Путешествие Колдуна II. Экспедиция, которая раскрыла секреты микробиома океана - J. Craig Venter
ОДИН из способов представить себе микробные экосистемы на Земле и их влияние на человека - это вообразить нечто сродни русской матрешке. Это матрешка внутри матрешки, а внешний слой - это экосистема, которую мы видим из космоса, сферическая, окрашенная в синий, зеленый и белый цвета. Эта огромная экосистема, поддерживающая жизнь, какой мы ее знаем, содержит все остальные экосистемы внутри экосистем, вплоть до микроэкосистем в море, в глубинах Земли, на пестике розы или внутри вас.
Микробная экосистема человека - всего лишь одна из почти бесконечного числа субматрешек на Земле. Но поскольку человеческий микробиом довольно важен для большинства организмов, читающих эту книгу, мы будем использовать его в качестве примера. В книге о микробиоме моря и Земли мы уделим немного времени описанию того, как проект Sorcerer II и экологическая микробиология за последние двадцать лет способствовали нашему пониманию триллионов крошечных организмов - эукариот, архей, бактерий, вирусов и грибков, - которые живут внутри и на теле Homo sapiens.
По последним оценкам, средняя популяция микроорганизмов внутри нас составляет около тридцати девяти триллионов. Количество бактериальных клеток примерно равно количеству гораздо более крупных человеческих клеток. Микробы несут в себе в пятьсот - тысячу раз больше генов, чем человеческие клетки, но на их долю приходится менее одного фунта от общего веса среднего человека.
Микробы поддерживают жизнедеятельность нашего организма, выполняя свои обычные задачи: выделяют химические вещества, разрушают отмирающие клетки, перерабатывают основные химические вещества, такие как углерод, азот и кислород, и многое другое. Сотни миллионов микробов в кишечнике помогают нам переваривать и перерабатывать пищу. При правильном балансе они защищают нас от болезней и выполняют множество функций, которые поддерживают наше здоровье. Микробы, доставшиеся нам от матери, частично приобретенные из потребляемой пищи и из других внешних экосистем, влияют на наше развитие еще до рождения. Они расщепляют нашу пищу, извлекая из нее питательные вещества, необходимые нам для выживания. Они учат нашу иммунную систему распознавать опасных захватчиков и вырабатывают противовоспалительные соединения, которые борются с микробами, вызывающими заболевания.
Все больше исследований показывают, что изменения в составе наших микробиомов коррелируют с многочисленными заболеваниями, что дает возможность использовать манипуляции с этими сообществами для лечения болезней, над чем работают несколько фармацевтических и биотехнологических компаний, разрабатывая новые лекарства и другие методы лечения.
Частью этих исследований является изучение того, что происходит, когда мы балуемся диетами с высоким содержанием сахара и жиров, плохо спим или пьем слишком много джин-тоника. Все это может привести к размножению "плохих" бактерий в нашем кишечнике за счет "хороших", что делает нас больными и даже влияет на наше настроение. Например, в исследовании 2018 года, опубликованном в European Journal of Nutrition, изучался тонкий баланс между потреблением углеводов и уровнем бактерий в кишечнике, которые расщепляют углеводы до метаболитов. Исследователи обнаружили, что когда человек слишком сильно сокращает потребление углеводов, бактерии, которые их потребляют, переходят на другие источники пищи в кишечнике. Это заставляет бактерии, любящие углеводы, выделять менее полезные метаболиты. Еще одно исследование, опубликованное в журнале Nature Microbiology в 2019 году, показало, что распространенность определенных микробов в кишечнике коррелирует с депрессией.
Однако до недавнего времени выявление и изучение больших систем микробов, хороших и плохих, в организме человека было ограничено досадным упрямством большинства бактерий, которые не поддавались культивированию в лаборатории. Именно здесь экосистема микробиома человека входит в нашу историю, историю о том, как методы, разработанные для секвенирования микробов в окружающей среде в конце 1990-х и начале 2000-х годов, были использованы позже для лучшего понимания микробиома человека.
"Я думаю, что изучение микробиомов окружающей среды заложило основу для работы над человеком", - говорит микробиолог Карен Нельсон, бывший президент JCVI и один из первых сторонников использования метагеномики для изучения микробиома человека. "Первая серия исследований, в которых использовалась метагеномика, определенно проводилась с образцами окружающей среды, водой и почвой, отчасти потому, что так было проще проникнуть внутрь и посмотреть, что там находится. Затем мы использовали те же методы на людях".
Истоки работы Нельсона с человеческими микроорганизмами восходят к последним двум годам работы Крейга в Celera, с 2000 по 2002 год. "Вы должны понимать, что у Крейга в Celera и TIGR была, возможно, самая высокопроизводительная операция по секвенированию на планете", - говорит Нельсон. "И пока все были сосредоточены на секвенировании человеческой ДНК, мы и другие начали задавать вопросы о других животных, таких как куры и коровы, а также о том, что происходит в их желудочно-кишечном тракте с точки зрения микробов, задаваясь вопросом, что мы найдем, если попробуем секвенировать дробовик". В то время большинство генетических работ в микробиологии, человеческой или иной, были связаны с 16S рРНК. "Моя лаборатория была занята фундаментальными исследованиями 16S рРНК в образцах бактерий из полости рта людей вместе с мик-робиологом Дэвидом Релманом из Стэнфорда", - говорит Нельсон. "А до этого мы получили финансирование на изучение бактерий, в том числе гингивита, в полости рта".
По словам Нельсона, идея использовать секвенирование дробовика в кишечнике человека впервые возникла в рамках проекта, который Крейг и Хэм Смит подумал, что они могли бы продолжить работу в Celera. "Они хотели составить последовательность микробов в человеческих какашках", - говорит Нельсон, и назвали проект "HuPoo". Однако материнская компания Celera решила, что ее коммерческий бизнес - не место для фундаментальных исследований. Поэтому Крейг перевел проект в TIGR. Однажды я пришел к Крейгу и спросил: "Могу ли я взять это на себя?" Я хотел провести полногеномное дробное секвенирование микробиома кишечника, которое он проводил в океанах. Он согласился, и мы так и поступили".
В 2006 году Нельсон возглавил группу, опубликовавшую в журнале Science первую крупную работу, в которой использовалась метагеномика для анализа эн-тиретичности микробов, обнаруженных в фекалиях человека, - отличного источника сырья (так сказать) для изучения микробиома кишечника. "В этой работе мы быстро смогли сделать для человека леверидж того, что происходит в мире окружающей среды, - говорит Нельсон. Для начала они опробовали свою идею на фекалиях всего двух человек - N=2, что сегодня не прокатило бы, поскольку для того,
