columella

Далеко не вся планета это уютные +25 °C. Тем не менее микроорганизмы живут и во льдах Антарктиды, и в обжигающих термальных источниках, и каждый прекрасно приспособлен к своему «климату». Многие гипертермофильные микроорганизмы относятся к археям - уникальным одноклеточным организмам, которые как и бактерии не имеют в клетке ядра. Рекордсменами среди термофильных архей являются Pyrolobus fumarii, оптимальная температура роста которой составляет 106°C, а выживаемость возможна в пределах до 113°C , а также Methanopyrus kandleri, верхний предел роста которой, как сообщается, составляет 122°C.

Конечно, и среди бактерий есть свои чемпионы. Особенно выделяется бактерия Geothermobacterium ferrireducens, найденная в горячих источниках Йеллоустонского заповедника. Она прекрасно живет и здравствует при температурах до 100 °C.

Почему обычные микроорганизмы боятся повышенных температур?

Чтобы понять, а как термофилы вообще стали такими адаптированными, нужно понять, почему клетка в принципе боится высоких температур. Две основные части клетки, которые очень неустойчивы к высоким температурам - это клеточная мембрана и белки.

Белок - это длинная цепь из аминокислот, которая сворачивается в строго определённую трёхмерную фигуру, и именно от этой фигуры зависят функции белка. Форму держат довольно деликатные «скрепки». Это водородные связи, ионные связи, гидрофобные взаимодействия и дисульфидные мостики.

Высокая температура - это, по сути, лишняя энергия, и из-за которой молекулы начинают двигаться более активно. Слабые связи - в первую очередь водородные, гидрофобные и силы Ван-дер-Ваальса, такой тряски не выдерживают и рвутся. Аккуратно сложенная конструкция расплетается, а вместе с формой белок теряет свое "рабочее" состояние.

А функций у белков в клетке превеликое множество. Белки-ферменты расщепляют и собирают питательные вещества, структурные белки строят "каркас" клетки, транспортные белки таскают ионы и молекулы через мембрану. Список можно продолжать очень долго. Но нам важно то, что при повышенной температуре белки разрушаются и все эти функции уже выполнять не могут. В итоге в клетке происходит коллапс и судьба ее печальна.

С мембраной картина не менее драматичная. Любая клеточная мембрана - это не твердая стена, а скорее очень густая жидкость. В ней молекулы-липиды стоят плотными рядами, прижавшись «хвостами» друг к другу. При нагреве эти хвосты начинают активно изгибаться и толкаться, а между молекулами появляются бреши. Мембрана буквально плавится и барьерные функции нарушаются. Как итог, клетка теряет контроль над тем, что в нее входит, а что выходит, и быстро погибает.

Кстати, клетки умеют немного подстраиваться. У разных липидов хвосты разной длины и формы. Одни прямые и плотно укладываются, другие с изломом и держатся рыхлее. Меняя состав мембраны, клетка регулирует её «плавкость». Среди молекул, помогающих сохранить стабильное состояние мембран, например, стеролы. Они вклиниваются между обычными липидами и работают в обе стороны. Когда жарко, не дают мембране слишком разболтаться, когда холодно - не дают застыть.

А что придумали экстремофилы?

Разный состав липидов работает до определенных температур, но при экстремально высоких уже нужны более интересные адаптации. У архей есть своя "фишка" - особые клеточные мембраны. Любая клеточная оболочка состоит из жироподобных молекул-липидов, но у архей эти липиды упорядочены иначе. Во-первых, их части соединены более прочным типом химической связи - эфирной (у обычных бактерий и у нас с вами связь сложноэфирная и она легче рвётся). Во-вторых, у самых термофильных архей мембрана устроена совсем хитро. Если у обычных клеток оболочка - это два слоя липидов, скреплённых лишь слабым притяжением, то у них все липиды просто находятся в одном слое. Расслоить такую мембрану сложно - отсюда и устойчивость к очень высоким температурам.

Картина красивая, но недавняя работа показала, что это не единственный способ адаптации. Выяснилось, что такая «сплошная» мембрана для жаростойкости вовсе не обязательна. У археи Methanopyrus kandleri - того самого рекордсмена, растущего при 122 °C, мембрана все таки может быть двухслойной. Но как же она тогда не разваливается при температуре выше точки кипения воды?

