1. Inhalt
  2. Navigation
  3. Weitere Inhalte
  4. Metanavigation
  5. Suche
  6. Choose from 30 Languages

Наука и техника

Нанобактерии – реальность или плод воображения?

23.04.2007

История, о которой пойдёт речь в этом выпуске радиожурнала «Наука и техника», началась более 20-ти лет назад.

И пока не закончилась. Так что ещё и сегодня никто не может со всей определённостью сказать, прав или нет финский учёный Олави Каяндер (Olavi Kajander), утверждающий, что все мы живём в окружении нанобактерий – микроорганизмов чрезвычайно малых размеров, обладающих необычными свойствами и непосредственно причастных ко многим заболеваниям человека, которые до сих пор никому и в голову не приходило считать инфекционными. Эти недуги – будь то атеросклероз, простатит, почечнокаменная болезнь, артрит или катаракта, – так или иначе связаны с минерализацией, то есть интенсивным отложением солей кальция, а этот процесс, уверен Олави Каяндер, является следствием жизнедеятельности загадочных нанобактерий:

Эти нанобактерии могут проникать в тело человека и вызывать тяжёлые поражения различных органов. Такие локальные инфекции протекают по-разному, иногда практически бессимптомно, но в конечном счёте нередко приводят к дисфункциям и патологиям вплоть до раковых опухолей.

Бактерии, как известно, поистине вездесущи: они населяют и атмосферу, и сушу, и океаны, и недра нашей планеты. Есть виды, легко выдерживающие экстремальный холод и экстремальную жару, агрессивные среды и высокие дозы радиоактивности. Несмотря на микроскопические размеры бактерий, их суммарная биомасса во много раз превосходит биомассу всех остальных живых организмов на Земле, вместе взятых. Мало того, что на протяжении большей части истории нашей планеты бактерии были её единственными обитателями, они и сегодня являются здесь доминирующей формой жизни и определяют всё экосистему Земли. И вот теперь ряд учёных утверждают, что параллельно с этим миром микроорганизмов существует и неведомый нам пока мир гораздо более мелких наноорганизмов. Линейные размеры этих организмов лежат в диапазоне от 20-ти до 150-ти нанометров, то есть миллиардных долей метра. Таким образом, они существенно меньше, чем все известные сегодня бактерии, споры грибов или клетки любых тканей многоклеточных организмов. И этот неведомый нам мир, судя по всему, враждебен человеку и опасен для него. Олави Каяндер говорит:

Мы полагаем, что нанобактерии являются одной из основных причин ряда заболеваний. Одни болезни вызываются ими и только ими – ну, скажем, камни в почках. Другие болезни являются следствием целого комплекса факторов, и нанобактерии – лишь один из них. Конечно, в таких случаях доказать влияние нанобактерий труднее – тут и повышенный уровень холестерина в крови может играть негативную роль, и генетическая предрасположенность, и другие инфекции, и яды из окружающей среды... Есть много разных способов убить клетку.

Олави Каяндер – сотрудник факультета биохимии университета в городе Куопио. В 1985-м году финский учёный проводил серию экспериментов с сывороткой, полученной из мёртвых эмбрионов коров. Для обеспечения стерильности препаратов он пропустил сыворотку через фильтры с порами диаметром в 220 микрометров – это широко применяемая в микробиологии стандартная технология. Однако использовать эту сыворотку в качестве питательной среды для выращивания культур живых клеток млекопитающих учёный не смог: клетки гибли. Не помогло и гамма-облучение сыворотки, к которому прибегнул Каяндер, чтобы истребить неведомые патогены, непонятно каким образом преодолевшие фильтр. Однако и попытки изолировать и культивировать загадочный патоген, убивавший клетки, не увенчались успехом, и учёный махнул рукой на всю эту историю. Но вмешался случай: забракованные пробы забыли выбросить, и они пролежали в инкубаторе-термостате небывало долгий срок – четыре месяца. Когда Каяндер на них наткнулся, он увидел, что вся поверхность сыворотки покрыта какой-то странной пеной. Химический анализ показал, что она состоит из фосфата кальция. А электронная микроскопия позволила выявить в ней упорядоченные структуры, внешне напоминающие колонии необычайно мелких бактерий сферической формы. Каяндер вспоминает:

