Пришельцы внутри нас: чем опасны нанобактерии и почему они ставят ученых в тупик
Откуда появилась жизнь и есть ли она на других планетах? Этот вопрос будоражит ученые умы уже несколько столетий. Еще Джордано Бруно, в 1600 году сожженный инквизицией на костре, был убежденным сторонником наличия множества обитаемых миров во Вселенной и того, что жизнь на Землю попала из космоса. Ее поиски как в нашей Солнечной системе, так и на планетах других звезд пока не увенчались успехом, но, возможно, мы что-то упускаем и ищем исключительно жизненные формы идентичные или крайне похожие на земные. При этом не рассматривая возможность существования иной организации живой материи, которая может оказаться настолько мала по своим размерам, что способна существовать даже вокруг нас на Земле, оставаясь никем не замеченной.
Дэвид Маккей из Космического центра в Хьюстоне (НАСА) после изучения обнаруженного в Антарктиде марсианского метеорита ALH84001 в 1996 году опубликовал доказательства того, что этот объект содержал наноокаменелости, похожие на некую форму жизни. Целым рядом других исследователей было выдвинуто предположение, что найденные в метеорите наночастицы могут быть ископаемыми остатками прошлой марсианской жизни, причем очень древней. Считается, что порода, из которой состоит этот внеземной гость, образовалась из расплавленного материала 4,5 миллиарда лет назад и является одной из древнейших в Солнечной системе.
Космические нанобактерии среди нас
Значение и масштабность этого открытия были настолько велики, что привели к выступлению Билла Клинтона на пресс-конференции в том же 1996 году, где президент США объявил о том, что доказательство внеземной жизни наконец найдено. Метеорит, отколовшийся от поверхности Марса примерно 15 миллионов лет назад, вероятно, содержал окаменелые останки жизненных форм гораздо меньших по размеру, чем самые маленькие бактерии на Земле. Это доказывает, что жизнь когда-то существовала на Красной планете, но не такая, какой мы ее привыкли видеть.
Дальнейшие геологические исследования показали, что подобные биосущности, имеющие размеры меньше, чем любые организмы, встречающиеся на Земле, могли формировать ранний рельеф нашей планеты и, возможно, являлись самыми первыми формами живой материи. Они были обнаружены в остатках древних геологических пластов, в том числе палеозойской и мезозойской эры, а также в пластах геологических периодов, которые предшествовали любой биологической жизни. Это открытие настолько шокировало, что последующая за ним новость уже не воспринималась как научная фантастика, хотя она переворачивает догмы современной биологии и медицины: древние существа, которые назвали нанобактерии, или нанобы, все еще находятся среди нас. Они распространены практически повсеместно: в атмосфере (нанобы перемещаются с облаками и даже играют роль в их образовании), в пресноводных водоемах, почве и горных породах, пыли, минеральных источниках, природном газе. Нанобактерии присутствуют и в питьевой воде, причем даже в бутилированной. Минимальное содержание нанобактерий выявлено в родниковой воде, а в воде, богатой железом, и в сульфидных источниках их количество оказалось в 20 раз больше.
Командой российских ученых при анализе бутилированных вод было обнаружено отсутствие нанобактерий только в двух образцах — ими оказались родниковые воды. По-видимому, они являются самоочищающейся системой: когда вода проходит через горные породы и контактирует с различными минералами, она освобождается от нанобов. Ученые полагают, что значительную роль в процессе эрадикации нанобактерий играют ионы серебра и золота, которые подавляют их рост.
Как показало еще одно исследование, избавиться от нанобов не так просто. После технологического процесса очистки воды из Томского водозабора колонии нанобактерий присутствовали на всех циклах, даже после ее хлорирования. Причем их форма полностью соответствовала нанобам, выделенным у людей из зубного камня. Бактерии в воде отличались лишь чуть бо́льшими размерами.
Оказалось, что нанобактерии обитают в наших телах, обнаруживаются в донорской крови и потенциально вызывают ряд заболеваний, а также могут быть причиной старения, если рассматривать этот процесс как болезнь, которая не позволяет человеку реализовать генетическую программу жизни до рубежа в 100 лет и даже преодолеть его. И тогда избавление организма от нанобактерий и предупреждение их повторного заселения позволит реализовать мечту человечества о вечной молодости.
