Моя маленькая нитрогеназиана

Как известно, эукариоты лишены возможности азотофиксации путём непосредственной утилизации атмосферного азота, что делает их полностью зависимыми от соответствующих метаболических цепочек бактерий. Этот факт делает ещё более интересными попытки прояснить происхождение самой нитрогеназы. Некоторые учёные считают, что изначально классический оперон генов, используемых в настоящее время бактериями для азотофиксации, сформировался у архей-метаногенов более 3 млрд. лет назад (см. например, обзор статьи на соответствующую тему Елены Наймарк на Элементах), после чего он в результате горизонтального переноса был освоен и многими другими группами бактерий. Другая точка зрения состоит в том, что все гены, необходимые для данной метаболической цепочки присутствовали уже у общего предка всех земных организмов LUCA. Как же было на самом деле? Давайте разбираться вместе.

Начнём с того, что отнюдь не все археи способны к азотофиксации. Она обнаруживается лишь у архей-метаногенов. Это, по-видимому, объясняет, почему эукариоты начисто её лишены - судя по всему, данный кластер генов отсутствовал уже у той группы архей, от которой они впоследствии произошли (по последним данным, это могли быть таумархеоты). Но и среди самих метаногенов способность к усвоению молекулярного азота является отнюдь не всеобщей. Минимальный набор генов, необходимый для этого, обнаруживается лишь примерно в 40% геномов отсеквенированных к настоящему времени метаногенов. При этом, обнаруживается достаточно явная тенденция - чем выше оптимальная для размножения данного штамма бактерий температура внешней среды, тем меньше вероятность обнаружить у них полный набор генов, необходимых для азотофиксации. Этот факт существенно ослабляет гипотезу о появлении способности к усвоению молекулярного азота уже у живущих во времена раннего архея метаногенов. Действительно, давайте помыслим логически, с чего бы это способность к фиксации атмосферного азота вдруг так понадобилась именно термофильным (а других метаногенов в те далёкие времена, по видимому, ещё просто не было) археям? Ведь аммиак, являющийся промежуточным продуктом процесса фиксации азота, является одним из основных составляющих вулканических газов. Соответственно, уж кого-кого, а первых архей-термофилов, де-факто живущих вблизи жерла подводных вулканов, недостаточное количество атомов азота в легкоусвояемой форме, по идее, должно было "припечь" в последнюю очередь! Учитывая, что фиксация молекулярного азота является одним из самых энергозатратных для бактерий процессом, не слишком ли расточительно с огромными усилиями добывать ресурс, который буквально валяется под ногами? Что-то тут не так... Есть и другой аргумент против гипотезы о возникновении способности к азотофиксации у термофильных метаногенов. Дело в том, что в соответствии с ней вначале возникла нитрогеназа, имеющая в своём активном центре ванадий, и лишь позже, уже после начала стремительной оксигенизации земной атмосферы, она была по большей части вытеснена гораздо более эффективной молибденовой нитрогеназой. Данный сценарий не очень хорошо согласуется с тем фактом, что эффективность ванадиевой нитрогеназы по сравнению с молибденовой при повышении температуры растёт гораздо медленнее. Например, несмотря на то, что при температуре в 5 градусов Цельсия она функционирует на порядок более эффективно, чем молибденовая, уже при комнатной температуре её активность оказывается в разы хуже молибденовой. Логично предположить, что при дальнейшем повышении температуры разрыв будет только увеличиваться, так что, для внешней среды, соответствующей условиям обитания термофилов и гипертермофилов он станет просто катастрофическим.

