Нанобы – новая форма жизни

До Левенгука никто не подозревал, что нас окружают многочисленные и разнообразные существа, не видимые потому, что они слишком малы. По этой причине их называют микробами – микроскопическими формами жизни. С тех пор микроскопы были значительно усовершенствованы, и теперь мы можем увидеть даже отдельные атомы. Однако поиск все меньших по размерам организмов продолжается.

Самыми маленькими организмами являются вирусы. Среди них есть свои карлики – вирусы группы парвовирусов могут иметь в диаметре всего 18 нм (1 нм = 10–9 м). По сравнению с ними стандартный объект микробиологии, бактерия Escherichia coli, просто гигант – она имеет длину около 2 мкм при диаметре около 0,5 мкм (1 мкм = 1000 нм). А толщина человеческого волоса составляет от 17 до 180 мкм, хотя и его срез невооруженным глазом увидеть сложно.

Однако вирусы не способны к самостоятельному воспроизведению, им нужна клетка-хозяин, и среди ученых нет единого мнения о том, можно ли их называть живыми. По этой причине корона лилипутов среди микробов пока официально принадлежит представителям группы бактерий, называемых микоплазмами (Mycoplasma). Эти неподвижные бактерии, не имеющие оболочки, имеют сферическую или нитевидную форму и размеры 150–500 нм (микоплазмы относятся к фильтрующимся бактериям). Из-за малости размеров даже среди микробов микоплазмы и некоторые другие бактерии иногда называют нанобактериями.

Вопрос о том, могут ли живые организмы иметь размеры еще меньшие, до сих пор открыт.

В 1990 г. Роберт Фолк (R.Folk, Университет штата Техас в Остине, США) обнаружил странные структуры овальной формы размером около 100 нм в отложениях (кальцитах и арагонитах) горячих источников в Италии, а в 1992 г. выступил с сообщением о своем открытии на съезде Геологического общества США. Считая эти образования окаменевшими остатками древних миниатюрных бактерий, он назвал их «наннобактериями» (в отличие от нанобактерий), т.е. «очень маленькими бактериями». Позже эти образования, в отличие от микробов, стали называть «нанобами» (в последнее время их называют также нанобактериями и относят к роду Nanobacter).

Предположение Фолка о том, что нанобы – останки живых организмов, вызвало резкую критику большинства микробиологов. Основное их возражение сводилось к тому, что эти образования слишком малы, чтобы быть живыми: для самовоспроизведения клетке необходимо некоторое «оборудование», которое занимает довольно много места и просто не может поместиться в отдельном нанобе.

Но Фолк не сдавался. После своих первых открытий он продолжал поиски новых форм жизни в других местах и обнаружил нанобы практически везде: в разлагающихся листьях в ручьях, в воздушных фильтрах, в водопроводной и колодезной воде, в волосах, фекалиях, крови, камнях желчного пузыря, скорлупе яиц, раковинах моллюсков, в зубах. «Нанобы повсюду вокруг нас, – говорит он. – Надо только захотеть их увидеть». В научной печати разгорелась горячая дискуссия.

Масла в огонь подлило сообщение группы исследователей НАСА (руководитель – Д.МакКэй) об открытии сходных структур в метеорите марсианского происхождения ALH84001, опубликованное в 1996 г. (рис. 1). Поскольку возраст метеорита составляет 3,8–4,5 млрд лет, это может означать, что наши предки были марсианского происхождения.

Чтобы разобраться с проблемой нанобов, НАСА обратилась к Национальному совету по науке и Национальной Академии наук США с просьбой сформировать комиссию экспертов и ответить на вопрос, какого размера могут быть клетки. В конце 1998 г. эксперты опубликовали свой отчет «Предельные размеры очень маленьких микроорганизмов». В нем отмечалось, в частности, следующее.

Для синтеза белка необходимы рибосомы. Типичные рибосомы имеют почти сферическую форму и размеры 25–30 нм. Типичная современная клетка может содержать несколько сотен тысяч рибосом. Поскольку молекулы имеют объем, должен быть нижний предел размера организма. Сфера диаметром около 200 нм – вот тот минимальный объем, в котором могут уместиться все молекулы, необходимые организму с известной нам биологией.

Примитивные микробы, жившие на древней Земле, могли иметь и меньшие размеры. В принципе можно представить себе организм, имеющий только один тип информационных молекул, который может поместиться в сфере диаметром около 50 нм. Э.Нолл (A.Knoll), палеобиолог из Гарвардского университета и член комиссии экспертов, считает, что между известной биохимией и биохимией, которая может быть реализована, но не наблюдается у известных живых организмов, – принципиальная разница: пока не будет доказано, что нанобы действительно являются живыми организмами, нет оснований изменять существующие взгляды. Если же такие доказательства будут получены, то это значит, что на Земле существует форма жизни, биохимию которой мы пока не знаем.

Р.Фолк возражает: «Нельзя произвольно устанавливать пределы размеров организмов. В конце концов, до Пастера не существовали бактерии, а до 1890 г. никто не знал о вирусах». По его мнению, структуры, найденные в метеорите ALH84001, представляют собой окаменелые останки представителей древней жизни на Марсе, так же как и сходные структуры в другом марсианском метеорите Dhofar 019 и в немарсианских углеродистых метеоритах Allende и Murchison. А обнаруженные им нанобы – это первобытные формы жизни, сохранившиеся на Земле.