Ответ оказался довольно интересным. Ученые нашли внутри такой мембраны дополнительный слой из сквалана.

Сквалан располагается точно посередине мембраны, делает её прочнее и расширяет диапазон условий, в которых она сохраняет устойчивость. Проще говоря, эта молекула работает как наполнитель, закрывающий пустоты в середине и помогающий клетке выдерживать высокие температуры.

От науки к практике

Самый частый вопрос, который слышат ученые от общества - ну а какая практическая польза от ваших исследований? Все эти мембраны и белки - это, конечно, очень интересно, а мне что от этого? И вот от поиска и изучения термофильных организмов практическая польза огромная. Все дело в тех самых особенных белках.

Дело в том, что промышленные процессы нередко идут в условиях, абсолютно недружелюбных к обычным ферментам. Это в том числе и высокая температура, при которой обычные белки быстро разрушаются. Вот тут-то ферменты термофилов и оказались нарасхват. Сегодня они применяются в фармацевтике, производстве моющих средств, пищевой, текстильной, бумажной промышленности. Список на самом деле огромный, так что приведу лишь пару примеров.

Протеазы — это ферменты, которые расщепляют другие белки, и спектр их применения поистине огромен. Неудивительно, что микробные протеазы — одни из самых востребованных ферментов на свете. Сегодня на них приходится около 60 % всего рынка ферментов. Изрядная доля этого процента - стиральные порошки. На них приходится примерно 25 % мировых продаж ферментов. Такой фермент в порошке позволяет разъедать стойкие белковые пятна там, и при этом средство остаётся экологически безопасным.

Почему именно термофильные протеазы? Ну, во-первых стирка часто происходит при высоких температурах. При этом горячие источники ведь не ограничиваются одной только высокой температурой. Зачастую они еще очень кислотные или наоборот едко-щелочные. Поэтому белки местных микроорганизмов вынуждены быть стойкими сразу по нескольким фронтам. А именно такая устойчивость и нужна в моющих средствах, где хватает агрессивных компонентов.

В общем, если захотите интерактив, то можно поискать в магазинных порошках компонент, название которого заканчивается на -аза, это как раз и будут ферменты.

Ксиланазы и бумажная промышленность

Следующая группа ферментов - ксиланазы. Они нужны человечеству, поскольку могут разбирать на части гемицеллюлозную биомассу, главный компонент которой носит имя ксилан. Растения используют эти вещества как арматуру для своих клеточных стенок, а ксиланазы умеют ее разбирать.

Зачем это нужно? Расщепляя ксилан, ксиланазы высвобождают сахара - сырьё для целого набора промышленных продуктов: этанольного биотоплива, ксилита, промышленных растворителей и многого другого. А еще ксиланазы отбеливают целлюлозу в бумажной промышленности, улучшают усвояемость кормов для животных, идут в производство биотоплива, помогают пекарям сделать тесто более податливым, а пивоварам и производителям соков - осветлить мутный напиток до прозрачности. Ну фермент маминой подруги, не иначе.

А зачем именно термостабильные ксиланазы? Возьмем, к примеру, бумажную промышленность. Бумажная масса (пульпа) обрабатывается в щелочной и очень горячей среде. Поэтому ферменты, способные выдержать температуру около 90 °C и очень стойкие к воздействию щёлочи оказываются для этой отрасли явными фаворитами.

Амилазы и пиво

Следующая популярная в промышленности группа ферментов - амилазы. Их работа - расщеплять крахмал, который является полисахаридом, на простые сбраживаемые сахара вроде глюкозы и мальтозы. Дрожжи не умеют сбраживать длинные и сложные молекулы крахмала, так что задача амилазы - "порезать" крахмал на глюкозу и вот за нее уже дрожжи возьмутся с энтузиазмом и смогут превратить в этанол.

Кстати, амилаза есть и у нас во рту, а если быть точным - в слюне. Именно поэтому древние рецепты ферментированных напитков иногда включали этап разжевывания зерна и сплевывания получившейся смеси назад. Так, например, получали напиток чича инки и ацтеки.