Итак, даже далеко не у всех ментаногенов имеется полный набор генов нитрогеназы. Тем не менее, если рассматривать представительство этих генов по отдельности, то оказывается, есть по крайней мере один ген, который есть абсолютно у всех метаногенов. Он даже получил собственное альтернативное имя - "Methanogenesis marker 13 metalloprotein". Почему в его названии присутствует чёртова дюжина? Увы, никакой особой интриги здесь нет, просто когда количество отсеквенированных геномов метаногенов достигло первого десятка, в связи с большим количеством открытых в них новых генов было решено навести некоторый минимальный порядок, неким образом пронумеровав те гены, которые были идентифицированы во всех десяти штаммах отсеквенированных бактерий и, в то же время, прямых аналогов которых у других групп бактерий не было обнаружено. Соответственно, обсуждаемый нами сейчас ген получил в этом списке тринадцатый номер. Правда, впоследствии обнаружилось, что у него всё же есть "дальние родственники", причём, именно в кассете генов нитрогеназы. Ими оказались гены, кодирующие протеиновый комплекс, в котором, собственно, и осуществляется реакция фиксации азота, а так же гены, описывающие белки, служащие своеобразной "опалубкой" при их сборке (всем этим генам в базе ортологичных генов присвоен один и тот же класс - COG2710C). В "классическом" опероне генов нитрогеназы они идут один за другим в следующем порядке (обозначения приведены для наиболее распространённой молибденовой нитрогеназы, но и для альтернативных нитрогеназ приведённый порядок сохраняется) - NifD, NifK, NifE, NifN. При обозначении генов нитрогеназы первые две буквы по традиции обозначает тип каталитического центра нитрогеназы. В частности, для обозначения молибденовой нитрогеназы используется обозначение Ni, ванадиевой - Vn, а железной - An (на самом деле во все типы реакционных центров нитрогеназ обязательным компонентом входит ещё и железо). Таким образом, например, VnfE означает "E"-ю компоненту ванадиевой нитрогеназы. В состав протеинового комплекса нитрогеназы кроме уже упомянутых компонент D и K входит так же белок, обозначаемый буквой H. Он выполняет роль своебразной цепи подачи энергии (в виде потока электронов), необходимой для разрыва прочной тройной связи в молекуле азота. Эта энергия непрерывно подаётся, так сказать, в "производственный цех", коим является реакционный центр. Что касается компонентов E и N, то как уже упоминалось выше, они непосредственно участвуют в сборке всего нитрогеназного комплекса (если кто ещё не забыл уроки политэкономии, это называется "производство средств производства"). Из трёх известных к настоящему времени нитрогеназ "13-й маркер метаногенов" оказался больше всего похож на семейство генов ванадиевой нитрогеназы - VnfD, VnfК, VnfE, VnfN а из них, в свою очередь, на ген VnfN. И это уже весьма интересный факт. Во первых, как было открыто относительно недавно, в присутствии угарного газа (CO) и молекулярного водорода (H₂) ванадиевая нитрогеназа способна не только катализировать синтез простейших органических молекул-углеводородов (этилена, этана, пропана), но и восстанавливать CO до метана. А это уже почти сенсация, ведь метаногены используют очень длинную и весьма нетривиальную метаболическую цепочку, включающую синхронную работу более двухсот генов, что бы осуществить аналогичную реакцию с участием углекислого газа (CO₂)! Но и это ещё не всё! Опять же, как выяснилось всего пару лет назад, белки молибденовой нитрогеназы NifE и NifN, которые, как считалось до этого, способны лишь катализировать образование реакционного центра из близкородственных им белков NifD и NifK, на самом деле обладают и самостоятельной каталитической активностью, в частности, они способны катализировать реакцию восстановления ацетилена (C₂H₂) до этилена (C₂H₄). Другими словами, указанные белки обладают очень важным свойством, которое должно было непременно присутствовать у предков современных протеинов на начальных этапах эволюции во времена гипотетического "первичного органического бульона". Это свойство катализировать свой собственный синтез, обладая вдобавок при этом ещё и некоторой дополнительной каталитической активностью в других областях. Ну и в качестве, так сказать, контрольного выстрела, упомянем о том, что именно компоненты ванадиевой нитрогеназы VnfE и VnfN оказались, в соответствии с результатами исследования уже упомянутой нами выше работы, в основании объединённого дерева генов B, N, Z и Y в системах синтеза хлорофилла и бактериохлорофилла у фотосинтетиков. Как говорится, все дороги ведут в Рим!

