Неизвестные соседи. Как много вокруг вас неизвестных науке видов?
Когда мы говорим «неизвестный науке вид», обычно представляется что-то экзотическое: гигантская глубоководная рыба или насекомое из тропического леса. Но в микробиологии неизвестные виды - явление вполне обыденное. Значительная часть микроорганизмов вокруг нас, обитающих в почве, в море и других привычных местообитаниях до сих пор не описана, не выращена в лаборатории и даже не имеет названия.
Поиск новых видов в классической микробиологии происходил следующим образом: выделить из среды организм, вырастить чистую культуру (то есть отделить один вид микроорганизмов от остальных) и изучить ее специфичные свойства. Проблема в том, что большинство микроорганизмов не получится просто так вырастить в лаборатории. Для жизни им нужны специфическая температура, давление, химический состав среды, а иногда и другие организмы. Воссоздать все эти условия в искусственной среде - зачастую задача очень сложная, а порой и вовсе невыполнимая.
В результате долгие годы ученые изучали лишь небольшую долю тех, кто умеет расти на «удобных» средах. Это называется "сдвигом культивируемости", а именно смещением изучения в сторону культивируемых организмов. Как это работает на практике? Представьте, что в кусочке земли, которую вы держите в руках, около 100 видов бактерий и только 1-5 видов получится вырастить в лаборатории и изучить.
Однако технологии развиваются, и сегодня есть подходы, позволяющие преодолеть этот барьер. В каждом организме есть ДНК, которая по сути является кодом всего, что есть в клетке и код этот уникален. Поэтому настоящий перелом в поиске новых видов произошёл, когда ученые перестали пытаться увидеть сам микроорганизм, а начали изучать его ДНК напрямую. Сегодня такой подход к изучению организмов в среде называется метагеномикой.
Суть метагеномного подхода проста:
Берётся образец среды — почва, вода, содержимое организма, воздух.
Извлекается вся ДНК сразу.
Определяется её последовательность (это называется секвенированием) и с использованием специальных программ собираются генетические фрагменты, а иногда и целые геномы.
С использованием баз данных определяется, какие организмы содержатся в образце. Если такого же организма в базе нет, то определяется его ближайший родственник.
Метагеномный подход на примере исследования почв
Сегодня с помощью такого подхода обнаружено огромное количество групп микроорганизмов, которые раньше просто не попадали в поле зрения науки. Чтобы понять масштаб космоса "микроорганизмов", достаточно посмотреть на интерактивную карту проекта Lifemap. "Unclassified bacteria" на этой карте это буквально "какие-то бактерии". Что это значит? Мы изучили ДНК этих бактерий, но мы понятия не имеем что это такое, однако можем определить далеких родственников. Есть неклассифицированные бактерии и в уже известных таксонах, то есть мы можем определить их род, а значит примерно предположить их свойства, но полные характеристики остаются неизвестными. Карта интерактивная, поэтому очень рекомендую потыкать.
Кто в кишечнике живет
Неизвестного осталось достаточно много и в непосредственной близости от нас. А если быть точнее - прямо внутри нас. В желудочно-кишечном тракте человека обитает чрезвычайно сложное и динамичное микробное сообщество, включающее археи, бактерии, вирусы и эукариоты. Современные данные показывают, что состав кишечного микробиома очень серьезно влияет на наш иммунитет, метаболические процессы, настроение и многое другое. Но есть проблема - традиционные методы культивирования позволяют вырастить в лабораторных условиях лишь 10-30% кишечной микробиоты. Процент уже получше, чем в почве, но все еще невысок.
Поэтому, когда появилась возможность определять состав микробиоты по ДНК, такие проекты быстро приобрели большую популярность в научном сообществе. В начале развитие геномных технологий для определения видового разнообразия микробиома секвенировали лишь часть генома, а если точнее ген 16S рРНК, который есть практически у всех бактерий. Этот ген выполняет важную функцию в клетке и поэтому сохраняется в процессе эволюции, но при этом содержит небольшие вариации, позволяющие отличать одни рода бактерий от других, а иногда и виды.
Как это работает на практике? Из образца (например, кишечного содержимого или почвы) выделяют ДНК и многократно «копируют» только участок 16S методом ПЦР. Затем его секвенируют (определяют последовательность) и сравнивают с базами данных. В результате получают список бактерий, которые присутствуют в образце, и их относительное количество. Однако у метода прочтения 16S есть и ограничения и самое большое - это точность. Мы можем определить бактерию до рода, а иногда и до вида, например, сказать, что в образце точно есть кишечная палочка (Escherichia coli). Но и внутри одного вида могут существовать и очень разные по свойствам бактерии - штаммы.
Так, например, кишечные палочки разнообразных безобидных штаммов живут в нашем кишечнике совершенно мирно, и даже помогают, синтезируя витамины и борясь с патогенами. А вот штамм O157:H7 той же кишечной палочки может вызывать очень серьезные проблемы, включая диарею с кровью и прочими пугающими последствиями. А разница между ними в нескольких генах, в том числе в гене, кодирующем токсин, вызывающий повреждение клеток кишечника. Поэтому определить только вид порой ой как недостаточно.