К счастью, сегодня мы можем добавлять амилазы, наработанные биотехнологическим путем и плевать в стакан больше не нужно.

Но зачем нужны термостабильные амилазы? Во-первых, при высокой температуре крахмал расщепляется быстрее. А во-вторых, и это особенно важно, высокая температура это барьер для загрязнения сусла вредными микроорганизмами. Меньше риск таких попаданцев, стабильнее и выгоднее производство, вкуснее пиво (но это не точно).

А как, собственно, добыть белок?

Хорошо, мы поняли, зачем нужны термостабильные белки. Но как получить их в количествах, которых требует промышленность? Выращивать сами термофильные бактерии - задачка со звездочкой. У многих из них ну очень специфические требования к среде, угодить которым в заводских масштабах непросто. К счастью, сегодня в этом и нет необходимости.

Сегодня большинство термостабильных белков получают биотехнологическим путём. Инструкция, как должен «выглядеть» белок, записана в ДНК организма — в его генах. В простейшем случае один ген кодирует один белок, а значит, достаточно перенести этот ген в более удобный организм и наработать нужный белок уже в нём. Любимый «цех» биотехнологов - это кишечная палочка Escherichia coli. Она неприхотлива, размножается с космической скоростью и потому позволяет получать белок в больших количествах. И кстати нет, те кишечные палочки, которые используют в биотехнологических производствах не патогенны, то есть не представляют для нас опасности.

Но самое интересное, что сегодня нам даже не нужно выделять сам термофильный микроорганизм, чтобы добыть нужный ген. Можно вытащить нужный ген прямо из кусочков ДНК, найденных в окружающей среде, например почве, и перенести его в клетки удобного организма — например, всё той же кишечной палочки.

Свежий пример: в одной из недавних работ учёные получили гипертермостабильную целлюлозогидролазу - фермент, который превращает целлюлозу из растительных клеточных стенок в простые сахара. Нужный ген нашли в ДНК, выделенной из горячих источников, поместили его в клетку E. coli и наработали белок, работающий даже при 95 °C. И хоть бактерия, из которой получен ген, остается неизвестной, термостабильный белок из нее уже применяется на практике.

К счастью, после лечения спортсмен был выписан и вскоре вернулся к тренировкам без последствий. Но история на этом не закончилась. За короткий период за медицинской помощью обратились ещё несколько игроков команды с похожими симптомами. При этом некоторые из них, вылечившись, заболевали повторно. Всего за сезон центр по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) насчитал 8 случаев инфекции у 5 из 58 игроков, то есть у 9% состава. Анализы во всех случаях указывали на одного и того же возбудителя и снова это был золотистый стафилококк.

Как обычный стафилококк становится причиной серьезных проблем

Чтобы понять, почему обычная кожная бактерия вдруг укладывает здоровых, тренированных мужчин в больницу, придётся коротко познакомиться с самим возбудителем. Золотистый стафилококк (S. aureus) примерно у 30% людей постоянно живёт в носовой полости, ещё около 60% являются его носителями периодически, и лишь у 20% его практически никогда не находят. На коже бактерия тоже встречается часто и в норме никаких проблем не вызывает. Но беда начинается, когда нарушается кожный барьер. Обычная царапина, ссадина, прокол и бактерия получает доступ к подкожным тканям, где и начинается инфекционный процесс.

Но что нам бояться бактерий, если есть антибиотики. Вот тут то и начинаются проблемы. Стафилококк довольно часто оказывается устойчив к разным группами антибиотиков. Так, в 1959 для лечения стафилококка стал применяться новый антибиотик - метициллин. Однако уже в 1961 году, то есть всего через два года после внедрения метициллина в клинику, появились первые сообщения о штаммах S. aureus, устойчивых к нему.

Так на свет появился MRSA (Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus). Сегодня этим термином зачастую называют стафилококк, нечувствительный к большинству β-лактамных антибиотиков. Десятилетиями MRSA считался «больничной» проблемой, поскольку им заражались ослабленные пациенты после операций. Особенно он свирепствовал в отделениях, в которых попадают пациенты с нарушением кожного покрова (например, ожогового). Но в начале 2000-х в США начал распространяться принципиально новый его вариант - CA-MRSA (community-associated), поражающий здоровых людей вне всякой связи со стационарами. И одним из наиболее известных и опасных CA-MRSA стал вариант USA300.