Удивительно, что они были видны очень отчётливо – словно частицы пыли в луче солнечного света. Я спрашивал многих коллег, что же они думают по этому поводу, но никто не мог дать внятного объяснения. Говорили, что это, возможно, пыль из вытяжного вентилятора. Однако все тесты показывали, что наши пробы были абсолютно стерильными – в обычном, традиционном понимании этого слова. Значит, тут нужно было искать какое-то иное объяснение.

Поскольку загадочные структуры обладали способностью, пусть и очень медленно, размножаться, финский учёный предположил, что имеет дело с новой формой жизни. Дальнейшие исследования позволили два года спустя обнаружить нанобактерии в крови человека, а затем и культивировать их. Однако открытие Каяндера было встречено коллегами насторожённо, чтобы не сказать, в штыки. Ведь оно грозило перевернуть традиционные представления о том, что есть жизнь. Соперничать с нанобактериями по степени миниатюрности могли только вирусы, но вирусы, как известно, не способны размножаться самостоятельно, им нужна клетка-хозяин. Поэтому открытие Каяндера заставляло задаться рядом фундаментальных вопросов: например, о минимально возможном размере живого организма, или об альтернативных формах жизни, не основанных на репликации нуклеиновых кислот. Это были «неудобные» вопросы. Так или иначе, когда Каяндер впервые решил ознакомить научную общественность со своими работами, коллеги его и слушать не захотели:

Я применил ту же тактику, которой в своё время воспользовался Роберт Кох, когда открыл возбудителя туберкулёза. Кох пришёл с микроскопом и со своими препаратами непосредственно на заседание научного общества и обратился к коллегам с призывом: вот, мол, что я обнаружил, взгляните и убедитесь сами. Я тоже вооружился микроскопом и нанобактериями и явился на ежегодную сессию Финского общества микробиологов, но в моём случае из этой затеи ничего не вышло. Председательствующий сказал, что если бы там действительно хоть что-то было, то он сам давно уже это обнаружил бы, и пригрозил неприятностями тем, кто вздумает смотреть в мой микроскоп. Так я и ушёл ни с чем.

Впрочем, скептики и критики выдвигали аргументы, от которых просто так не отмахнёшься. Они указывали на то, что нанобактерии слишком малы и в них физически не могут разместиться молекулы и структуры, без которых никакой обмен веществ, никакое размножение невозможны. Молекулярные механизмы, способные обеспечить элементарные жизненные функции, нуждаются в определённом объёме, и диаметр такой сферы, согласно всем расчётам, никак не может быть меньше 150-ти нанометров, ведь уже одна только рибосома, тот органоид цитоплазмы, который осуществляет синтез белка в клетке, имеет в диаметре 25 нанометров. Поэтому многие эксперты увидели в открытом Каяндером явлении не размножение неких загадочных нанобактерий, а самый обычный рост минеральных кристаллов. Особенно непримиримо был настроен Джон Сисар (John Cisar) из Американского национального института здравоохранения в Бетесде, штат Мэриленд. Но в то время до научных дискуссий дело не дошло, поскольку Каяндер вскоре объявил об обнаружении загадочных нанобактерий и в зубном камне, и в пищеварительном тракте, и даже в ржавчине. Это было воспринято как лишнее подтверждение того, что к Каяндеру нельзя относиться всерьёз. Однако в начале 90-х годов финский учёный нежданно-негаданно получил поддержку из США. Геолог Роберт Фолк (Robert F. Folk) из университета штата Техас в Остине, изучая минеральные отложения горячих источников в окрестностях Рима, обнаружил под электронным микроскопом необычные сферические структуры. Сперва Фолк принял их за загрязнения, за некие посторонние включения, однако они оказались поистине вездесущими, и тогда учёный решил, что имеет дело с окаменевшими остатками древних миниатюрных бактерий. Тем более, что они присутствовали не только в относительно молодых кальцитах и арагонитах, но также и в гранитах и доломитах, возраст которых достигал 2-х миллиардов лет. Но вскоре Фолк обнаружил, что эти загадочные структуры продолжают расти, а значит, не могут считаться окаменевшими древними остатками. Учёный выступил с докладом на сессии Американского геологического общества и сообщил об открытии им «наннобактерий» – «нанно» с двумя «н», что означает «очень маленькие». У микробиологов доклад вызвал решительное неприятие. Все возражения опять сводились к тому, что описанные образования слишком миниатюрны, чтобы быть живыми. Сегодня обязательными свойствами живого организма, помимо размножения, считаются обмен веществ с внешней средой, обмен энергией, обмен информацией, а также реакция на изменения окружающей среды и рост. Тем не менее, исчерпывающим это определение назвать трудно. Ведь те же самые вирусы, согласно таким критериям, к живым организмам не относятся: они не растут, не способны самостоятельно размножаться, в них не происходит обмена веществ. Значит ли это, что вирусы – мёртвая материя?