С учётом всего вышеизложенного вполне резонным выглядит предположение, что прадедушкой всего многочисленного семейства генов COG2710C являлся тот самый металлопротеин номер 13 из джентельменского набора метаногенов, функции которого до сих пор не ясны. Его дупликации (N => Е, NE => DK) в итоге привели к образованию сначала ванадиевой нитрогеназы, а потом и других альтернативных нитрогеназ у азотофиксирующих бактерий и редуктаз протохлорофилла и хлорофилла у фотосинтетиков. Попробуем капнуть ещё немного глубже, и поискать намёки на то, какова же изначально была функция нашего прадедушки, тем более, что, скорее всего, он продолжает её успешно выполнять до сих пор! Как это сделать? Попробуем посчитать, какие гены из тех, что встречаются у всех метаногенов, чаще всего соседствуют с геном, кодирующим интересующий нас металлопротеин. Это позволит хотя бы предположительно восстановить соответствующий участок генома у общего предка всех метаногенов. Проделав соответствующие подсчёты получим, что два наиболее часто встречающиеся рядом с предполагаемым основным предком нитрогеназы гена кодируют белки Cobyrinic acid a,c-diamide synthase и Nitrogenase reductase-like protein (H component). Кроме того, оказывается, что большинство остальных так же часто встречающихся генов кодируют протеины, которые участвуют в сборке достаточно сложной органической молекулы с несколько пугающим названием Uroporphyrinogen III, которая, тем не менее, является довольно элегантной симметричной структурой с уже знакомым нам корриновым кольцом в центре, кои так любит наш слепой часовщик. Следует особо отметить, что данная молекула является прекурсором для очень большого числа важнейших биологических молекулярных комплексов (кобаламина, хлорофилла, всевозможных цитохромов и т.д.). Сходство уропорфириногена с одним из основных коэнзимов основной метаболической цепочки метаногенов F-430 сразу наводит на мысль о том, что обсуждаемый ген может участвовать в "доводке" заготовки в виде уропорфуриногена до конечного продукта в виде F-430. Собственно, мысль не нова, её высказывали и раньше, но пока метаболическая цепочка синтеза кофермента  F-430 экспериментально не установлена, все предположения на эту тему являются не более, чем спекуляциями, основанными на косвенных данных. Тем не менее, лучше хоть что-то, чем совсем ничего. Попробуем в свете высказанной гипотезы помедитировать над приведённым выше списком. Что бы превратить уропорфириноген III в F-430 в нулевом приближении нужно проделать следующие операции:

1. метилировать кольца A и B, превратив тем самым уропорфириноген в Precorrin-2;

2. восстановить порфириновое кольцо, добавив в него протон, и превратив его, таким образом, в Sirohydrochlorin;

3. поместить в центр коэнзима ион никеля;

4. аминировать (то есть, добавить аминогруппу NH₂) кольца A и B;

5. замкнуть аминогруппу, прикреплённую к кольцу B, создав, таким образом, дополнительное лактамное кольцо E;

6. замкнуть одну из внешних карбоксильных групп энзима, образовав дополнительное кето-кольцо F.

Рис. 1. Трансформация  уропорфириногена III в кофермент F-430.

Ген, необходимый для операции 1 (Uroporphyrin-III C-methyltransferase) есть у всех метаногенов. Аминирование колец A и B (пункт номер 4) осуществляется протеином, ген которого наиболее часто встречается по соседству с 13-м маркером метаногенов (Сobyrinic acid a,c-diamide synthase). Белок, способный помещать в центр порфиринового кольца ион никеля (пункт номер 3) пока экспериментально не определён, но можно согласиться с теми исследователями, которые предполагают, что эти функции может выполнять тот же комплекс протеинов, что вставляет кобальт в центр молекулы кобаламина (Сobaltochelatase), и магний в центр молекул хлорофилла (Magnesium chelatase). Одну из трёх оставшихся операций вполне может осуществлять обсуждаемый нами прадедушка совместно с белком, гомологичным H-компоненте нитрогеназы (второй из генов, чаще всего встречающихся вместе с "прадедушкой"). Действительно, гомологичные им протеины добавляют протон в порфириновое кольцо молекулы хлорофилла (понижая, тем самым, резонансную частоту уровней её возбуждения). Логично предположить, что и в нашем случае указанный протеиновый комплекс может служить для добавления протона в порфириновое кольцо, что соответствует операции 2 из вышеприведённого списка. Оставшиеся две операции из обсужданмого списка соответствуют замыканию колец E и F на Рис. 1. Белки, которые катализируют указанные операции, на настоящий момент не известны, однако, сама возможность замыкания (за счёт энергии АТФ) по крайней мере для кето-кольца показана экспериментально. Итак, "размножившийся" впоследствии ген современной молибденовой нитрогеназы NifD(KEN) вместе со своим ближайшим помощником NifH изначально скорее всего входил в состав метаболической цепочки синтеза одного из древнейших коэнзимов F-430, а ещё ранее, во времена гипотетического органического бульона, возможно катализировал первые окислительно-восстановительные реакции и участвовал в синтезе первых цепочек органических молекул, содержащих более одного атома углерода. Но каким образом ему в итоге удавалось дать начало всему нитрогеназному комплексу, и почему, собственно, это вообще произошло, коли вполне себе доступный древним метаногенам аммоний, по идее, должен был в достаточной концентрации содержаться в среде их обитания?