USA300 отличается от больничных собратьев одной неприятной особенностью. Почти все его представители несут гены лейкоцидина Пантона — Валентина (PVL) - двухкомпонентного порообразующего токсина, прицельно убивающего нейтрофилы (те самые иммунные клетки, которые первыми приходят на место инфекции). PVL связывают с глубокими кожными абсцессами, некротизирующей пневмонией и тяжёлыми инфекциями костей у молодых здоровых людей. Именно USA300 и обнаружили потом в пробах от игроков Rams.

Искусственный газон и нападающие позиции

Эпидемиологическая проверка, проведённая CDC и опубликованная в New England Journal of Medicine в 2005 году, выявила несколько закономерностей. Во всех случаях у заболевших инфекция начинала развиваться на месте ссадин. Зачастую они были получены при играх на искусственном газоне, поскольку он особенно жесткий и травмирующий. Помимо этого риск инфекции был статистически выше у игроков игроки линии нападения и защиты и у спортсменов с более высоким индексом массы тела, то есть у тех, кто чаще всего вступает в жёсткие телесные контакты и сильнее обдирает кожу.

Контактные виды спорта вообще создают почти идеальные условия для распространения CA-MRSA, и виной этому - сочетание сразу нескольких факторов.

Во-первых, описанные выше повреждения кожи. Стафилококк не пробивает здоровый эпидермис — ему нужна «прореха».

Во-вторых, прямой контакт кожа-к-коже. Это один из эффективнейших путей передачи. Даже короткое соприкосновение может быть достаточным, если у одного из игроков есть инфицированный участок.

В-третьих, общая среда и предметы. В пробах из раздевалки Rams тот же стафилококк нашли в общих джакузи и на ленте для тейпирования. Авторы NEJM-исследования отдельно отметили: игроки нередко погружались в общее джакузи, минуя душ, — что, по всей видимости, и помогало бактерии путешествовать между телами. После того как стало понятно, как именно инфекция передаётся, ввели обязательную дезинфекцию общих предметов, душ перед джакузи и закрытие любых ссадин повязками. Эти меры действительно существенно помогли остановить эпидемию.

Однако случай с Rams был далеко не единственной историей инфицирования спортсменов золотистым стафилококком и далеко не самой жуткой.

Он был близок к потере ноги

История Дэниела Феллса - это пожалуй, худший пример того, как стафилококковая инфекция может за считаные дни поставить под угрозу жизнь здорового молодого спортсмена.

В сентябре 2015 года, выступая за New York Giants, Феллс получил травму пальца ноги и голеностопа. В рамках лечения ему сделали инъекцию кортикостероида. Вообще обычная для спорта процедура, однако через неделю состояние резко ухудшилось, появилась сильная боль, температура подскочила до 40 °C. Жена отвезла его в больницу и в результате проведенных анализов было выяснено, что виной всему инфицирование тем самым резистентным штаммом золотистого стафилококка.

Антибиотиками отделаться не удалось. За короткий срок Феллсу провели пять хирургических вмешательств для удаления инфицированных тканей, перевели в реанимацию и всерьёз рассматривали ампутацию стопы, поскольку врачи опасались, что инфекция доберётся до кости и попадёт в кровоток. Случай выделялся еще и тем, что в отличие от типичных тяжёлых пациентов с MRSA (пожилые, длительно госпитализированные, диабетики), Феллс был молодым, здоровым 32-летним атлетом ростом 193 см. Однако, как и в случае выше, по-видимому заражению способствовали те самые "спортивные" факторы.

Стопу удалось сохранить. Но лечение растянулось на месяцы и фактически поставило крест на профессиональной карьере. Точкой попадания в организм инфекции, по одной из версий, могла стать сама травма. По другой же версии причной могла быть кортикостероидная инъекция, при которой игла прорывает кожный барьер и бактерия получает прямой доступ к глубоким тканям.