Столь же неясной остаётся и происхождение жизни. Ведь когда-то должен был произойти этот загадочный переход от неживой материи к живой! Ряд исследователей полагают, что такой переходной формой были вирусы. Но ведь это могли быть и нанобактерии? Олави Каяндер говорит:

Эти частицы существуют. Сейчас в этом уже никто не сомневается. Все дискуссии ведутся лишь вокруг вопроса, что же они собой представляют. Тут наука ещё не сказала своё последнее слово. Уже то, что они способны размножаться, позволяет считать их некоей формой жизни. Но с другой стороны, они не содержат никаких нуклеиновых кислот, никаких генов, как обычные, большие, бактерии, так что мои оппоненты всё же правы: это действительно не бактерии в привычном понимании этого слова. Поэтому я предлагаю уйти пока от вопроса о классификации и сосредоточиться на самом важном: являются ли они патогенами, какие болезни они вызывают, какие органы поражают.

В 1996-м году эксперты НАСА приступили, наконец, к изучению метеорита «ALH84001», найденного 12-тью годами раньше в районе ледяного поля Аллан Хиллз (Allan Hills) в Антарктиде. Крис Романек (Chris Romanek) и Дейвид Маккей (David McKay) обнаружили в этом обломке горной породы с Марса наноструктуры, напоминающие те, что Фолк выявил ранее в отложениях итальянских геотермальных источников. После тщательных исследований эксперты НАСА пришли к выводу, что на Марсе некогда существовала – а возможно даже, существует до сих пор, – примитивная форма жизни в виде карликовых бактерий с линейными размерами от 20-ти до 100 нанометров. Учёные опубликовали результаты своих исследований в журнале «Sience». Олави Каяндер вспоминает:

Это было очень важное событие, прорыв. Даже американский президент проявил интерес к данному открытию. Люди стали искать информацию в Интернете, задавая с поисковую машину понятие «нанобактерии», и все оказывались на нашем сайте, потому что он был тогда единственным, где этот термин фигурировал. Специалисты НАСА тотчас связались с нами и предложили сотрудничать. И мы сразу же начали обмениваться научными результатами.