Для проведения дальнейшего расследования весьма полезным может оказаться рассмотрение механизма регулирования импорта аммония в бактериальную клетку из внешней среды. Этот более простой способ усвоения азота, очевидно, должен был предшествовать появлению классической нитрогеназы, и, вполне возможно, существовал уже у LUCA. Итак, в чём же он заключается? Молекулы аммония, являющегося наиболее доступным и широко распространённым источником азота для большинства земных организмов, представляют из себя катионы аммиака (NH₄⁺), и транспортируются внутрь клетки по специальным каналам в клеточной мембране. Каналы, в свою очередь, представляют из себя встроенные в мембрану белки (кодируются геном amtB) образующие специальный механический канал для прохода аммония из внешней среды внутрь клетки. Так как в большинстве случаев концентрация аммония снаружи клетки выше, чем внутри неё, данный транспорт может осуществляться без расхода энергии в виде АТФ. Попав внутрь клетки азот (в составе молекулы аммония или аммиака) тут же "пристраивается" в какое-нибудь достаточно надёжное долговременное хранилище в котором, с одной стороны, он может храниться достаточно долго без риска, что он куда-нибудь убежит или вступит в совершенно ненужную клетке химическую реакцию, а с другой стороны, при необходимости его можно легко использовать на полезные клетке цели. Наиболее распространённым видом такого хранилища является аминокислота глутамин. Она получается аминированием другой аминокислоты - глутамата. Данная реакция, требующая расхода энергии в виде АТФ, катализируется специальным ферментом - глутамин синтазой. Понятно, что запасать "впрок" слишком много лишнего азота, тратя на это дополнительную энергию, клетке невыгодно (тем более, если при необходимости он в той или иной форме всегда "под рукой"). Соответственно, необходим какой-то способ сказать - "горшочек - не вари!". В роли данной фразы у клетки обычно выступает специальный регуляторный белок - glnK. У него имеется специальный выступ, который может чисто механически перекрывать канал транспорта аммония в клетку, примерно таким же образом, как затычкой можно перекрыть вытекание вина их нижней части бочки (подробнее см., например, здесь). Как и любой порядочный регуляторный белок, glnK имеет две устойчивые модификации, отличающиеся тем, прицеплен ли к аминокислоте тирозину, находящейся в 51-й позиции этого протеина аденазинмонофосфат. Если в указанной позиции к тирозину присоединён аденозинмонофосфат, то "затычка" не может перекрыть канал, и аммоний свободно поступает по нему внутрь клетки. Если же азота в клетке уже вполне достаточно, аденозинмонофосфат отсоединяется от тирозина, и "затычка" входит в канал перекрывая его. Выбор одной из двух преимущественных конфигураций протеина glnK (на самом деле, конечно, никогда не бывает, что бы все молекулы данного белка находились в одинаковой конфигурации, речь идёт лишь о доле той или иной конфигурации в общей выборке), естественно, в свою очередь, тоже должен регулироваться каким-то белком, причём, он должен выступать в роли некого своеобразного "датчика" концентрации доступного клетке азота. Роль такого датчика играет другой протеин цепочки регулировки экспорта аммония - glnD. Его активность напрямую зависит от концентрации в клетке глутамина. Как было указано выше, именно глутамин является основным хранилищем предназначенного, так сказать, "для повседневных нужд" азота в клетке. Повышенная концентрация глутамина угнетает активность протеина glnD, что, в свою очередь, означает, что количество белков glnK, которые подвергаются указанной выше модификации после их трансляции, резко уменьшается. Это, в свою очередь приводит к тому, что всё больше белков glnK закупоривают каналы импорта аммония, и в результате он практически прекращается. По мере падения концентрации глутамина в цитоплазме активность белка glnD начинает увеличиваться, а в уже подвергшиеся "аденозинмонофосфатизации" белках потихоньку идёт самопроизвольный обратный процесс отсоединения аденозинмонофосфата. В результате, всё больше каналов открывается, и, вуаля, необходимое количество азота опять поступает в клетку. Такое вот простое, но надёжное решение (которое впоследствии, воспользовавшись отсутствием патента, повторил изобретатель сливного бочка в туалете) придумал в данном случае наш слепой часовщик.

