Американські біологи розгадали один із секретів черв'яків-убивць, з допомогою яких люди борються зі шкідниками сільського господарства. Вони зрозуміли, яким чином ті активують своє "біологічна зброя" - смертоносних для комах бактерій, що живуть у них в кишечнику. Тепер люди зможуть використовувати цю зброю, не вдаючись до послуг самих черв'яків.

Відомі багатьом спеціалістам із захисту рослин від шкідливих комах (але, на жаль, не широкої громадськості) цікаві круглі черви Heterorhabditis bacteriophora володіють унікальною "професією" у світі тварин. Вони є не просто "кілерами", а фахівцями щодо застосування біологічної зброї. Не виключено, що ці нематоди були першими живими істотами на Землі, які "додумалися" до такого способу умертвіння жертви (втім, можливо, насправді такими були їхні близькі родичі з роду Steinernema, про яких можна прочитати" тут).

Життя гетерорабдитисов проста і нехитра - молода личинка, в кишечнику якої знаходяться тисячі бактерій з роду Photorhabdus luminescens (що отримали свою назву за здатність світитися) тихо сидить в грунті і чекає личинку комахи. Як тільки підійде до неї впритул, нематода проникає в тіло жертви через дихальця, анальний отвір або тріщинку у покривах. Опинившись всередині, хижий хробак скидає "овечу шкуру" і перетворюється на жорстокого вбивцю.

Гетерорабдитис випускає з свого кишечника (в основному через анус) всі наявні у нього бактерії, які починають стрімко розмножуватися, не забуваючи при цьому синтезувати речовини Tc і Mcf. Ці органічні токсини швидко вбивають комаха (яке не може ніяк від них захиститися), проте самої нематоди не шкодять. Та ж, зрозумівши що "клієнт" вже мертвий, починає харчуватися рідкою кашкою, в яку перетворюються під дією токсинів внутрішні органи жертви.

Ось так, сьорбаючи живильний бульйон, личинка мимохідь перетворюється на дорослу форму, знаходить "другу половинку", оселилася в тому ж комаху, злучається, відкладає яйця і з почуттям виконаного обов'язку відходить в інший світ. Коли молодь вилуплюється з яєць, від нещасної жертви залишається лише неїстівний хітиновий панцир, і вони, зрозумівши, що робити тут вже нічого, вибираються назовні. Але перед цим кожна нова личинка ковтає деяка кількість бактерій - не можна ж відправлятися в подорож беззбройною!

Довгий час вчені, які досліджували життя гетерорабдитисов, не могли зрозуміти, чому живуть в кишечнику нематоди бактерії не виділяють там свої небезпечні речовини, а опинившись"на волі", відразу ж починають цькувати всіх навколо. При цьому було відомо, що клітини Photorhabdus всередині хробака знаходяться в активній стадії - вони інтенсивно розмножуються. Проте ведуть себе тихо і не намагаються нікого вбити. Яким же чином здійснюється перетворення мирного симбіонта в небезпечного кілера?

І ось нещодавно група біологів з Університету Каліфорнії в Сан-Дієго і Йелльского університету (США) нарешті з'ясувала, в чому тут справи. Автори звернули увагу на те, що Photorhabdus luminescens може утворювати дві форми. Першу з них назвали P-формою, а другу - M-формою (від слів pathogenic і mutualistic). І подібні назви було дано зовсім не за красиві очі.

Виявилося, що лише клітини M-форми здатні прикріпитися до стінки кишечника хробака, проникнути в його клітини, а потім і сам просвіт травного тракту личинки. При цьому самі клітини цієї форми більш дрібні, розмножуються вони повільно і токсичні речовини проводити нездатні. Тому єдине, що їм залишається - це мирно жити в кишечнику гетерорабдитиса, плодитися і розмножуватися.

Однак перед тим, як личинка буде готова вийти на полювання за комахами, ці мирні співмешканці перетворюються в більш великі Р-клітини, які і розмножуються в кілька разів швидше, і отрути можуть виробляти. Їх-то і випускає личинка, пробравшись у свою шестиногую "столову", вони-то і вбивають жертву, і саме їх заковтують личинки наступного покоління перед тим, як вибратися з вже з'їденої батьками видобутку.