К счастью, технологии активно развиваются и современная геномные методы позволяют работать не с последовательностью одного гена, а с целыми геномами, то есть совокупностью всех генов. И вот по такой информации уже возможно определить не только вид, но и штамм, а значит узнать больше подробностей о специфических особенностях конкретной бактерии. Если у той самой страшной e.coli O157:H7 есть ген, кодирующий шига-токсин, то у штамма HS, являющегося нормальным жителем здорового кишечника, таких генов нет и он мирно сосуществует с человеком.
В последние годы крупные международные проекты, такие как MetaHIT и Human Microbiome Project активно поучаствовали в создании референсных каталогов генов микробиома человека. Так, покопавшись внимательно в кишечном содержимом 124 европейцев в рамках проекта MetaHIT ученые показали, что микробиом кишечника человека содержит около 3,3 миллиона уникальных генов. Это очень и очень много. На секундочку это в 150 раз превышает количество генов самого человека. Но, конечно, у людей из разных стран, рас, возраста состав микробиома, а значит и генетическая составляющая, может значительно различаться. Поэтому, по мере накопления данных и улучшения методов, а также расширения числа исследуемых, количество обнаруженных генов выросло еще более чем в 3 раза. Последние актуальные цифры по изучению желудочно-кишечного тракта человека из проекта Unified Human Gastrointestinal Genome говорят нам о 4,744 видов. Все еще чувствуете себя одиноко?
Какие же данные можно извлечь из всего этого?
Во-первых, стало понятно, что состав микробиома не является фиксированным и может изменяться под воздействием множества факторов. Исследования показали, что на него влияют диета, возраст, географическое положение, приём лекарств, факторы окружающей среды и многое другое. В общем, сложно назвать фактор из нашей жизнедеятельности, который бы никак не отразился на микробиоме. Например, различия в долгосрочных пищевых привычках приводят к заметным изменениям в составе микробиома у людей из разных регионов. При этом краткосрочные изменения рациона могут влиять на относительное содержание отдельных видов, но не обязательно изменяют состав кардинально.
Почему это важно? Содержание различных микроорганизмов напрямую влияет на наше здоровье, и это связано с тем, что у каждого вида есть свой набор генов и, соответственно, свои метаболические «возможности». Одни бактерии специализируются на расщеплении сложных углеводов и пищевых волокон, превращая их в короткоцепочечные жирные кислоты (ацетат, пропионат и бутират). Эти вещества служат источником энергии для клеток кишечника и участвуют в регуляции иммунитета. Другие микроорганизмы могут активно ферментировать сахара с образованием газов, что может доставлять сильный дискомфорт.
Важно и то, что продукты жизнедеятельности бактерий могут воздействовать не только на кишечник, но и на весь организм. Через так называемую «ось кишечник–мозг» они способны влиять на работу нервной системы, в том числе на настроение и поведение. Поэтому состав микробиома — это не просто набор случайных микроорганизмов, а сложная экосистема, баланс которой отражается на самочувствии человека. Сегодня активно изучается взаимосвязь многих болезней, в том числе ментальных, с составом микробиома. Поэтому такие исследования - важный шаг на пути человечества к долголетию.
От науки к практике
Какую же еще пользу мы можем извлечь из расшифровки генов "неизвестных" бактерий?
А за это отвечает еще одно направление науки, получившее красивое название функциональная метагеномика. Для привлечения микроорганизмов к решению практически важных задач нам совершенно нет необходимости их выделять и культивировать. Зачастую, нас гораздо больше интересуют именно их гены. Современные методы биотехнологии позволяют зная только последовательность гена какого-то микроорганизма, синтезировать его искусственно или выделить из массива ДНК и поместить в другой организм, чтобы он там работал. Например - производил фермент, которые можно использовать для промышленных целей. Так, к примеру, получили множество термостабильных белков, которые используются в промышленности.
Сегодня во многих стиральных порошках используются термостабильные протеазы - это такие ферменты, которые позволяют расщеплять белки, а значит и самые въедливые пятна. Термостабильные белки часто обнаруживаются у термофильных организмов, например, бактерий из горячих источников. Но чтобы получить такой белок из исходного организма нужно подбирать сложные условия его культивирования. Биотехнологический же подход позволяет перенести ген, кодирующий такую термостабильную протеазу, в более удобный для работы организм. Например, в ту же кишечную палочку, которая является излюбленным объектом биотехнологов, и уже в ней получить достаточное количество нужного белка.
Вот так космос микроорганизмов с каждым годом становится всё более изученным, и подобные исследования уже сегодня служат нам, помогая создавать лекарства, ферменты и новые технологии. Но при этом по-прежнему огромная часть этого мира остаётся неизвестной. Возможно, самые важные открытия, которые изменят медицину, биотехнологию и наше понимание жизни, уже совсем близко. А может, прямо у нас под ногами.