При этом, очень важным является тот факт, что фиксация молекулярного азота у бактерий регулируется парой генов, гомологичных описанному выше гену glnK, который синтезирует белок, регулирующий его импорт из внешней среды в составе аммония. Этот факт отнюдь не тривиален, ибо при функционировании молекулярного комплекса нитрогеназы никаких мембранных каналов не используется, так что, у него, по сути, может быть лишь одно логичное объяснение - исходно оба способа усвоения азота регулировались одним и тем же геном, и лишь позже произошло из разделение и специализация. Это, в свою очередь, означает, что у первых способных к фиксации молекулярного азота бактерий кластер генов, кодирующих нитрогеназу, по видимому, располагался рядом с кластером генов, ответственных за импорт и усвоение аммония, и лишь впоследствии они постепенно разошлись в геноме по разным "квартирам". Отсюда вполне естественным образом вытекает предположение, что наиболее архаичные нитрогеназные комплексы могут до сих пор располагаться недалеко от пары генов glnK-amtB, ответственных за регулируемый импорт аммония. Вооружившись этой гипотезой и базой данных уже секвенированных к настоящему времени геномов, попробуем поискать соответствующие нашему предположению бактерии среди ныне живущих организмов, способных к азотофиксации. Поиск в итоге приводит нас к некоторым видам строго анаэробных клостридий, не имеющих появившейся позже вставки в гене NifD (подробнее см. здесь). В частности, у живущей на многокилометровой глубине в слоях земных пород в гордом одиночестве бактерии Candidatus Desulforudis audaxviator MP104C (подробнее про неё см. здесь), а так же у вида Desulfitobacterium hafniense DCB-2 гены, ответственные за транспорт из внешней среды аммония и кластер генов, отвечающий за усвоение молекулярного азота расположены недалеко друг от друга. Вот, например, как он выглядит у первой из вышеназванных бактерий:

Nitrogen regulatory protein P-II (glnK)        COG0347E

Ammonium transporter (amtB)                    COG0004P

Nitrogenase iron protein (NifH)                COG1348P

Nitrogen regulatory protein P-II (glnB)        COG0347E

Nitrogen regulatory protein P-II (glnB)        COG0347E

Nitrogenase component I, alpha chain           COG2710C

Оxidoreductase/nitrogenase, component 1        COG2710C

Nitrogenase iron-molybdenum cofactor (NifE)    COG2710C

Radical SAM domain-containing protein (NifB)   COG0535R

NAD+ synthetase                                COG0171H

После названия гена в обсуждаемом списке приведена его классификация в базе гомологичных генов COG. Как нетрудно заметить, очень похоже на то, что ген, регулирующий импорт содержащего азот аммония из внешней среды glnK был дублирован, и под именем glnB пара его "близких родственников" освоила смежную профессию, переквалифицировавшись с регулировки импорта содержащего дополнительный атом водорода аммиака в регулировку добычи последнего за счёт расщепления молекулярного азота. Можно так же отметить, что имеются некоторые признаки того, что у данной бактерии классический кластер генов, отвечающий за фиксацию азота является как бы ещё недоделанным, в частности, вместо "классической" четвёрки генов COG2710C, в ней присутствуют только три из них, а добытая аминогруппа NH₂ в итоге присоединяется не к глутамату, как у большинства других бактерий, а к деаминированной молекуле NAD⁺. Впрочем, механизм присоединения остаётся по существу тем же - на концевой части молекулы-приёмника, один из кислородных "рогов", удерживаемых при молекуле углерода лишь за счёт эфирной связи, замещается аминогруппой (см. рис. 2).

Рис. 2. Замена кислорода аминогруппой в молекуле-приёмнике добытого атома азота. A - исходное состояние "приёмного конца" молекулы-приёмника, B - процесс замещения атома кислорода аминогруппой из состава аммония, C - итоговое состояние "приёмного конца" молекулы-приёмника (атом кислорода замещён аминогруппой, из оставшихся атомов водорода и кислорода образовалась молекула воды).

