Детективна історія про те, як нанобактерії змусили боятися весь світ, обіцяли пролити світло на походження життя, відкрили дослідницький центр у Фінляндії, з тріском провалили ДНК-тест і переховуються під новим іменем.
Нанонародження
Ця історія починається в далекому 1989 році. Геолог Техаського університету Роберт Фолк намагається з’ясувати причину утворення вапнякової породи біля гарячих джерел Вітербо, що в Італії. Як він сам пізніше напише у звіті, відкриття вчений зробив випадково: просто шукав хороший привід продовжити польові роботи в Італії, бо йому подобалась італійська їжа і спосіб життя. Тож йому спало на думку попрацювати над травертинами1. Це порода, утворена внаслідок осадження карбонату кальцію з води2. Дослідник був упевнений, що причиною утворення такого мінералу могли бути бактерії, проте йому не вдалося їх там знайти. Натомість під потужним електронним мікроскопом він виявив якісь дуже маленькі сферичні об’єкти, що нагадували скам’янілі залишки бактерій. Ці об’єкти, схоже, мали клітинні стінки й ниткоподібні виступи на поверхні.
Фолк припустив, що ці сфери — живі організми, й ідентифікував їх як нанобактерії (сам термін раніше, у 1988 році, ввів Річард Моріта). Він стверджує, що нанобактерії — головні агенти утворення багатьох мінералів на Землі і є рушійною силою колообігу органічних та неорганічних речовин5. Але є одне «але»: нанобактерії руйнують фундаментальні уявлення наукового світу про живий організм. Тому його першу доповідь на конференції Геологічного товариства у США у 1992 році науковий світ сприйняв досить прохолодно1.
Правила гри у мікросвіті
Чому до відкриття нового типу бактерій поставилися так скептично? Усе просто: науковий здобуток попередніх років не припускав можливості існування настільки малих біологічних об’єктів.
Спочатку математика. Розміри бактерій зазвичай вимірюються в мікрометрах. Один мікрометр (мкм) — це одна тисячна частина міліметра або 10−6 метра. Нанометр – це одна мільйонна частина міліметра або 10-9 метра. Плівка товщиною 1 нм відповідає 4–5 шарам атомів, це приблизно як одна молекула сахарози.
А тепер повернімося до біології. Типові розміри бактерій — 1–10 мкм3. У мікросвіті, звісно, є свої велетні та дюймовочки. Так, бактерія з милозвучним іменем Thiomargarita namibiensis (Сіркова перлина Намібії) сягає діаметром цілих 750 мкм (0,75 мм), і її можна помітити навіть неозброєним оком. А крихітки мікоплазми — всього 0,2–0,3 мкм в діаметрі, в нанометрах це 200 нм4. Але навіть такі малюки більші, ніж нанобактерії, розмір яких варіюється від 10 до 200 нм5. Цікаву ілюстрацію відносного розміру бактерій, людських клітин та їх компонентів можна глянути тут.
У чому ж проблема? Хіба можна вилучити когось із переліку живих організмів, якщо вони просто, як Плутон, не підходять за розміром? Ні, тут правила гри трохи інші. Ти можеш бути яким завгодно маленьким, головне — вмістити в собі генетичну інформацію (ДНК або РНК), ферменти для її реплікації, транскрипції та трансляції, мінімальну кількість рибосом для створення білків і, звісно, самі білки. Більшість науковців припускає, що аби вмістити всі ці необхідні компоненти, потрібно мати діаметр, не менший ніж 200 нм, і об’єм від 0,014 до 0,06 мкм3 (трохи менший об’єм допускається для мікроорганізмів, що мають паличкоподібну форму, наприклад Pelagibacter ubique)6. Нанобактерії надто крихітні, щоб вмістити стільки життєво необхідних компонентів, до того ж вони сферичної форми, тому відкриття Фолка на кілька років залишилось невизнаним і забутим у світі науки.
Привіт із Марсу
Це дослідження так і залишилось би непоміченим, якби не ще одне сенсаційне відкриття, зроблене у 1996 році. Дослідник Девід Маккей із космічного центру NASA імені Ліндона Джонсона опублікував роботу про наноскам'янілості, знайдені не абиде, а на метеориті. Метеорит ALH84001 знайшли в Антарктиді в 1984 році. Вважається, що він відколовся від Марсу і впав на Землю 13 тисяч років тому, а його фактичний вік становить 4,5 мільярда років5,7.
