Історія нанобактерій

Це історія про такі собі нанобактерії. Вона відшуміла вже кілька років тому, але для тих хто не в курсі, — може здатись цікавою, інтригуючою і навіть повчальною. На піку своєї слави нанобактерії обіцяли пролити світло на походження життя на Землі, можливість його існування в інших частинах Сонячної системи, загрожували людству страшними захворюваннями. Їм навіть присвятив кілька слів президент США, для боротьи з ними була заснована біотехнологічна фірма. Як же так сталось, що вони залишились ні з чим — просто маленькими шматочками вапняку? Оскільки перша частина слова нанобактерії — нано — відразу ж натякає на їхні «нанометрові» розміри, то почнемо із деяких міркувань про розміри.

Наскільки великим треба бути щоб жити?

Колись по телевізору показували фільм «Фантастична подорож». У ньому розповідалось про команду підводного човна, що мандрував біологічними рідинами людини. Перед подорожжю, зрозуміло, човен разом із екіпажем мініатюризували до розмірів менше 1 мкм (тисячна частина міліметра). Таке перетворення стало можливим завдяки секретному методу, який дозволяв зменшувати окремі атоми. Пам’ятаю, мене тоді зацікавило питання, чи не можна було піти іншим шляхом — скорочувати кількість атомів, а не їх розмір.

Зрозуміло, що міняти розміри атомів ми не можемо. Але наскільки маленьких живих істот можна побудувати із атомів такої величини, якими вони є? Життя — річ складана, і чим що-небудь складніше, тим більшої кількості складових воно потребує. Візьмемо, наприклад, мозок: найменший і найпростіший цей орган у їздців роду Megaphragma, він побудований всього із 4600 нейронів, 95% яких до того ж ще й втратили ядра, щоб мозок міг поміститись в голові комахи, вся довжина тіла якої становить близько 200 мкм. Очевидно що поведінка цих ос досить примітивна. Для того, щоб побудувати людський мозок, здатний підтримувати такі непрості завдання, як, наприклад, читання і розуміння цього тексту, слід використати майже 90 млрд нейронів.

То в наскільки маленьку часточку простору можна вмістити достатньо необхідних елементів, щоб побудувати щось здатне до життя? Найменшими із відомих науці живих організмів (якщо не вважати віруси живими, а багато хто і не вважає) є бактерії роду мікоплазма, діаметр яких в середньому становить 200 нм (нанометр — мільйонна частка міліметра). Це і є найменший теоретично можливий розмір клітини, за якого вона ще може містити всі необхідні для життя компоненти, такі як молекула ДНК (більше 2 нм в діаметрі і принаймні кілька сотень мікрометрів у довжину), певна кількість рибосом (діаметр 20 нм) тощо. Прості розрахунки показують, що клітин менших 200 нм існувати не може, принаймні клітин із відомими нам механізмами зберігання, реалізації і передачі спадкової інформації і метаболізмом. А може вже відкрили нові, менші форми життя? Нанобактерії, наприклад.

Для того щоб уявити собі розміри деяких біологічних структур можна глянути сюди.

Багатообіцяючі і загрозливі нанобактерії

1993 року Роберт Фолк виявив у зразках гірських порід, зібраних у районі гарячих джерел Вітербо в Італії, кулясті частинки, схожі на скам’янілі рештки бактерій. Від звичайних бактерій вони відрізнялись у першу чергу надзвичайно маленьким розміром — від 10 до 200 нм в діаметрі, через що Фолк нагородив їх назвою нанобактерії (це слово вживалось раніше Річардом Морітою 1988 року). Він вважав, що ці нові організми, забезпечують більшість хімічних процесів на поверхні Землі, і називав їх «темною матерією» біології — невидимою але надзвичайно важливою [2].

Проте решта наукової спільноти не розділяла ентузіазму Фолка щодо нанобактерій. Допоки 1996 року Девід Мак-Кей не знайшов схожі скам’янілі рештки, і не де-небудь, а на метеориті ALH84001 із Марсу віком близько 4,6 млрд. років. У відкритих Мак-Кеєм часточках виявили ряд сполук, таких як поліциклічні ароматичні вуглеводні, сульфіди заліза і магнетит, які натякали на можливість того, що в них колись протікали біологічні процеси. Ця подія стала справжньою сенсацією, і не тільки в наукових колах. Навіть президент США Білл Клінтон виступив тоді із піднесеною промовою, в якій говорив:

Сьогодні, камінь 84001 промовляє до нас через мільярди років і мільйони миль. Він промовляє про можливість життя. Якщо це відкриття буде підтверджене, воно, безперечно, стане одним із найбільш приголомшливих досягнень науки, що проливають світло на наш Всесвіт.