Попутно отметим, что это вообще излюбленный природой способ использования во внутриклеточных процессах основных для жизни химических элементов - углерода, азота, кислорода. На самом нижнем уровне организации они входят в состав более сложной органики в основном в виде кирпичиков, состоящих из базового элемента блока и атомов водорода в количестве, равном основной валентности элемента минус один, то есть, другими словами, в виде соединений CH₃, NH₂, OH. При этом все возможные химические связи элемента, кроме одной, изолируются "шапочкой", представляющей из себя атом водорода (это достаточно надёжно предохраняет этот элемент от вступления в неконтролируемые самой клеткой химические реакции), а оставшаяся единственная валентность используется для непосредственного манипулирования элементом. Его теперь можно взять за эту последнюю оставшуюся свободной связь, как шарик за верёвочку, и перенести в то место, где он именно сейчас нужен, после чего передать, так сказать, "с рук на руки" другому актёру на биохимической сцене клетки.

Итак, вполне резонным выглядит предположение, что первые нитрогеназные комплексы появились у клостридий в результате удачного акта  горизонтального переноса целого кластера генов от архей (у которых они выполняли совсем другие функции) в тот район генома клостридий, на котором располагались гены, отвечающие у них за экспорт аммония из внешней среды. В результате образовался прекурсор будущего оперона генов классической нитрогеназы. Впоследствии этот кластер генов был окончательно отшлифован и разнесён с помощью всё тех же актов горизонтального переноса по другим группам бактерий, в частности, так сказать, "в обновлённом виде" он вернулся обратно и к некоторым видам архей. При этом, любопытно, что две отстоящие достаточно далеко друг от друга на филогенетическом дереве архей группы метаногенов по видимому получили их независимо, так как у одной из них (метаносарцин) присутствует упомянутая выше аминокислотная вставка в гене NifD, а у другой её нет. Данное предположение подтверждается и анализом геномного окружения клостридий, которые, по видимому, получили (и приручили!) соответствующий фрагмент генома архей. Как уже отмечалось в одной из предыдущих статей, геномы клостридий удобны тем, что они очень консервативны. Последовательность генов в них в процессе эволюции меняется очень медленно и неохотно. Это делает клостридий идеальным объектом для своеобразных "палеонтологических раскопок", так как позволяет относительно легко идентифицировать эволюционные события, произошедшие после разделения их различных ветвей от их общего предка в том случае, если соответствующие изменения происходят у них в архаичных частях генома. Вот и в данном случае при ближайшем рассмотрении выясняется, что фрагменты генома, содержащие наиболее древний вариант генов нитрогеназы у клостридий всегда находятся в более поздних геномных вставках. Например, у уже упоминавшейся Candidatus Desulforudis audaxviator оперон генов нитрогеназы находится в большой геномной вставке длиной около 55 тысяч нуклеиновых оснований (тно), а у уже упоминавшейся в статье про происхождение хлорофилльного фотосинтеза бактерии Heliobacterium modesticaldum Ice1 в геномной вставке длиной примерно 30 тно. Кстати, любопытный факт - в самом начале той же вставки, содержащей гены для фиксации молекулярного азота, у Heliobacterium modesticaldum находится ген TetR, регулирующий ответ клетки на её атаку с помощью одного из самых сильных антибиотиков - тетрациклина. Этот факт позволяет предположить, что вся геномная вставка, содержащая оперон генов нитрогеназы, могла быть частью генома невирулентного (умеренного) бактериофага. Данный тип фагов, типичным представителем которого является, например, лямда фаг, отличается тем, что проникнув в клетку, они не стремятся тут же начать самореплицироваться с бешеной скоростью, быстро высасывая из жертвы все ресурсы, и, в конечном счёте, убивая её, а как правило просто встраивают свой генетический материал в её геном, после чего надолго "засыпают", ничем себя не проявляя. Такая стратегия часто оказывается более эффективной, чем грубая прямая атака, так как в течении многих поколений клетка в очередном цикле деления сама реплицирует геном фага, увеличивая, тем самым, число его копий. Но в случае, когда клетке - носителю фага начинает грозить серьёзная опасность, и вероятность её быстрой гибели резко увеличивается, фаг "просыпается" и переходит в свою активную фазу, начиная использовать генетический аппарат хозяина для штамповки своих собственных копий. Действительно, если