Таке відкриття викликало неабиякий резонанс не лише в наукових колах — ще б пак, можливо, ми підійшли до розгадки питання, чи є життя на Марсі! Нанобактерії не тільки героїчно повернулися в наукові дискусії, а й потрапили до промови президента США Білла Клінтона. Сьомого серпня 1996 року він говорив: «Сьогодні камінь 84001 говорить з нами через всі ці мільярди років та мільйони миль. Це свідчить про можливість життя. Якщо це відкриття підтвердиться, це, безсумнівно, стане одним із найбільш приголомшливих відкриттів про наш Всесвіт. (...) Його наслідки настільки далекосяжні та дивовижні, наскільки можна собі уявити. Всупереч тому, що він обіцяє відповіді на деякі з наших найстаріших питань, він ставить ще й інші, ще фундаментальніші»7.
Ця гучна знахідка обіцяла пролити світло на такі важливі питання, як існування життя на інших планетах, та розкрити таємницю виникнення самого життя, адже поряд із нанобактеріями в метеориті знайшли часточки магнетиту, сульфіду заліза та навіть ароматичних вуглеводнів — компонентів, які беруть участь у біологічних процесах та можуть вказувати на життя або сліди вимерлого життя на Марсі5.
Геній чи божевільний?
Приблизно тоді, коли Роберт Фолк насолоджувався їжею та краєвидами Італії, Олаві Каяндер та Нева Чіфчіоглу — працівники біохімічного факультету у місті Куопіо (Фінляндія) — знаходять нанобактерії не у вапнякових породах, а у своїх стерильних зразках!
У 1992 році дослідники проводили серію експериментів з сироваткою з мертвих ембріонів корів. Вони збиралися використати її як поживне середовище для вирощування культур живих клітин, проте клітини чомусь гинули. Середовища стерилізували за допомогою фільтрів з порами 220 нм, які не дозволили б жодним живим клітинам залишитись у середовищі (крім відомих вже нам мікоплазм). Не допомагала навіть подальша стерилізація гамма-випромінюванням. Тоді Каяндер та Чіфчіоглу вирішили хоча б спробувати виділити невідомий патоген, але й тут зазнали поразки і махнули рукою на дивне середовище, яке вбивало клітини без видимих причин.
Середовище забракували, але волею випадку забули викинути, і воно пролежало в термостаті чотири місяці — наче сам Флемінг став чарівною хресною феєю для цих дослідників. Коли вони наткнулися на свої старі зразки, то помітили, що поверхня сироватки вкрита дивною слизькою плівкою. Електронна мікроскопія показала, що піна складається із надзвичайно маленьких сферичних об’єктів, що нагадували бактеріальні колонії, а хімічний аналіз показав, що вони складаються із фосфату кальцію.
Науковці продовжили стежити за загадковими структурами. Яким було їхнє здивування, коли з’ясувалось, що вони розмножуються! Сферичні об’єкти наростали й ділились, хоч і значно повільніше, ніж звичайні бактерії. Тому Каяндер припускає, що це якась нова форма життя, і продовжує дослідження. Вчені знаходять нанобактерії в крові, сироватці, сечі та інших рідинах організму. Проте й до їхнього відкриття також ставляться з недовірою і скептицизмом8, 9, 10.
Нанострашилки
Незважаючи на всі труднощі, дослідники продовжують свою роботу, відкриття Фолка та дослідження метеорита додають їм упевненості. І роботи цих дослідників ростуть як гриби після дощу. Вони разом з ентузіастами з інших дослідницьких центрів знаходять сліди нуклеїнових кислот (а це означає, що у нанобактерій є генетична інформація)15, виявляють дедалі більше нових середовищ з нанобактеріями: кров тварин11 та людей12, жовч13 та навіть стічні води14.
