Модель бактериофага Т2 — паразита-бактерии Escherichia coli. Граненая головка соединена с хвостовым придатком, имеющим внутренний канал и выросты для прикрепления к бактерии. На модели хвостовой придаток сжался и из него выдвинулась трубка с каналом, по которому ДНК проникает в бактерию.

Бактериофаг Т2 не имеет, по существу, двигательных органов и в жидкой среде перемещается пассивно, в результате столкновения с молекулами среды. Таким образом, он приходит в соприкосновение и с бактерией. Фаг «пристает» к ее поверхности при помощи щупалец. В конце хвостового придатка содержится фермент, поражающий оболочку бактерии и «проедающий» в ней небольшое отверстие. После этой операции придаток втягивается (укорачиваясь подобно гармонике) в тело фага.

ДНК из головки бактериофага через канал в хвостовом придатке и через образованное отверстие в стенке бактерии проникает в клетку. Все это несколько напоминает процедуру инъекции при помощи шприца. Белковая оболочка головки и придатка остаются снаружи, а в клетку бактерии входит только ДНК. И начинается драматическая фаза — «саморазмножение» ДНК фага. Макромолекула ДНК «принуждает» бактерию участвовать в процессе своего размножения, используя ее «сырье» и весь ферментный аппарат.

Как мы уже знаем, молекула ДНК образует подобие двойной спирали, состоящей из двух свернутых цепочек. При ее размножении эти цепочки, развертываясь, освобождаются друг от друга и к каждой из них присоединяются из среды основные структурные единицы (нуклеотиды), дополняя недостающую половину молекулы. Из первичной макромолекулы ДНК возникают две дочерние, а со временем их раскрученные цепочки дополняются новыми нуклеотидами. В результате появляются уже 4 макромолекулы, и вскоре число их возрастает до 8, 16 и т. д. По прошествии получаса из одной первичной молекулы ДНК фага в клетке находятся уже 150–300 ее потомков, принуждающих бактерию синтезировать белок для головки и хвостового придатка бактериофага. Клетка лопается, как воздушный шарик, выпуская в среду 150–300 бактериофагов, и те стремительно нападают на следующие бактерии. Процесс повторяется, и еще через полчаса в среде уже десятки тысяч фагов. Спустя некоторое время там не остается ни одной живой бактерии, кишат лишь победившие бактериофаги.

Весь этот процесс уничтожения бактерий и размножения фагов можно наблюдать под электронным микроскопом (фото 50). Впрочем, результаты такого уничтожения можно увидеть и невооруженным глазом. С этой целью в чашку Петри с агаризованной питательной средой наносят несколько капель культуральной жидкости, содержащей бактерии. Внесем туда же несколько капелек из другой жидкой среды, в которой находятся бактериофаги. Перемешаем их и равномерно нанесем несколько капель этой смеси на поверхность агара. Затем чашку Петри поместим в термостат при температуре 37 °C. Через 24 часа мы обнаружим следующую картину.

Несколько сотен бактериофагов, помещенных на поверхность агара, уже вошли в контакт с клетками бактерий и сделали свое дело. Там же находятся и клетки, избежавшие нападения фагов и продолжающие нормально размножаться. На поверхности питательной среды образуется видимый невооруженным глазом налет, местами прерванный округлыми пятнами правильной формы, на которых бактерии отсутствуют. Эти пятна — свидетельство уничтожающей деятельности бактериофагов (фото 51).

При наблюдении в электронном микроскопе соприкосновения бактериофага с бактерией трудно установить, какая часть фага проникает в клетку и что остается снаружи (если остается!). Читатель может справедливо заметить, что рассказ о проникновении ДНК фага в бактериальную клетку и о том, что внешние его оболочки остаются вне этой клетки, является плодом фантазии. Каким же образом доказать то, о чем даже электронный микроскоп не может дать достаточно четкой информации?

В иерархии субмикрокосмоса существуют, однако, еще более мелкие единицы — атомы радиоактивных изотопов (их вирусологи и призывают в подобных случаях на помощь). Молекулы соединений, содержащие такие изотопы, легко отличить от других молекул. Они выделяются своей радиоактивностью, которая измеряется точными и чувствительными приборами.

В 1952 году два исследователя, А. Херши и М. Чейз, одновременно призвали на помощь радиоактивные изотопы: фосфор ³²Р и серу ³⁵S. Почему именно эти, а не другие? Да потому, что фосфор встречается только в ДНК бактериофагов, а сера может входить только в состав их белков.

Культуру бактерий выращивали на питательной среде, содержавшей в качестве источника биогенного фосфора исключительно ³²Р. Практически бактерии не могут отличить радиоактивный фосфор от обычного и потребляют среду с ³²Р. Таким путем атомы с ³²Р попадают в бактериальные клетки, которые затем могут стать добычей бактериофагов. И ³²Р уже входит в состав ДНК бактериофагов. Подобный опыт повторили в другой пробирке, с радиоактивными соединениями серы ³⁵S, и получили бактериофаги, имеющие в своем белке ³⁵S.

Этими фагами и инфицировали потом бактерии, выращенные в среде, не содержащей радиоактивных соединений. Сначала использовались бактериофаги с радиоактивной серой. Процесс инфицирования был завершен в течение нескольких минут, после чего центрифугированием отделили зараженные бактерии от остатков бактериофага и определили их радиоактивность. У бактерий не было и признаков радиоактивности, тогда как «опустошенные» фаги (головки и хвостовые придатки) проявляли повышенную радиоактивность. Значит, в бактерии проникла из фага только ДНК (не содержащая серы!), в то время как белок, в состав которого входила ³⁵S, остался вне клеток.

Потом последовал опыт с фагами, содержащими в своей ДНК радиоактивный фосфор (белки фагов фосфора не содержат!). Через несколько минут после заражения бактерий остатки фагов и зараженные бактерии были тем же способом разделены и исследованы на радиоактивность. На этот раз она была обнаружена в клетках бактерий! Таким образом, было достоверно доказано, что при поражении бактерий фагами внутрь бактериальных клеток проникает ДНК фага (содержащая фосфор), а снаружи остается его белковая оболочка (содержащая серу).

Из рассказа о бактериофагах, принуждающих клетки бактерий к синтезу ДНК и белкового компонента фагов, мы узнали, что один-единственный фаг может вызвать среди бактерий настоящую эпидемию и за короткий срок уничтожить в жидкой питательной среде миллиарды их клеток.

Но при некоторых обстоятельствах появление бактериофага у микробной клетки не обязательно заканчивается ее гибелью. ДНК из фага проникает в клетку, однако, клетка продолжает жить, как будто бы ничего не произошло. Это напоминает проникновение в команду корабля замаскированных пиратов, которые под видом дружески настроенных матросов тайно подготавливают диверсию, выжидая лишь подходящего момента… Пораженная бактерия продолжает внешне беспрепятственно расти и время от времени в соответствующих условиях делиться на две новые клетки…

Но что-то изменилось в ее свойствах — бактерия приобрела устойчивость к фагам определенного типа. И это является единственным свидетельством того, что в ее клетке находится фаговая ДНК. Специалисты говорят в таких случаях о неинфекционных, или симбиотических, фагах и лизогенных[24] бактериях. «Лизогенных» — потому что в какой-то момент по якобы совершенно непонятной причине 2–3 клетки из миллиарда вдруг расплачиваются за свое гостеприимство и погибают. А из погибших клеток вырываются в среду сотни бактериофагов. Достаточно перенести одну капельку этой среды в другую культуру восприимчивых бактерий, чтобы разразилась катастрофа и почти вся культура в короткий срок погибла.