клетке суждено скоро погибнуть, стратегия "спасайся кто может" для фага гораздо более выгодна, чем продолжение выжидательной тактики. Одним из возможных сигналов, запускающих процесс активации фага, как раз и является факт проникновения в цитоплазму клетки тетрациклина, что в большинстве случаев заканчивается гибелью клетки через небольшой промежуток времени. Как читатели, возможно, помнят из статьи про хлорофилльный фотосинтез, цианофаги часто таскают с собой некоторые гены, которые помогают им увеличить доступ необходимых им для быстрого размножения энергии и вещества. По-видимому, это же свойство присуще и умеренным фагам. Действительно, давайте представим, что бактерия со "спящим" геномом умеренного бактериофага подверглась атаке с помощью тетрациклина. Наиболее вероятным последствием такой атаки является гибель клетки вместе с вмурованным в её геном кодом бактериофага, так что, если последний не хочет умирать вместе с ней, ему нужно срочно "катапультироваться" из генома хозяина и предпринимать какие-то активные действия. Во-первых, нужно постараться хотя бы замедлить действие тетрациклина, подавляющего рибосомный синтез белков. Для этой цели служит уже упомянутый выше ген TetR. Когда тетрациклина в цитоплазме клетки нет, данный ген обладает минимальной активностью, так как экспрессируемый им белок обладает свойством подавлять собственный синтез, связываясь специфическим образом с регуляторной областью "своего" гена TetR. Кроме того, аналогичным образом он блокирует и активность "подчинённого" ему гена TetA, экспрессирующего протеин, выводящий тетрациклин из клетки во внешнюю среду. Но как только в цитоплазме появляется тетрациклин, протеин, производимый геном TetR перестаёт блокировать собственный синтез, так как он гораздо более эффективно связывает с тетрациклином, чем с участком ДНК, регулирующим его собственное производство. Практически весь произведённый геном TetR белковый материал "перехватывается" тетрациклином, отрицательная обратная связь нарушается, и в результате начинает быстро расти активность не только гена TetR, но и выводящего тетрациклин из клетки TetA. Даже если в итоге клетке и не удастся выжить, таким образом можно хотя бы на время отодвинуть время её лизиса (то есть, гибели), что, собственно, и нужно умеренному фагу, чей лозунг в данной ситуации можно сформулировать короткой фразой "Время - деньги". Отодвинув на некоторое время смерть "хозяина" умеренному фагу в соответствии с указанным лозунгом нужно срочно наладить на широкую ногу производство собственных копий, и здесь то как раз и могут пригодиться гены нитрогеназы. В условиях, когда одним из ограничителей возможности ускоренного синтеза ДНК и белков, из которых состоит тело вируса, может оказаться недостаток в цитоплазме азота, наличие "фабрики" по его производству в пригодной для использования клеткой форме, может оказаться очень хорошим подспорьем для бактериофага. Но в природе вообще, а в живой природе особенно, нет ничего абсолютно детерминированного, все возможные сценарии носят лишь вероятностный характер. Таким образом, по разным причинам (например, из-за неудачной для фага мутации в его геноме) встроенный в ДНК бактерии геном вируса может и не проснуться никогда. В том случае, когда его генетический материал не представляет для бактерии-хозяина никакой практической ценности, он, по идее, должен постепенно полностью разрушиться под непрекращающимся давлением мутаций, и в конце-концов практически полностью исчезнуть из генома клетки-хозяина за счёт естественного отбора. Но геном невирулентного фага вполне может содержать и информацию, которая может оказаться весьма полезной для его бывшего хозяина. Например, гены резистентности к антибиотикам, или тот же оперон, кодирующий нитрогеназу. "Одомашнив" эти гены бактерия вполне может использовать их себе на пользу подобно тому, как завоёванные народы нередко ассимилируют своих завоевателей, попутно заимствуя у них некоторые полезные изобретения.

Итак, подведём краткий итог. По результатам нашего расследования можно сделать вывод, что два важнейших для современной биоты и достаточно сложных молекулярных процесса - хлорофилльный фотосинтез и фиксация молекулярного азота судя по всему "выросли" из одного и того же источника - древнейшего комплекса генов, служащих для синтеза простейших органических молекул из неорганических и добычи энергии на основе реакции синтеза метана из водорода и угарного газа. Вполне возможно, что именно на базе этой реакции и появились вначале бактерии-метаногены, а потом и надцарство архей.