Разом із відкриттям широкого ареалу існування виникає і проблема дослідження методів захисту від нових потенційно небезпечних агентів. І виявилось, що нанобактерії успішно витримують практично всі можливі способи стерилізації: нагрівання, детергенти, антибіотики та бактеріальні фільтри16. Звучить досить страшно, коли стикаєшся з новим організмом.
Але ще більше лякали результати досліджень, що показували зв’язок нанобактерій з численними хворобами. Нанобактерії опиняються на лаві підсудних і обвинувачуються в біомінералізації та кальцифікації (накопиченні різних мінералів), що може призводити до таких захворювань, як артеріальна хвороба серця, хвороба Альцгеймера, камені в нирках і жовчному міхурі, полікістоз нирок, простатит, ¹ та навіть рак. [16] Крім того, дослідники із NASA з’ясували, що нанобактерії розмножуються набагато швидше в умовах низької гравітації, й це може стати поясненням, чому в астронавтів такий високий ризик формування каменів у нирках. [17]
Усі ці сенсаційні й лячні дослідження призводять до відкриття у Фінляндії компанії Nanobac. Вона починає займатися розробкою діагностичних наборів для ідентифікації нанобактерій і способів лікування численних хвороб, спричинених ними18.
Живі кристали і розпад наноімперії
У розпал сенсаційних заяв ЗМІ й скептичних поглядів наукового світу Джон Цізар у 2000 році публікує статтю в журналі PNAS, яка стала першим цвяхом в кришку турни легенди про найдрібніші живі організми у світі. Дамоклів меч уже завис над наношиями цих таємничих створінь. У своїй статті дослідник викладає альтернативний погляд на природу нанобактерій. Цізар говорить, що компоненти клітинних мембран фосфоліпіди можуть зв’язуватись із кальцієм та фосфатом, що призводить до утворення кристалів апатиту. Ці кристали дуже схожі на нанобактерії за формою, а також можуть рости й ділитись, зовсім як живі організми. Крім того, дослідник піддає сумніву чистоту виділеної ДНК і припускає, що насправді це просто забруднений лабораторний посуд19.
Нанобактерії не квапилися здавати позиції. У 2004 році виходить стаття21 Вірджинії Міллер і Джона Лиске про знайдені ДНК та білки в нанобактеріях кровоносних судин та навіть їхню здатність синтезувати РНК. Проте Джон Янґ та Ян Мартел все ж змогли поставити крапку в цій заплутаній історії. Вони почали з дослідження кристалізації солей кальцію. Вчені вже знали, що такі крихітні кристали солей мають впорядковану структуру і схожі на призми з пласкою поверхнею і гострими краями. Додаючи до них білки, дослідники очікували, що їхня структура стане аморфною, тобто без чіткої форми. Також очікувалось, що після склеювання з білками вони припинять свій ріст. Проте на великий подив вчених, кристали не лише не втрачали структурованість, а навпаки, набували кулястої форми та навіть продовжували рости.
Згодом з’ясувалося, що залежно від складу розчину вони могли по-різному поводитись. Якщо в середовищі було більше мінералів — наночастинки кристалізувалися й утворювали апатит. Але коли в середовищі було більше органічних речовин, вони зв’язували білки, ліпіди та навіть ДНК. Вони росли, ділились та утворювали плівки, а це вже було дуже схоже на поведінку нанобактерій.
Далі — більше: незалежне дослідження Медичної школи Марселя показало, що основним білком, який знаходили в нанобактеріях, був білок крові фетуїн-А, а пізніші дослідження додали до переліку ще альбумін, аполіпопротеїни та білки комплементу — звичайні білки крові людини. Тобто тест-системи, які випускала фірма Nanobac, містили антитіла до звичайних білків крові. Не дивно, що нанобактеріальні хвороби виявляли в організмі кожного зустрічного: у крові людей знаходили звичайні характерні білки5, 20.
Детективна історія розкрита, злочинці спіймані за нанохвіст. І хоча ці загадкові крихітки все ж можуть відігравати роль в деяких захворюваннях, проте живими організмами їх вже ніхто не називає. Зараз нанобактерії досі залишаються цікавим об’єктом досліджень, проте вже під новим іменем — кальцифікуючі наночастинки, а ЗМІ в пошуках нових сенсацій геть втратили до них інтерес.
