Путешествие Колдуна II. Экспедиция, которая раскрыла секреты микробиома океана - J. Craig Venter
Понять и обнаружить больше из тех 98 с лишним процентов бактерий, которые никогда не культивировались, было целью ученых, находившихся на борту Sorcerer II во время его различных путешествий с 2003 по 2018 год. Эта цель стала возможной благодаря заморской идее Крейга использовать генетическое секвенирование в глобальном масштабе, чтобы выйти на большой уровень в исследовании мира очень маленьких. По пути они собирали микробы в таких отдаленных местах, как Галапагосские острова, Панамский канал, Тасмания, Национальный парк Глейшер-Бей, Балтийское море и море Кортеса, а также за пределами корабля - в заболоченных прудах, Антарктиде, глубоких шахтах, Амазонке, вулканических жерлах и атмосфере над Нью-Йорком.
Экспедиции продолжались до 2018 года, и общий улов обнаруженных генов превысил сто миллионов. (Сравните с человеком, у которого около двадцати тысяч генов). Крейг и его коллеги собрали миллиарды пар оснований - пар аденина (А) с тимином (Т) и цитозина (С) с гуанином (G), которые скреплены между собой, как перекладины на лестнице, из которых состоят нити двойной спирали ДНК, в публичных базах данных, таких как GenBank, поддерживаемый Национальным центром биотехнологической информации, и CAMERA, финансируемая Фондом Гордона Мура.
Однако просто собрать х количество образцов, микробов, генов и пар оснований не было целью. Глобальные эксперименты по сбору образцов были частью путешествия, которое Крейг начал в 1995 году, когда секвенировал первый клеточный геном Haemophilus influ-enzae. Именно тогда он начал использовать бактерии в качестве экспериментального организма для совершенствования секвенирования с помощью дробовика и других технологий и процессов, а также значительно ускорил прогресс в определении и понимании структуры и функций геномов и отдельных генов у разных видов, включая человека. Это, в свою очередь, привело к его основополагающим экспериментам по созданию синтетических организмов в лаборатории в попытке понять функции бактерий и то, что представляет собой жизнь на уровне ДНК.
В этот серый полдень в заливе Мэн в 2018 году пятнадцатилетняя экспедиция Sorcerer II подходит к концу, и Крейг снова смотрит на бескрайнее море, бурлящее и вздымающееся вокруг него. "Мне приходится заставлять себя представлять, что в каждом миллилитре моря есть миллион бактерий и десять миллионов вирусов", - говорит он. "Я все еще вижу его как удивительную, прекрасную вещь, но на самом деле это огромный живой суп, который мы все еще исследуем, пытаясь узнать великие секреты, которые он хранит о жизни на Земле".
Часть 1. В поисках микробов
Глава 1. Сюрприз Саргассова моря
Внезапный, дерзкий и неожиданный вопрос не раз заставал человека врасплох и выводил его на чистую воду.
-Фрэнсис Бэкон
13 мая 2003 года судно Sorcerer II элегантно скользило по сине-серым водам Саргассова моря в двадцати шести милях к юго-востоку от Бермудских островов. Небо было ясным, а море спокойным в тот день, который все на борту помнят как жаркий и душный. В задней части судна сидел двадцатидевятилетний Джефф Хоффман - высокий, широкоплечий микробиолог с выбеленными солнцем волосами и чемпион по плаванию из Луизианы готовился взять первые в истории пробы океанских микробов с кормы "Колдуна II". Вместе с небольшой командой ученых он устанавливал насос и приборы, которые должны были быть опущены в море в точке с координатами 32°10¢N 64°30¢W или очень близко к ней. Это было место расположения гидростанции "S", глубоководного причала, где ученые регулярно брали океанографические пробы с 1954 года. Каждые две недели с исследовательских судов спускались комплекты погружных бутылок для забора воды на разных уровнях под поверхностью. Приборы также собирали данные о температуре, солености и уровне растворенного кислорода.
Гидростанция "S" расположена у западного края огромного моря, которое простирается от Бермудских островов на западе до побережья Африки и занимает примерно половину Атлантического океана. Омываемое сильными и устойчивыми течениями, которые окружают его со всех сторон, словно жидкие стены водной крепости - Гольфстрим на западе, Северо-Атлантическое течение на севере, Канарское течение на востоке и Северное экваториальное течение на юге, - Саргассово море иногда называют "океанской пустыней", поскольку эти течения блокируют поступление питательных веществ, которые поддерживают скудную макрожизнь в других частях Атлантики. Саргассово море также примечательно и получило свое название из-за обилия морских водорослей рода Sargassum, плавающих на его поверхности. Это кажущийся бесконечным, насыщенный, пестрый мат, похожий на кучи темной зелено-коричневой кашицы.
В 2003 году, когда "Колдун II" отправился в тот жаркий летний день, большинство ученых все еще полагали, что низкая концентрация питательных веществ в Саргассовом море означает, что микробов тоже будет мало. До этой экспедиции океанские микробиологи идентифицировали лишь немногие из обитающих там крошечных организмов. Но действительно ли Саргассо является зоной жизни для столь малого количества микробов, или ученые упустили некоторые или большинство обитающих там видов?
Чтобы ответить на этот вопрос, ученые с борта Sorcerer II отправят беспрецедентное количество микробов в лабораторию в Мэриленде для генетического секвенирования с помощью дробового геномного секвенирования - относительно нового процесса, который Крейг впервые использовал в 1990-х годах, в том числе в Celera, компании, которую он стал одним из основателей в 1998 году. При секвенировании методом "дробовика" ДНК извлекается из организма (или из десятка, сотни или тысячи организмов) и буквально распадается на короткие случайные фрагменты. Затем машины для секвенирования ДНК захватывают каждый фрагмент длиной около пятисот пар оснований и записывают его генетический код в виде оснований A, G, C и T, которые являются четырьмя составными частями ДНК. Наконец, компьютеры находят совпадения в этих фрагментах - участки ДНК, которые совпадают не менее чем на шестнадцать пар оснований, - и собирают их в цифровом виде в гены и геномы, которые затем сравниваются с известными последовательностями ДНК.
До этого генетики использовали более трудоемкий и дорогостоящий процесс кропотливой нарезки длинных участков ДНК на более короткие для последовательного анализа. В 1990-х годах Крейг впервые применил секвенирование методом "дробовика" для расшифровки бактериальных геномов, начиная с Haemophilus influenzae, и с тех пор этот процесс анализа случайных фрагментов стал повсеместно применяться для секвенирования одновидовых организмов, от бактерий до людей, мышей, обезьян и других. Однако никто еще не пробовал использовать этот метод на образцах, содержащих множество различных видов микроорганизмов, возможно, тысячи и более. Идея заключалась в том, что в течение следующих пятнадцати лет экспедиции Sorcerer II, используя секвенирование дробовика, обнаружат миллионы новых генов, во много раз больше, чем двадцать тысяч или около того в среднем человеческом геноме.
Окинув быстрым взглядом ровное синее море, простиравшееся во все стороны в тот жаркий полдень на Сар-гассовом море, Хоффман вытер со лба капельки пота