В марте 1999 г. МакКэй объявил об обнаружении нанобов в толще пород марсианских метеоритов Nakhla и Shergotty, имеющих возраст 1,3 млрд лет и 165–300 млн лет соответственно. Исследователи приняли специальные меры, чтобы полностью исключить возможность загрязнения образцов метеорита микроорганизмами земного происхождения. Марс 300 млн лет назад выглядел почти так же, как и сейчас. Таким образом, если на Марсе и есть жизнь, то, скорее всего, в толще скал и в грунтовых водах.

В 1996 г. группа исследователей под руководством Ф.Ювинс (Ph.Uwins) из Центра микроскопии и микроанализа в Квинсленде (Австралия) исследовала образцы песчаников с глубин 3400–5100 м ниже морского дна, полученных при бурении пробных нефтяных скважин к западу от берегов Австралии. На такой глубине температура составляет 117–170^оС, а давление – несколько тысяч атмосфер. Тем не менее, исследователи обнаружили в образцах песчаника структуры, сходные с открытыми Р.Фолком.

При изучении образцов под электронным микроскопом их помещают в вакуум и облучают мощным потоком электронов (обычные биологические объекты при этом часто разрушаются). Каково же было удивление Ф.Ювинс, когда она заметила, что эти структуры растут, а число частиц увеличивается.

Занявшись их исследованием, ученые столкнулись с огромными трудностями. Нанобы оказались не моно-, а полиэкстремофилами. В отличие от микробов, они легко переносят не одно какое-то экстремальное условие, например температуру, как термофильные бактерии, а любые сочетания экстремальных условий. Это, по-видимому, самая стабильная форма жизни на Земле. Поэтому стандартные микробиологические методы исследований часто оказывались непригодными для изучения нанобов. Однако постепенно многие трудности были преодолены.

Австралийским ученым удалось показать, что нанобы содержат ДНК. Эти организмы спонтанно растут на любых поверхностях, образуя колонии, которые становятся видимыми невооруженным глазом через 2–3 недели после открытия поверхности (например, скола песчаника). Морфологически нанобы очень похожи на актиномицеты или грибы, но имеют гораздо меньшие размеры (рис. 2 и 3). Основные химические элементы в составе нанобов – азот, кислород и углерод. Нанобы обладают клеточной мембраной, окружающей области цитоплазмы и ядра, при этом структура стенок нанобов аморфна.

Ф.Ювинс с коллегами только через два года, в 1998 г., опубликовала статью под названием «Новые наноорганизмы из австралийских песчаников» в журнале American Mineralogist. Считается, что это первое экспериментальное подтверждение того, что нанобы представляют собой живые организмы.

В 1996–1998 гг. финские микробиологи (O.Kajander, N.Ciftsioglu) опубликовали серию статей о причинах гибели культур клеток человека, выращиваемых на сыворотке крови. С культурами клеток млекопитающих такое случается часто, и микробиологам приходится повторять свои эксперименты с самого начала. Но однажды культуру клеток не выбросили, как обычно, а забыли ее в инкубаторе. Обнаружив ее примерно через 4 месяца, исследователи очень удивились тому, что культура клеток была покрыта слоем какой-то слизи. Они решили установить, что это за слизь.

С помощью самых мощных световых микроскопов ничего увидеть не удалось. Решили использовать сканирующий электронный микроскоп с увеличением до 100 тыс. раз. И тогда они обнаружили кальцифицированные структуры размером 20–200 нм, характерные для нанобов. После этого ученые занялись их исследованием. Им удалось получить культуру нанобов (рис. 4), которые были названы Nanobacterium sаnguineum. Эти организмы размножаются очень медленно – клеточный цикл занимает 3–5 дней. Они плеоморфны, т.е. имеют разные жизненные формы в разных фазах развития. Они могут переходить в «спящее» состояние и подолгу находиться в самостоятельно образуемой ими оболочке из солей кальция.

Финским ученым удалось выделить ДНК из частиц размером 20 нм и определить последовательность нуклеотидов в геноме. Их данные теперь подтверждены еще пятью исследовательскими группами. Вскоре была создана специальная компания Nanobaclab, которая занимается изучением нанобов и вызываемых ими болезней и разработкой соответствующих вакцин.

В организме человека нанобы – сапрофиты. Их очень трудно убить, и они являются причиной многих заболеваний человека. Нанобы могут проникать во все ткани человека, они свободно проходят сквозь гематоэнцефалический барьер. Во всех местах, где они внедрились, наибольший вред приносит их способность к кальцификации, т.е. к образованию отложений солей кальция. Они могут вызывать апоптоз, или программируемую смерть клеток, в любых тканях (рис. 5). То, что раньше считалось естественным результатом старения организма, например отложение солей, образование камней в почках (рис. 6), катаракта (рис. 7), сердечно-сосудистая недостаточность (рис. 8) и т.п., во многих случаях является следствием деятельности нанобов.

Нанобы вызывают образование антител в организме человека. По разным причинам они оказываются неэффективными против нанобов, но могут приводить к хроническим воспалительными процессам. Практически все процессы, связанные с минерализацией, в той или иной мере подвержены влиянию нанобов. Из-за малой скорости размножения и малых размеров симптомы заболеваний, вызываемых нанобами, начинают проявляться обычно в возрасте 35–40 лет. Поскольку нанобы живут на любых субстратах, они могут облеплять и любые клетки, в том числе и лимфоциты. Когда нанобов на клетке становится слишком много, клетка погибает.

В настоящее время исследования нанобов ведутся во многих лабораториях разных стран. Получены новые результаты, разработаны методы лечения заболеваний с учетом участия в их развитии нанобов. Однако многие вопросы биологии этой новой формы жизни до сих пор остаются нерешенными.