Путешествие Колдуна II. Экспедиция, которая раскрыла секреты микробиома океана - J. Craig Venter
Глава 8. Микробов больше, чем звезд
Он тянется бесконечно - и, о Боже! Он весь усеян звездами!
-Артур К. Кларк, 2001 год: космическая одиссея
ПОСЛЕДНИМ осенним днем 2018 года недалеко от Ла-Джоллы, штат Калифорния, микробиолог JCVI Крис Дюпон стоял на пляже у Океанографического института Скриппса, готовясь войти в холодные воды Тихого океана. Шагая в волны, разбивающиеся о песок, он нес длинную доску для серфинга и сумку с предварительно очищенной двухлитровой бутылкой с образцом. Вскочив на доску, тридцатилетний Дюпон, компактный мужчина с легкой улыбкой, отправился на веслах в заданное место на берегу, чтобы взять пробу океанской воды, наполненной микробами. Этим он занимается на этом пляже уже много лет, сочетая, как и Крейг, два своих увлечения: серфинг и изучение океанских микробов.
Дюпон проводил один из десятков тысяч тщательно продуманных и детально проработанных экспериментов, которые исследователи проводят со времен кругосветного плавания Sorcerer II, делая открытия и выводы, которые помогли осветить научный смысл того, что мы узнаем об океанском микробиоме. "Это было небольшое исследование", - сказал Дюпон, как и десятки других, в которых он принимал участие с момента присоединения к JCVI в 2009 году и ранее в своей карьере. "Но мы надеемся, что оно хоть немного помогло более широкой работе".
Дюпон собирал морскую воду для проекта, над которым он работал вместе с Полом Карини, микробиологом из Университета Ари-зоны. Оба ученых собирали образцы из океана здесь, в Южной Калифорнии, чтобы добавить их к образцам почвы, взятым недалеко от Тусона в горах Санта-Каталина в Аризоне. Их целью было попытаться лучше понять, почему некоторые микробы в этих двух средах - почве и океане - легче культивировать в лабораторных условиях, чем другие, что включало в себя секвенирование дробовика для проверки ДНК изучаемых микробов.
"Я вышел на хороший глисс, - вспоминал Дюпон, - открыл бутылку, ополоснул ее морской водой, затем наполнил. Я укупорил ее и положил обратно в сумку". Затем он подплыл к месту, где плескались волны, и, поймав одну особенно сладкую, вернулся на пляж, где положил образец в кулер и поехал обратно в свою лабораторию. "Я отфильтровал половину для секвенирования в JCVI, а остальное отправил в лабораторию моего сотрудника в Аризоне", - говорит Дюпон.
"Они делали то же самое с образцами почвы, которые собирали, отправляя половину мне, а половину оставляя себе". В начале 2020 года команда опубликовала исследование, посвященное почвенной части проекта. "Мы все еще работаем над публикацией океанической части", - говорит Дюпон.
Работа Дюпона, как и многих других микробиологов за последние полтора десятилетия, была направлена на извлечение информации из образцов, взятых на Sorcerer II и учеными, работающими над другими большими и малыми проектами по сбору микробов, включая несколько проектов на досках для серфинга. Среди небольших работ Дюпона, часто выполненных в сотрудничестве с Крейгом и другими учеными JCVI, - опубликованная в 2011 году статья о колебаниях фитопланктона в море у побережья Сан-Диего. В другой статье, опубликованной в 2015 году, исследуется, как геномы и экспрессия генов различались в зависимости от уровня солнечного света и доступности питательных веществ на разных глубинах в восточной субтропической части Тихого океана. В 2017 году компания Du-pont опубликовала анализ разнообразия вирусов, обнаруженных в Балтийском море, - исследование, соавтором которого выступила Каролина Ининбергс, шведский микробиолог, сопровождавшая экспедицию Sorcerer II в 2009-2010 годах в Балтийском и Средиземном морях.
Отдельные работы, подобные этой, стали исчисляться сотнями в год. В настоящее время исследователи пополняют анализ того, что формирует разнообразие микробов в различных средах. Они выясняют, как конкретные микробы взаимодействуют друг с другом и с другими видами, включая человека. Они определяют функции различных генов и белков. Они отслеживают влияние изменений окружающей среды на крупные глобальные системы, такие как морская микробная экосистема, которая питает и поддерживает фитопланктон, производящий более сорока процентов кислорода в атмосфере.
Многие из этих исследований были бы невозможны, если бы с 2003 года не произошло еще одно важное научное событие - Крейг понял, что с помощью метагеномных методов можно обнаружить значительное большинство микробов, которые ранее не поддавались идентификации и классификации, и что эти микробы можно собирать и секвенировать в больших, глобальных масштабах. Такой подход помог вдохновить другие многолетние глобальные экспедиции по сбору проб.
Мыслить масштабно также побудили масштабные общественные усилия по систематическому изучению микробиома Земли. Одним из них стал консорциум Earth Microbiome Project, созданный в 2010 году под руководством микробиологов Роба Найта и Джека Гилберта из Калифорнийского университета в Сан-Диего. В 2017 году этот консорциум опубликовал в журнале Nature масштабное исследование, целью которого была стандартизация критериев классификации таксонов микробиома и решение других насущных проблем, связанных с определением характеристик микробов, а также наведение порядка в развивающейся области экологической микробиологии. В исследовании приняли участие более пятисот ученых, а 27 751 образец был получен из сорока трех стран. "Эти образцы представляют собой множество типов образцов и охватывают широкий спектр биотических и абиотических факторов, географических мест и физико-химических свойств", - пишут Найт и Гилберт в редакционной статье, опубликованной в 2018 году в журнале mSystems.
Исследование, по словам Найта и Гилберта, дало ученым возможность "проверить фундаментальные гипотезы биогеографии, в том числе выявить закономерности, которые ранее были возможны только для "макробиологической" экологии. Кроме того, экологические тенденции продемонстрировали ключевые принципы организации, согласно которым экосистемы с меньшим разнообразием сохраняют таксоны, которые встречаются в образцах с большим разнообразием". Полученные данные также позволили исследователям "изучить факторы, лежащие в основе глобальных тенденций разнообразия", и, используя информатику.
Благодаря этому они смогли "выявить местную адаптацию и, следовательно, экологическую специфику подвидов". Это стало продолжением анализа генетического и протеомного разнообразия первых сорока одного образца, взятого из Sorcerer II, о чем сообщалось в работах JCVI в специальном выпуске PLoS Biology 2007 года.
В рамках проекта "Микробиом Земли", добавляют Найт и Гилберт, не удалось изучить функции генов или пролить свет на другие молекулярные процессы, например, на то, какие белки экспрессируются этими генами и какова роль метаболитов в этих организмах. Изучение таких явлений известно как мультиомика, поскольку она объединяет несколько "омических" методов, таких как геномика, протеомика, микробиомика и метаболомика. В последние годы мультиомика стала модным направлением в молекулярной биологии, хотя одновременный учет стольких динамических процессов остается фантастически сложной задачей.
"Чтобы оценить, как микробы распределены по средам в глобальном