Установить, где именно произошло инфицирование, как часто бывает в таких случаях, не удалось. Однако история Феллса стала одним из самых известных примеров того, что MRSA - это не только «больничная» проблема. Здоровый человек со ссадиной на колене и неудачно вколотым кортизоном находится в группе риска ровно так же, как пациент после операции, находящийся в стационаре.

А что в России?

Ну, попугали, а что же теперь делать? Главное, что стоит запомнить, что золотистый стафилокок не пробивает здоровую кожу - нужна травма. Поэтому самая эффективная защита - это промыть любую ссадину, царапину или порез водой с мылом или обработать антисептиком. Ну и не тереться ссадинами с окружающими, по возможности.

Однако очень важно заметить, что статистика по заболеваемости резистентным золотистым стафилококком в РФ любопытно отличается от американской. В России доминирует именно больничный вариант. В США тот самый CA-MRSA вариант USA300 с 2000-х вышел в общество и стал главной причиной кожных инфекций в спортивных командах, тюрьмах и школах. В России же исторически преобладает вариант ST239 - типично госпитальный, более устойчивый к антибиотикам, но без характерного для USA300 токсина PVL. Поэтому американского сюжета массовых внебольничных вспышек среди здоровых людей в российских данных практически не видно.

Сколько же в больницах устойчивого к антибиотикам стафилококка - тоже большой вопрос. По разным данным распространённость MRSA среди клинических изолятов золотистого стафилококка в российских больницах варьирует в гигантском диапазоне - от 0 до 80%. Причем за последнее десятилетие этот разброс принципиально не изменился. Бессимптомное носительство золотистого стафилококка в популяции - 30–60%. То есть в среднем как минимум каждый третий из нас прямо сейчас носит его на коже или слизистой носа.

В группе особого риска по тяжёлым формам пациенты с диабетом, потребители инъекционных наркотиков, дети, пожилые и сами медработники. Помимо метициллина, российские штаммы демонстрируют высокую устойчивость к фторхинолонам и цефокситину, а также сниженную чувствительность к цефтаролину - одному из немногих относительно новых препаратов резерва. Что? конечно, звучит уже довольно тревожно.

При этом летальность MRSA-инфекций - сепсиса, септического шока, пневмонии - на 60% выше, чем у инфекций, вызванных обычным, чувствительным к метициллину стафилококком. Именно поэтому в обновлённом списке приоритетных бактериальных патогенов ВОЗ 2024 года MRSA отнесён к группе высокого приоритета и в настоящее время ведется активный поиск методов борьбы с ним. Ну а нам остается лишь верить в новые препараты и мыть руки с мылом. Ну а про методы преодоления той самой антибиотикорезистентности и новые подходы еще обязательно напишу.

Что же позволяет Thiomargarita magnifica достигать таких размеров? Во-первых, в клетке этой бактерии обнаружены большие полости (вакуоли) с жидкостью и нитратами. Нитрат нужен для окисления серы, которая в свою очередь находится в серных гранулах по периферии. Центральная вакуоль действительно очень крупная и занимает большую часть клетки. Соотвественно свободного цитоплазматического пространства (то есть всего того, что расположено внутри мембраны клетки) остается совсем немного и у этого есть смысл. Дело в том, что у бактерий отсутствует активная внутриклеточная транспортная система и весь транспорт держится на диффузии. Диффузия же на больших расстояниях работает медленно, а значит, клетке становится сложно эффективно перемещать вещества. Поэтому сокращение цитоплазматического пространства - это частая и очень полезная черта гигантских бактерий.

Еще одна адаптация - это разнесение копий геномного материала по всей клетке. Причем копий генома у нее действительно много, то есть она очень полиплоидна. У Thiomargarita magnifica для этого даже есть специальные органеллы - пепины. По своей сути пепины - это скопление ДНК и рибосом, окруженные мембраной. С ДНК транскрибируется РНК, РНК идет к рибосомам и происходит синтез белка - все рядышком, а главное в большом количестве копий. Есть предположение, что в разных частях клетки могут быть активны разные гены, что уже чем-то похоже на специализацию, свойственную многоклеточным.