Между тем, оппоненты во главе с Джоном Сисаром продолжали твердить о невозможности существования жизни в столь малом объёме. Однако тут на помощь Каяндеру и его коллегам пришли австралийские учёные. Группа геологов во главе с Филиппой Юинз (Philippa Uwins) из университета штата Квинсленд в Брисбене изучала образцы песчаника, добытые с глубины в 3-5 километров ниже уровня морского дна у западного побережья континента. При этом на поверхности только что распиленных образцов породы учёные обнаружили загадочные миниатюрные узловатые нити длиной от 20-ти до 128-ми нанометров. Внешне эти наноструктуры напоминали мицелий, то есть грибницу: тончайшие гифы с утолщениями наподобие плодовых тел. А главное, они отвечали всем критериям биологической жизни. По аналогии с микробами австралийские исследователи назвали их нанобами. А поскольку в них едва ли найдётся место и для десятка молекул ДНК, не говоря уже про всё остальные элементы живой клетки, Филиппа Юинз предположила, что нанобы отличаются от всех прочих микроорганизмов не только размерами, но и формой существования. Может быть, они образуют колонии, чтобы совместно стать жизнеспособными? Может быть, их гены распределены таким образом, что нанобы могут размножаться, лишь объединившись в группы? Но так или иначе, существование жизни в наномасштабе было эмпирически доказано. Олави Каяндер вспоминает:

Судя по фотографиям австралийских исследователей, между их нанобами и нашими нанобактериями действительно просматривалось очень большое сходство, и я собрался было тотчас лететь в Австралию, чтобы принять участие в совместном сравнительном анализе. Но из этого, к сожалению, ничего не вышло. Дело в том, что в Австралии действуют чрезвычайно жёсткие таможенные ограничения, цель которых – защита уникальной местной фауны. Ввоз живых микроорганизмов в страну запрещён.

Вскоре Каяндер обнаружил, что нанобактерии производят кальций, и это сразу же навело его на мысль об их причастности ко всем заболеваниям, связанным с обызвествлением, а их немало. И действительно, исследуя почечные камни, учёный более чем в 90 процентах случаев обнаружил живые нанобактерии, которые ему удалось изолировать и вырастить на питательной среде в лаборатории. Олави Каяндер говорит:

Они опасны – по крайней мере, в высоких концентрациях. В экспериментах на животных они могут вызывать апоптоз – программируемую смерть – клеток любых тканей. Они разрушают кровеносные сосуды, вызывают тромбозы. Мы обнаруживаем их у пациентов, страдающих разными заболеваниями, и я не сомневаюсь в том, что они к этим заболеваниям имеют самое прямое отношение. Пусть они не единственная их причина, но один из ключевых факторов. Когда мы сможем это строго научно доказать, это станет крупнейшим открытием после открытия Кохом туберкулёзной палочки.

Нанобактерии столь малы, что легко проникают в любые органы и ткани. А размножаются они так медленно, что симптомы заболевания проявляются лишь через 30-40 лет. Некоторые исследователи даже предполагают, что нанобактерии в значительной мере ответственны за процессы старения человека. Во всяком случае, финские учёные надеются, что образованию камней в почке можно воспрепятствовать специальным антибиотиком из группы тетрациклинов – опыты показали его эффективность в борьбе с нанобактериями. Олави Каяндер поясняет:

Они мастера по части выживания и легко выдерживают экстремальные условия. Их не убивает ни кипячение, ни мощное радиоактивное облучение. Да и воздействие многих агрессивных химикатов они переносят без каких-либо негативных последствий. В этом смысле они напоминают прионы – аномальные инфекционные белки, возбудители коровьего бешенства. Нанобактерии кальцинируют организм человека, вызывают гибель клеток разных его тканей – головного мозга, почек, – и в конце концов убивают его.

Сегодня параллельно с финскими учёными активными исследованиями в этом направлении занимаются их американские коллеги – специалисты клиники Майо в Рочестере, штат Миннесота, одного из крупнейших в мире медицинских центров, оборудованных по последнему слову техники. А вопрос о том, можно ли нанобактерии формально причислить к живым организмам, исследователи считают не столь уж и важным. Во всяком случае, Каяндер предпочитает теперь говорить не о нанобактериях, а о кальцинирующих наночастицах. Главное для него – то, что они патогенны. Значит, с ними нужно бороться, а для этого – продолжать исследования.