Але от біда - клітини цієї агресивної форми не можуть самостійно забратися в кишечник для того, щоб пережити голодні часи. А все тому, що вони не вміють налагоджувати контакти з клітинами кишечника хробака. Тому для того, щоб вижити, бактерії повинні знову перетворитися в мирну M-форму, яка забирається в "казарму і терпляче чекає наступного "сигналу тривоги".

Що ж відповідає за подібну метаморфозу? Дослідивши геном бактерії, вчені звернули увагу на цікавий ділянку під назвою madswitch (назва якого слід перекладати як"регулятор генів mad", а зовсім не як"який звихнувся перемикач"). Ця ділянка ДНК дійсно регулює активність важливого генетичного комплексу mad, що відповідає за синтез білків, здатних контактувати з клітинами кишечника хробака.

Біологи з'ясували, що у мирній M-форми цей регулятор працює, і інформація з генів mad постійно зчитується. Саме тому ці клітини легко проникають в кишку нематоди. Втім, судячи з усього, активність даних генів пригнічує роботу інших ділянок ДНК - тому-то M-форми не виробляють отрут, а також антибіотиків для придушення бактерій-конкурентів, а також білків Cips і інших речовин, необхідних личинкам для нормального росту в мертвому комаху. Так і світяться ці клітини значно слабше, ніж їх Р-побратими. Однак немає лиха без добра - активність madswitch дозволяє М-клітин бути більш стійкими до дії багатьох антибіотиків.

Що стосується агресивних Р-форм, то ось в них-то madswitch виявляється повністю виключеним. Саме тому вони не можуть виробляти білки, відповідальні за контакт з клітинами кишечника (тому що не працює комплекс mad), але зате здатні на інші цікаві та корисні речі. А вимикається цю ділянку за рахунок діяльності розташованого поруч з ним гена madR - його білок і глушить активність "перемикача". Зворотний перехід, що сприяє виникненню М-форми? здійснює послідовність madO, яка знаходиться зовсім в іншій частині тієї ж хромосоми.

Вчені припускають, що бактерії можуть як самі регулювати частоту прямих і зворотних перетворень, змінюючи рівень активності ділянок madR і madO. Правда, незрозуміло, чи відбувається це в природі. В лабораторних умовах метаморфози відбувалися випадковим чином - P-форми перетворювалися в M-побратимів з частотою 1,21·10-3 на клітину через покоління, а частота зворотних перетворень була нижче: 4,30·10-5. Але не виключено, що в природних умовах все це регулюється старим добрим способом під назвою природний відбір.

У самому справі, в порожнині кишечника хробака перед тим, як він вирішить, що настав час обідати, і в тілі комахи, P-форми різко переважають, тому що швидше розмножуються (тобто мають селективну перевагу над M-формами, витісняють їх). Але прикріпитися до стінки кишечника нематоди у молодих черв'яків можуть тільки M-форми, які домінують саме на цих стадіях життєвого циклу. Тим не менш, всього за один тиждень, що минув після того, бактерія потрапить в "казарму", M-форми практично повністю витісняються P-формами. В результаті молодий гетерорабдитис виявляється "озброєний і дуже небезпечний", тобто повністю готовий до подальшої важкій роботі на благо всього людства.

Цей випадок цікавий з точки зору сучасних еволюційних уявлень - хоча б тому, що він є одним із винятків із загального правила, згідно з яким? придбані ознаки не можуть успадковуватись (успадковуються лише зміни генома, що сталися в статевих клітинах). Але ж у P. luminescens дійсно із завидною регулярністю в процесі життя змінюється сам геном, і ці зміни, без сумніву, передаються потомству. Формально їх навіть можна назвати "еволюційними", адже вони дуже схожі на мутації (нехай навіть вони цілеспрямовані і регульовані), які підтримуються природним добором і допомагають бактерії всякий раз адаптуватися до нового середовища. Так що в цьому випадку виявилися праві прихильники Ламарка (допускають таке спадкування), а не послідовники Дарвіна (відносяться до нього скептично).

З практичної ж точки зору робота американських біологів цінна тим, що тепер, коли стало зрозуміло, як перетворити мирних бактерій в біологічна зброя, у справі захисту рослин можна обійтися і без нематод. Достатньо лише модифікувати самих P. luminescens так, щоб вони давали тільки Р-форму, виростити їх в лабораторії (що куди легше, ніж підтримувати культуру гетерорабдитисов) і обприскати суспензією з їх клітин поля, сади і городи. Тобто тепер люди зможуть, не вдаючись до послуг хробака, використовувати його біологічну зброю...