При ближайшем рассмотрении бактерия часто выглядит разделенной на членики, поэтому обнаружившие бактерию ученые вообще сначала подумали, что это скопление множества клеток. Но нет, клетка оказалась одна и поэтому Thiomargarita magnifica занимает почетное первое место в нашем рейтинге.

2 место

На втором месте расположилась близкая родственница победителя - бактерия Thiomargarita namibiensis, достигающая в длину 0.75 mm (750 μm). Обнаружена она на океаническом шельфе в Южной Африке и также обладает размерами, позволяющими заметить ее невооруженным глазом. Однако, чтобы разглядеть эту бактерию, уже придется потрудиться.

Обнаружена была еще в 1999 году, фото из статьи тех же времен, так что качество страдает. Здесь бактериальные клетки запечатлены с мушкой-дрозофиллой (стрелка указывает на клетку размером примерно 0.5 миллиметра), так что мы можем примерно представить ее размеры. Как и ее родственница, Thiomargarita namibiensis - сероокисляющая бактерия, широко распространенная в отложениях, залегающих под зоной минимального содержания кислорода в системе Бенгельского апвеллинга. Проще говоря, она живет там, где почти нет кислорода и поэтому получает энергию путем окисления серы. Как и в случае Thiomargarita magnifica для этих целей используется нитрат из центральной вакуоли.

А какое вообще преимущество в большом размере? По большей части это как раз возможность накапливать вещества. Такие бактерии живут в средах, где питание непостоянное, но запасая в своей большой клетке серу, фосфаты и нитраты, могут долго существовать на внутренних ресурсах. Однако далеко не всегда бактерии-гиганты что-то запасают и пример этому как раз идет следующим в нашем списке.

3 место
Замыкает тройку бактерия Epulopiscium spp., известная своими симбиотическими отношениями с рыбой-хирургом Naso tonganus, в кишечнике которой она живет и помогает с пищеварением. Достигает эта бактерия в длину 0.7 миллиметров (700 микрометров) и, как и предыдущие большие бактерии, полиплоидна, то есть содержит множество копий генома. Однако, центральная вакуоль и вкрапления минералов в ней отсутствуют. Зато есть другая интересная адаптация - вся ДНК сосредоточена по периферии клетке, что видимо помогает бороться с маленькой площадью поверхности по отношению к объему клетки.

Еще одной особенностью Epulopiscium spp является созревание дочерних клеток внутри материнской с постепенным ростом и затем уже выходом из оболочки, что совсем не похоже на бинарное деление большинства бактерий.

На самом деле гигантских бактерий на сегодняшний день известно достаточно много. Если описанная выше тройка - это морские обитатели, то нельзя не упомянуть и пресноводного микрогиганта - Achromatium oxaliferum, достигающего в длину 125 микрометров или 0.125 миллиметра. Это бесцветная бактерия, также как и Thiomargarita она сероокисляющая и внутри клетки содержатся крупные кальцитовые тела и гранулы серы.

Однако жизнь в пресной воде не самая интересная характеристика этой бактерии. У Achromatium внутри одной клетки находятся тысячи копий генома, и они… разные. Настолько разные, что это больше похоже не на одну клетку, а на целую популяцию бактерий. Проведенный анализ геномов показал, что по-видимому, внутри клетки участки ДНК копируются перемешиваются, и постепенно изменяются. Все это вместе позволяет ДНК внутри одной клетки активно перестраиваться и эволюционировать, а значит и хорошо адаптироваться к меняющейся среде.

Так что гигантские бактерии - это не просто увеличенные версии обычных. Это совершенно другой уровень организации, где одна клетка может вести себя почти как многоклеточный организм или даже как целая популяция. И, возможно, мы пока только начинаем понимать, насколько разнообразным может быть микромир.

Однако технологии развиваются, и сегодня есть подходы, позволяющие преодолеть этот барьер. В каждом организме есть ДНК, которая по сути является кодом всего, что есть в клетке и код этот уникален. Поэтому настоящий перелом в поиске новых видов произошёл, когда ученые перестали пытаться увидеть сам микроорганизм, а начали изучать его ДНК напрямую. Сегодня такой подход к изучению организмов в среде называется метагеномикой.

