"Метагеномика способна пролить свет на генетический контроль этих процессов, изучая ключевых игроков, их роли и состав сообществ, который может меняться в зависимости от времени, климата, питательных веществ, углекислого газа и антропогенных факторов", - говорится в статье. "Можно представить себе будущее, в котором метаданные со спутников и метеостанций, а также другие физико-химические данные будут использоваться для интерпретации и информирования ученых о том, как эти факторы влияют на микробные процессы и состав сообществ".
Технология CAMERA была построена с использованием новой вычислительной технологии, разработанной в Calit2 и нескольких других университетах и институтах, под названием "OptiPuter". В то время в рамках этого проекта создавался прототип глобальной версии сквозной киберинфраструктуры, способной генерировать "кластер визуализации высокого разрешения" из изображений и данных, полученных в лаборатории исследователя, и передавать их по выделенному оптическому волокну со скоростью 1 или 10 гигабит в секунду на удаленные серверы данных и компьютеров в любом месте. В начале 2000-х годов это была новая и радикальная концепция.
Руководителем проекта CAMERA был основатель и первый директор центра UCSD Ларри Смарр.2 Будучи астрофизиком, который помог разработать технологию OptiPuter, Смарр несколькими годами ранее переключился с физики на компьютеры и помог создать сеть суперкомпьютеров в 1980-х годах, которая стала ранней предшественницей Интернета.
Смарр начал сотрудничать с CAMERA в 2005 году, когда ему неожиданно позвонили. "Я шел по кампусу Калифорнийского университета в Сан-Диего, когда мне позвонил Крейг", - вспоминал он позже. "Я не был с ним знаком, но он сказал мне, что нужно было где-то хранить и предоставлять подробную информацию обо всех данных, поступающих из экспедиции "Колдуна". Он решил, что Calit2 - самое подходящее место для этого. Он оказался прав".
Ларри Смарр - высокий, похожий на медведя мужчина, который с детским восторгом относится к проектам и идеям, которыми увлечен. У него нет формального образования в области микробиологии. Но он выбрал эту область благодаря Крейгу - и благодаря озарению, которое пришло к нему, когда он поставил астрофизику рядом с микробиологией. На первый взгляд, эти две дисциплины настолько далеки друг от друга, насколько можно себе представить: непостижимая грандиозность изучения Вселенной и непостижимая малость изучения микробиома. Но, по словам Смарра, когда он вник в проект CAMERA и узнал, чем занимаются Крейг и другие, он сделал следующее наблюдение: "Во Вселенной, возможно, 1012 галактик и сто миллиардов или около того звезд, то есть 1022 звезды. А потом я узнал, что на Земле, этой маленькой мухобойке посреди пустыни, в глуши Вселенной, существует 1030 бактерий. То есть бактерий в сто миллионов раз больше, чем звезд во Вселенной. И это просто умопомрачительно, верно? И тогда я понял, что конечными данными, которые изменят все в науке, будет биология микробов. Поэтому с тех пор я работаю в этой области".
Вскоре после звонка Крейга Ларри Смарр буквально вложил в дело свое нутро, начав многолетний проект по измерению и отслеживанию изменений в своем собственном микробиоме. Для этого он собирал образец кала каждый день и поручил JCVI и другим специалистам провести последовательность микробов. Он отслеживал данные и изменения, используя огромные вычислительные мощности, к которым он имеет доступ в Calit2. В какой-то момент самодиагностика Смарра выявила тревожные изменения в его микробиоме - раннее начало болезни Крона.
Болезнь, от которой он избавился, тщательно скорректировав свой рацион и образ жизни, и при этом использовал всю мощь имеющихся в его распоряжении передовых технологий для отслеживания своего прогресса. В каком-то смысле это был космический парень, обративший свой телескоп вовнутрь, чтобы не только изучить собственное созвездие триллионов бактерий, но и изменить его в свою пользу.
"В итоге у нас было более шести тысяч пользователей инфраструктуры из семидесяти с лишним стран", - говорит Смарр о проекте CAMERA. Он стал общей "водопойной ямой", доступной для всех желающих". К сожалению, в 2014 году финансирование CAMERA закончилось, и он был закрыт. "Отчасти это произошло потому, что проект был слишком успешным", - говорит Дэвид Кингсбери из Фонда Мура. "Спрос оказался больше, чем мы предполагали, - сказал он, - и мы не смогли удовлетворить его так, как этого хотели люди. У нас просто не было ресурсов для этого. Когда вы получаете грант, вы всегда беспокоитесь о том, что вы будете делать, если он провалится. А вот что мы редко делаем, так это планируем, что мы будем делать, если это действительно сработает?" К счастью, как отметил Смарр, другие создали базы данных и инструменты, подобные CAMERA: "Теперь это делают все".
Когда в 2007 году вышел сборник PLoS Biology, Крейг и Кен-Нет Нилсон написали обобщающую статью о нем в журнале ISME, в которой подчеркнули, как много еще не учтено. Глобальный обзор океана, отметили они, сосредоточен на "приповерхностной морской планктонной нише" и едва ли отражает огромную микробную жизнь во всем остальном море, не говоря уже о почве и воздухе. В него также не вошли очень мелкие животные и более крупные фитопланктон (эукариоты) и другие крупные микробы, а также многоклеточные бактерии. "Во многих случаях, - пишут они, - эти бактерии имеют четко определенные ниши... и нет никаких сомнений в том, что они играют определенную роль в морских экосистемах".
"Каждый из нас должен сесть за стол с данными и привнести в их анализ свои собственные интересы и знания", - заключили они. "Сейчас главное - воспользоваться моментом и двигаться вперед".
Именно это и произошло с 2007 года, когда микробиоло-ги и океанографы по всему миру стали использовать миллионы микробов, собранных и секвенированных учеными JCVI, что намного больше, чем те первые сорок один образец, взятый от Саргассовых до Галапагосских островов. В главе 8 мы расскажем о том, как много данных и анализов было собрано с момента начала проекта Sorcerer II в 2003 году, что привело к появлению тысяч статей и экспериментов, которые, безусловно, продвинули вперед науку об экологической микробиологии. В ней также будут высказаны некоторые мысли о том, как этот взрыв открытий помог нам лучше понять, как человек вписывается в планету, на которой доминируют микробы.
Это включает в себя растущее осознание того, что исторически и биологически мы не настолько контролируем нашу планету, как нам казалось, и что люди - всего лишь еще один организм, глубоко связанный и зависимый от планеты микробов, которым нет дела до нашего вида, кроме как в качестве одной из многих ниш, где мы можем обитать и работать с ресурсами - иногда симбиотически, а иногда нет. Это вновь обретенное смирение приходит даже тогда, когда мы узнаем о значительном влиянии человеческой деятельности на окружающую среду в глобальном масштабе. Оба осознания заставляют нас перестать притворяться, что микробиом не имеет значения.
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, шведск