Слишком маленькие, чтобы быть живыми
Нанобы по своим размерам в сотни раз меньше земных бактерий. Они слишком малы, чтобы в них могли находиться клеточные органеллы, нуклеиновые кислоты и белки, без которых ни обмен веществ, ни размножение считаются невозможными. Минимальный диаметр клетки для их размещения должен быть никак не меньше 150 нанометров, а ее минимальный объем составлять от 0,014 до 0,06 кубических микрометров. Именно такие габариты обязана иметь клетка, чтобы в ней смогла располагаться «метаболическая машина», обеспечивающая ее функционирование. Диаметр только одной рибосомы (завода по производству белков) составляет 15–20 нанометров, а значит, нанобактерия никак не может быть такого же размера. И это является каким-то нонсенсом для земной экосистемы.
Поверхность нанобактерии покрыта минеральной оболочкой, благодаря которой она надежно защищена от неблагоприятного влияния окружающей среды и долгое время оказывалась недоступна для исследования. Сегодня достоверно известно, что помимо апатита эти структуры содержат белок фетуин-А, а следы нуклеиновых кислот, обнаруженные в предыдущих исследованиях, были признаны побочным загрязнением проб вполне себе земными микроорганизмами. После того как стало понятно, что нанобактерии не имеют генов, было предложено отказаться от этого термина, заменив его на «наноны».
В нанонах отсутствуют энергоемкие системы активного транспорта, перенос веществ у них осуществляется посредством простой диффузии. Соответственно концентрация растворенных веществ и осмотическое давление внутри нанонов не отличаются от окружающей среды. За простоту конструкции и малые размеры нанонам приходится довольствоваться крайне низкой скоростью размножения — их клеточный цикл занимает 3–5 дней, а скорость роста нанонов примерно в 10 000 раз меньше, чем у «обычных» бактерий. Для роста и размножения этих наночастиц необходимо присутствие ионов магния и сывороточного белка альбумина. При этом морфология образующихся структур чрезвычайно напоминает бактериальную.
Такая организация, с другой стороны, дает и весомые преимущества. Нанонам не требуются энергозатратные системы поддержания внутриклеточного гомеостаза, что позволяет выживать при дефиците энергии и в агрессивных условиях окружающей среды. Они выдерживают нагревание до экстремальных температур без разрушения своей структуры, устойчивы к высоким дозам радиации и антисептикам. Загадочные наночастицы имеют разные жизненные формы в разных фазах развития, способны переходить в «спящее» состояние и длительное время находиться в образованной ими оболочке из солей кальция. Все это, по мнению некоторых ученых, делает наноны идеальными кандидатами на роль «первичных живых организмов».
Однако, согласно данным, полученным НАСА, в условиях невесомости рост нанонов многократно ускоряется — они начинают размножаться в пять раз быстрее, чем на Земле, что может создать опасность для участников космических перелетов. Чрезвычайно малые размеры, простота морфологии и чрезвычайно высокая устойчивость к внешним факторам позволяют им легко проникать в любые органы и ткани, а медленный цикл размножения приводит к развитию первых симптомов заболевания у человека только спустя 30–40 лет после инфицирования.
Новый взгляд на развитие болезней
Сегодня ученые подозревают причастность нанонов к заболеваниям, так или иначе связанным с минерализацией. Обосновавшись в тканях, они начинают медленно, но неумолимо синтезировать вокруг себя кальций-фосфатные образования, приводя в итоге к появлению симптомов целого ряда тяжелых и социально значимых болезней. К ним относятся мочекаменная и желчнокаменная болезнь, атеросклероз сосудов, подагра, кариес, пародонтоз и многие другие патологии.