Суть метагеномного подхода проста:

1. Берётся образец среды — почва, вода, содержимое организма, воздух.

2. Извлекается вся ДНК сразу.

3. Определяется её последовательность (это называется секвенированием) и с использованием специальных программ собираются генетические фрагменты, а иногда и целые геномы.

4. С использованием баз данных определяется, какие организмы содержатся в образце. Если такого же организма в базе нет, то определяется его ближайший родственник.

Сегодня с помощью такого подхода обнаружено огромное количество групп микроорганизмов, которые раньше просто не попадали в поле зрения науки. Чтобы понять масштаб космоса "микроорганизмов", достаточно посмотреть на интерактивную карту проекта Lifemap. "Unclassified bacteria" на этой карте это буквально "какие-то бактерии". Что это значит? Мы изучили ДНК этих бактерий, но мы понятия не имеем что это такое, однако можем определить далеких родственников. Есть неклассифицированные бактерии и в уже известных таксонах, то есть мы можем определить их род, а значит примерно предположить их свойства, но полные характеристики остаются неизвестными. Карта интерактивная, поэтому очень рекомендую потыкать.

Кто в кишечнике живет

Неизвестного осталось достаточно много и в непосредственной близости от нас. А если быть точнее - прямо внутри нас. В желудочно-кишечном тракте человека обитает чрезвычайно сложное и динамичное микробное сообщество, включающее археи, бактерии, вирусы и эукариоты. Современные данные показывают, что состав кишечного микробиома очень серьезно влияет на наш иммунитет, метаболические процессы, настроение и многое другое. Но есть проблема - традиционные методы культивирования позволяют вырастить в лабораторных условиях лишь 10-30% кишечной микробиоты. Процент уже получше, чем в почве, но все еще невысок.

Поэтому, когда появилась возможность определять состав микробиоты по ДНК, такие проекты быстро приобрели большую популярность в научном сообществе. В начале развитие геномных технологий для определения видового разнообразия микробиома секвенировали лишь часть генома, а если точнее ген 16S рРНК, который есть практически у всех бактерий. Этот ген выполняет важную функцию в клетке и поэтому сохраняется в процессе эволюции, но при этом содержит небольшие вариации, позволяющие отличать одни рода бактерий от других, а иногда и виды.

Как это работает на практике? Из образца (например, кишечного содержимого или почвы) выделяют ДНК и многократно «копируют» только участок 16S методом ПЦР. Затем его секвенируют (определяют последовательность) и сравнивают с базами данных. В результате получают список бактерий, которые присутствуют в образце, и их относительное количество. Однако у метода прочтения 16S есть и ограничения и самое большое - это точность. Мы можем определить бактерию до рода, а иногда и до вида, например, сказать, что в образце точно есть кишечная палочка (Escherichia coli). Но и внутри одного вида могут существовать и очень разные по свойствам бактерии - штаммы.

Так, например, кишечные палочки разнообразных безобидных штаммов живут в нашем кишечнике совершенно мирно, и даже помогают, синтезируя витамины и борясь с патогенами. А вот штамм O157:H7 той же кишечной палочки может вызывать очень серьезные проблемы, включая диарею с кровью и прочими пугающими последствиями. А разница между ними в нескольких генах, в том числе в гене, кодирующем токсин, вызывающий повреждение клеток кишечника. Поэтому определить только вид порой ой как недостаточно.

К счастью, технологии активно развиваются и современная геномные методы позволяют работать не с последовательностью одного гена, а с целыми геномами, то есть совокупностью всех генов. И вот по такой информации уже возможно определить не только вид, но и штамм, а значит узнать больше подробностей о специфических особенностях конкретной бактерии. Если у той самой страшной e.coli O157:H7 есть ген, кодирующий шига-токсин, то у штамма HS, являющегося нормальным жителем здорового кишечника, таких генов нет и он мирно сосуществует с человеком.

