ий 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 масштабе - и следует ли динамика микробных сообществ фундаментальным экологическим "законам" в планетарном масштабе, - требуется либо масштабное монолитное исследование всех сред, либо практическая методология координации многих независимых исследований", - пишут Найт и Гилберт. Они также отметили, что, даже когда образцы и исследования накапливаются, вопрос о том, что все это значит, остается нерешенным. Ученые просто переполнены данными - любопытное дополнение к скудости данных, которая преобладала до 2003 года.
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".