По данным эпидемиологических исследований, в Финляндии даже среди практически здоровых людей удалось выявить 5% носителей нанонов, среди турецких поданных их частота достигает 80%. А в российском исследовании 31,6% проб донорской крови оказались инфицированы нанонами. Хотя эти структуры и персистируют в крови и именно там в основном и обнаруживаются, по-видимому, оптимальной средой их обитания в организме является моча. При введении животным наноны устремлялись к почкам и исчезали из крови.
У 92% пациентов, страдающих мочекаменной болезнью, в сыворотке крови были обнаружены наноны, в то время как ни у кого из здоровых людей их идентифицировать не удалось. При заражении этими патогенами у животных развиваются почечные камни, а терапия тетрациклином — антибиотиком, который обладает хелатирующим действием (способен связывать ионы металлов), препятствовала их образованию. Неудивительно, ведь для роста и размножения нанонам необходимы ионы металлов и белки, а значит, если их связать, то рост наночастиц будет остановлен. Этот эффект обнаружили у пациентов, страдающих хроническим простатитом и до этого безуспешно лечившихся по стандартным схемам. Назначение тетрациклина и ЭДТА (также хелатирующего агента) привело к улучшению их состояния. Помимо кальцификации наноны способны изменять микробный пейзаж в зоне своего обитания. Они формируют биопленки и способствуют развитию вторичной бактериальной инфекции. Сегодня подозревают роль нанонов в патогенезе ишемической болезни сердца, варикозной болезни, болезни Такаясу, диабетической ангиопатии и даже бронхиальной астмы.
Множество заболеваний, которые ранее никогда не связывали с инфекцией, оказывается, могут быть вызваны микроорганизмами. Хотя и не такими, какими мы привыкли видеть патогенных микробов. В связи с этим как не вспомнить убеждения нидерландского врача Германа Бургаве, которые не разделяли ни его, ни наши современники. Выдающийся клиницист и ученый еще в начале XVIII века предрекал, что подагра (в ее основе лежит нарушение обмена пуринов) может быть заразна. Он настаивал на обязательной дезинфекции белья пациентов, страдающих этой болезнью. И лишь спустя три столетия механизм развития этого заболевания стали связывать с внешними патогенами.
Искусственное создание нанонов
Повсеместное распространение в природе и полученные доказательства участия нанонов в развитии заболеваний побудили ученых к серии экспериментов по их искусственному синтезу. При добавлении к карбонату и фосфату кальция белков (альбумина или фетуина-А) и других соединений отмечалось образование, рост и распространение минеральных агломераций. Эти комплексы прочно связывались с любыми заряженными молекулами — углеводами, липидами и даже ДНК. Они активно росли, эволюционировали, приобретали клеточные стенки, делились и объединялись в веретена.
Обязательным условием для образования наночастиц было преобладание в окружающей среде органических веществ над неорганическими. В экспериментах, варьируя концентрациями исходных соединений, удалось получить объекты, подобные нанобактериям, которые ученые назвали бионами. Бионы имеют различные размеры и формы, имитируют биологические структуры и кажутся живыми, но фактически таковыми не являются. Тем не менее эти минеральные частицы обладают способностью к росту, размножению и при определенных условиях могут приводить к развитию заболеваний. Интересно было бы продолжить исследования и поставить два дополнительных эксперимента: по заражению бионами и оценке эффективности лечения тетрациклином и ЭДТА. И если их результаты окажутся положительными, а скорее всего так и будет, то мы имеем дело с иной, небиологической формой патогена, принципиально отличающегося от ранее известных.
Наноны (бионы) не способны к поддержанию постоянства внутренней среды, не имеют генов, но при этом являются самоорганизующимися структурами, могут расти и образовывать сложные формы. Подобная размытость границ живого и неживого заставляет пересмотреть как само определение жизни, так и то, что мы пытаемся найти на других планетах, когда ищем ее следы. Серия лабораторных опытов показала, как естественным образом из минералов и органических молекул образуются нанокомплексы, и эти данные могут пролить свет на возникновение биологической жизни на Земле. Много миллиардов лет назад в процессе самоорганизации, вероятно, так появились самые первые протоклетки. И впоследствии они стали каталитическими центрами для запуска самих процессов жизни, такой, какой мы ее представляем сегодня.