В последние годы крупные международные проекты, такие как MetaHIT и Human Microbiome Project активно поучаствовали в создании референсных каталогов генов микробиома человека. Так, покопавшись внимательно в кишечном содержимом 124 европейцев в рамках проекта MetaHIT ученые показали, что микробиом кишечника человека содержит около 3,3 миллиона уникальных генов. Это очень и очень много. На секундочку это в 150 раз превышает количество генов самого человека. Но, конечно, у людей из разных стран, рас, возраста состав микробиома, а значит и генетическая составляющая, может значительно различаться. Поэтому, по мере накопления данных и улучшения методов, а также расширения числа исследуемых, количество обнаруженных генов выросло еще более чем в 3 раза. Последние актуальные цифры по изучению желудочно-кишечного тракта человека из проекта Unified Human Gastrointestinal Genome говорят нам о 4,744 видов. Все еще чувствуете себя одиноко?

Какие же данные можно извлечь из всего этого?

Во-первых, стало понятно, что состав микробиома не является фиксированным и может изменяться под воздействием множества факторов. Исследования показали, что на него влияют диета, возраст, географическое положение, приём лекарств, факторы окружающей среды и многое другое. В общем, сложно назвать фактор из нашей жизнедеятельности, который бы никак не отразился на микробиоме. Например, различия в долгосрочных пищевых привычках приводят к заметным изменениям в составе микробиома у людей из разных регионов. При этом краткосрочные изменения рациона могут влиять на относительное содержание отдельных видов, но не обязательно изменяют состав кардинально.

Почему это важно? Содержание различных микроорганизмов напрямую влияет на наше здоровье, и это связано с тем, что у каждого вида есть свой набор генов и, соответственно, свои метаболические «возможности». Одни бактерии специализируются на расщеплении сложных углеводов и пищевых волокон, превращая их в короткоцепочечные жирные кислоты (ацетат, пропионат и бутират). Эти вещества служат источником энергии для клеток кишечника и участвуют в регуляции иммунитета. Другие микроорганизмы могут активно ферментировать сахара с образованием газов, что может доставлять сильный дискомфорт.

Важно и то, что продукты жизнедеятельности бактерий могут воздействовать не только на кишечник, но и на весь организм. Через так называемую «ось кишечник–мозг» они способны влиять на работу нервной системы, в том числе на настроение и поведение. Поэтому состав микробиома — это не просто набор случайных микроорганизмов, а сложная экосистема, баланс которой отражается на самочувствии человека. Сегодня активно изучается взаимосвязь многих болезней, в том числе ментальных, с составом микробиома. Поэтому такие исследования - важный шаг на пути человечества к долголетию.

От науки к практике

Какую же еще пользу мы можем извлечь из расшифровки генов "неизвестных" бактерий?
А за это отвечает еще одно направление науки, получившее красивое название функциональная метагеномика. Для привлечения микроорганизмов к решению практически важных задач нам совершенно нет необходимости их выделять и культивировать. Зачастую, нас гораздо больше интересуют именно их гены. Современные методы биотехнологии позволяют зная только последовательность гена какого-то микроорганизма, синтезировать его искусственно или выделить из массива ДНК и поместить в другой организм, чтобы он там работал. Например - производил фермент, которые можно использовать для промышленных целей. Так, к примеру, получили множество термостабильных белков, которые используются в промышленности.

Сегодня во многих стиральных порошках используются термостабильные протеазы - это такие ферменты, которые позволяют расщеплять белки, а значит и самые въедливые пятна. Термостабильные белки часто обнаруживаются у термофильных организмов, например, бактерий из горячих источников. Но чтобы получить такой белок из исходного организма нужно подбирать сложные условия его культивирования. Биотехнологический же подход позволяет перенести ген, кодирующий такую термостабильную протеазу, в более удобный для работы организм. Например, в ту же кишечную палочку, которая является излюбленным объектом биотехнологов, и уже в ней получить достаточное количество нужного белка.

Вот так космос микроорганизмов с каждым годом становится всё более изученным, и подобные исследования уже сегодня служат нам, помогая создавать лекарства, ферменты и новые технологии. Но при этом по-прежнему огромная часть этого мира остаётся неизвестной. Возможно, самые важные открытия, которые изменят медицину, биотехнологию и наше понимание жизни, уже совсем близко. А может, прямо у нас под ногами.