Today, rock 84001 speaks to us across all those billions of years and millions of miles. It speaks of the possibility of life. If this discovery is confirmed, it will surely be one of the most stunning insights into our universe that science has ever uncovered [3].

Але щодо цих так званих нанобактерій залишалось багато запитань, і знайти на них відповіді, безперечно, допомогла би знахідка живих представників. І ось у серії статей з 1996 по 1998 рік група Олаві Каяндера (Olavi Kajander) і Неви Чіфчіоглу (Neva Çiftçioglu) повідомила саме про таке відкриття: нанобактерії, які жили і розмножувались. Більше того, знайшли їх не в якихось дивовижних екстремальних умовах, в яких, наприклад, живуть більшість архебактерій, а в звичайних культуральних середовищах, на яких вирощують еукаріотичні клітини, а також у крові людей і корів. Цій групі також вдалось знайти у складі «нових форм життя» білки і нуклеїнові кислоти. На основі послідовності 16S рРНК нанобактеріям вдалось знайти місце у системі класифікації: їх віднесли до 2-альфа підгрупи протеобактерій, куди також належать такі патогени як Brucella і Bartonella. Каяндер і Чіфчіоглу також з’ясували, що нанобактерії начебто будують собі маленьку оселю із кристалу гідроксиапатиту (одної з форм фосфату кальцію), розповсюдженого у багатьох біологічних об’єктах, зокрема, зубах і кістках людини [4].

Тут, звичайно, до радості від нового наукового відкриття домішались й інші почуття: Каяндер і Чіфчіоглу стверджували, що нанобактерії негативно впливають на ріст еукаріотичних клітин, їх неможливо позбутись звичайними методами стерилізації: пропусканням середовища через фільтри з діаметром пор 0,1 мкм, нагрівання тощо. Ще гірше — оскільки вони могли виступати центрами мінералізації кальцію та фосфату за фізіологічних умов, дослідники зробили припущення, що мініатюрні бактерії можуть бути однією із причин формування камінців у нирках. Пізніше нанобактеріям приписали вину, або принаймні співучасть, і в інших «злочинах проти людства», зокрема, багатьох видах раку, атеросклерозі, артритах, розсіяному склерозі, хворобі Альцгеймера, і навіть деяких проявах СНІДу.

Щоб взяти під контроль цю нову і несподівану загрозу 2003 року фінська група вчених заснувала власну фірму Nanobac OY, що спеціалізувалась на виготовленні діагностичних тестів на основі анитіл для виявлення нанобактерій в крові. Пізніше вони стали випускати і препарати для лікування нанобактерійних інфекцій.

Просто наночастинки

То як же пояснити те, що ці часточки, попри свої надто мініатюрні розміри, все ж можуть жити і ще й загрожувати життю людей? Альтернативний погляд на нанобактерії полягав у тому, що насправді жити вони не можуть, і докази цього вперше запропонував Джон Цізар. 2000 року він опублікував статтю в PNAS, в якій повідомляв, що фосфоліпіди (компоненти клітинних мембран) можуть зв’язуватись із кальцієм та фосфатом і стимулювати утворення кристалів апатиту, які були надзвичайно схожими за морфологією до нанобактерій. При цьому кулясті кристали росли і ділились, наче живі. Цізар також встановив, що нуклеотидні послідовності, начебто знайдені в нанобактеріях і використані для їхньої класифікації, насправді можуть належати звичайним «великим» бактеріям, які нерідко забруднюють лабораторний посуд і реактиви.

