брали консервы с мясом ,обычную армейскую тушёнку. Облучали дозами, которые гарантированно убивают все известные микроорганизмы. Тысячи грей радиации, при которых ДНК живых клеток разрушается в пыль.
Потом банки вскрывали и проверяли на стерильность. Высевали содержимое на питательную среду, смотрели, вырастет ли что-нибудь. В норме не должно было. Но в одной из банок после облучения что-то выжило.
Открытие, которого не ожидали
Исследователи увидели колонии бактерий в банке, которая получила смертельную дозу радиации. Сначала решили, что произошла ошибка и либо банку недостаточно облучили, либо после облучения случайно занесли новые микроорганизмы.
Эксперимент повторили. Взяли новые банки, облучили ещё сильнее, контролировали стерильность на каждом этапе. Результат тот же бактерии выжили.
Тогда выделили эту бактерию в чистую культуру и начали тестировать отдельно. Облучали всё более высокими дозами. 1000 Грей — живёт. 3000 Грей — живёт. 5000 Грей — немного притормозила рост, но выжила и восстановилась.
Для сравнения: доза в 5 Грей убивает человека. 10 Грей убивают практически любой живой организм. 100 Грей уничтожают даже самые стойкие споры бактерий. А эта штука спокойно переносила 5000 Грей и продолжала размножаться.
Учёные поняли, что перед ними нечто уникальное. Организм, который не вписывается ни в какие известные модели биологической устойчивости.
Бактерии дали название Deinococcus radiodurans — "ужасная ягода, устойчивая к радиации". "Ужасная ягода" потому что под микроскопом колонии выглядят как скопления розовых сфер, немного напоминающие ягоды. "Устойчивая к радиации" по очевидной причине.
Суперсилы Deinococcus radiodurans
После открытия бактерию начали изучать детально. Выяснилось: устойчивость к радиации лишь одна из многих её способностей. По сути, это один из самых живучих организмов на Земле.
Радиация. Спокойно переносит 5000 Грей. Кратковременно выдерживает до 15 000 Грей. При таких дозах ДНК буквально разрывается на куски в геноме образуются сотни двухцепочечных разрывов. У любого другого организма это означает немедленную смерть. Deinococcus просто чинит ДНК обратно полностью, без ошибок, за несколько часов.
Ультрафиолет. УФ-излучение разрушает ДНК, вызывая мутации. Для большинства бактерий длительное облучение ультрафиолетом смертельно. Deinococcus переносит УФ-дозы, в тысячи раз превышающие летальные для других микроорганизмов.
Засуха. Может выживать в полностью высушенном состоянии годами. Обычные бактерии при потере воды умирают , клеточные структуры разрушаются, белки денатурируют. Deinococcus впадает в анабиоз и возвращается к жизни, как только появляется влага.
Кислоты и окислители. Выдерживает концентрации перекиси водорода, которые разрушают большинство органических молекул. Переносит агрессивные кислоты и щёлочи.
Вакуум. Может существовать в условиях космоса. Эксперименты на МКС показали: Deinococcus выживает в открытом космосе, несмотря на вакуум, радиацию и экстремальные температуры.
Холод и жара. Переносит заморозку до -80°C и нагрев до +60°C. При замораживании клетки обычно разрушаются кристаллами льда. При нагреве денатурируют белки. Deinococcus справляется с обоими экстремумами.
Фактически, это один из немногих организмов на Земле, которого почти невозможно убить физическими методами.
Как это вообще возможно: секрет в ДНК
Главный секрет устойчивости уникальная система репарации ДНК. Когда радиация или другой повреждающий фактор разрушает генетический материал, обычная клетка либо умирает, либо получает мутации, которые делают её нежизнеспособной.
Deinococcus работает иначе. У неё несколько копий генома от четырёх до десяти в каждой клетке. Когда одна копия повреждается, бактерия использует другие как матрицу для восстановления.
Процесс называется гомологичной рекомбинацией. Бактерия сравнивает повреждённые участки с неповреждёнными копиями, находит правильную последовательность и буквально собирает ДНК заново, как паззл.
У других организмов такая система тоже есть, но работает медленно и часто с ошибками. У Deinococcus она доведена до совершенства быстрая, точная, практически безошибочная.
Кроме того, клетки содержат огромное количество антиоксидантов и защитных белков. Радиация повреждает не только ДНК, но и другие молекулы белки, липиды, РНК. Антиоксиданты нейтрализуют свободные радикалы, которые образуются при облучении. Защитные белки стабилизируют повреждённые структуры, давая времени системам репарации.
Ещё один фактор компактная упаковка ДНК. Генетический материал уложен настолько плотно, что это физически защищает его от некоторых типов повреждений.