Від цього удару гіпотеза про живі нанобактерії дещо оправилась 2004 року, коли співробітники клініки Мейо виявили у цих загадкових часточок здатність синтезувати РНК. Але через три роки Джону Янгу та Яну Мартелу вдалось остаточно зруйнувати ідею про нові мініатюрні форми життя. Ці вчені поставили собі за мету з’ясувати справжню природу нанобактерій. Вони почали роботу із простого: дослідження кристалізації солей кальцію — карбонатів і фосфатів. Ці сполуки утворюють кристали у формі призм із плоскими гранями і гострими ребрами. Дослідники припустили, що в разі додавання до розчину солей кальцію сторонніх органічних сполук, таких як білки, це порушить процес кристалізації і призведе до утворення аморфної (безладної, невпорядкованої) маси. Проте, на їхній подив, мінералізація не припинилась, але її продуктами замість правильних призм були кулясті наночастинки, які дуже нагадували нанобактерії. Янгу та Мартелу вдалось відтворити всю поведінку цих гіпотетичних «нових форм життя», описану у попередніх працях, в тому числі ріст, «поділ», здатність перетворюватись у плівки тощо за допомогою тільки солей кальцію і органічних речовин у зовсім стерильних умовах. З’ясувалось, що наночастинки утворені у суміші кальцій карбонату і кальцій фосфату здатні включати майже будь-які органічні заряджені молекули — нуклеїнові кислоти, білки, фосфоліпіди тощо.

Оскільки кров людини місить високі концентрації іонів кальцію, фосфатів і карбонатів, вона повинна мати захисні механізми, які запобігали б кристалізації цих сполук і мінералізації стінок судин. Цю функцію виконують білки альбумін та фетуїн-А, перший із них зв’язує велику частину кальцію в крові, другий здатний також сполучатись із кальцій фосфатом у формі апатиту і таким чином зупиняти процес кристалізації. Француз Дідьє Рауль, а за ним і група Янга, показали, що більшість білків, знайдених у так званих нанобактеріях, є саме альбуміном або фетуїном-А, в деякій кількості були виявлені й інші білки крові, такі як аполіпопротеїн, білки системи комплементу тощо. З’ясувалось, що антитіла компанії Nanobac, які мали використовуватись для діагностики нанобактерійних інфекцій насправді реагували на фетуїн-А й альбумін, і навіть частіше на коров’ячі форми цих білків, ніж людські. Останній факт, на перший погляд, здається досить дивним, але прекрасно пояснюється враховуючи те, що до культуральних середовищ, на яких вирощують тваринні клітини, і які використовувались для культивування нанобактерій групою Каяндера, переважно додають фетальну (зародкову) сироватку телят, з неї коров’ячі білки і потрапили у наночастинки.

Нове існування під новим іменем

Тепер нанобактерії змінили ім’я на кальцифікуючі наночастинки (calcifying nanoparticles, CNP), і хоч момент слави для них втрачений, вивчення цих мініатюрних мінерало-органічних кульок все ще може принести важливі плоди. Янг і Мартел припускають, що краще розуміння процесів утворення, росту, поділу і злиття цих наночастинок може пролити світло на деякі аспекти виникнення життя на Землі. Також вони вважають, що CNP можуть відігравати роль у деяких захворюваннях, пов’язаних із надмірною кальцифікацією. Цізар дотримується протилежної точки зору:

Ці штуки можна знайти всюди, куди не глянь. І ніякі патології з цим не пов’язані.

“Every place you look for these things you find them, ” he says. “There’s no particular pathology [5].”

А в чому мораль? Мораль в тому, що великі гіпотези потребують великих доказів. І щоб не пошитись в дурні не треба дуже поспішати із засновуванням біотехнологічних компаній.

Джерела

1. Young JD, Martel J. The rise and fall of nanobacteria // Scientific American. — V.302. — (2010) p. 52—59 PMID:20063636.
2. Folk RL Nanobacteria: surely not figments, but what under heaven are they? // Natural Science. — V.1. — (1997)
3. «President Clinton Statment Regarding Mars Meteorite Discovery» NASA (1996)
4. Kajander EO, Ciftçioglu N. Nanobacteria: an alternative mechanism for pathogenic intra- and extracellular calcification and stone formation // PNAS. — V.95. — (1998) p. 8274—8274 PMID:9653177.
5. Martel J, Young JD. Purported nanobacteria in human blood as calcium carbonate nanoparticles. // PNAS. — V.105. — (2008) p. 5549—5554 PMID:18385376.
6. Hopkin M Nanobacteria theory takes a hit. // Nature News. — (2008)