Микробы в трюмной воде
Микробиолог Стив Тектманн получил престижную награду DARPA Young Faculty Award (YFA) для изучения микробных биосигнатур, которые указывают, по каким водам прошло судно.
Тектманн, доцент кафедры биологии и исследователь из Центра изучения Великих озёр Мичиганского технологического университета, ищет один конкретный микроб. А точнее — 22 разных. В каждом порту, который он посетит по всему миру — от Сингапура и Роттердама до Грин-Бей — он надеется найти уникальный вид микроорганизмов. Если геном микроба достаточно уникален, его можно использовать как маркер для определения маршрута судна. В перспективе эта методика может усилить возможности обороны и экологического мониторинга.
Работа ведётся в рамках гранта YFA от Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA). Летом и осенью Тектманн будет собирать пробы воды из портов и корабельных трюмов в 22 портах по всему миру. Исследование началось ближе к дому — с портов вокруг озера Верхнее.
Порты, полные микробов
Сейчас перемещение судов отслеживается с помощью спутниковых трекеров. Но они обязательны только для крупных судов — это отраслевой стандарт, хотя некоторые малые суда также ими оснащены. Но система не идеальна.
«Главная цель проекта — найти лучший способ отслеживать морское происхождение этих судов, — говорит Тектманн. — Микробы предлагают решение для судов любого размера».
Подобно тому, как у каждого человека есть уникальное микробное облако, суда также могут нести отличительные микробные сигнатуры. Ключ — в исследовании правильной воды.
Трюмы, полные микробов
Трюмная вода скапливается на дне корабля, и любое судно — будь то грузовое или парусное — собирает некоторое количество внешней воды.
«Корабль похож на ловушку для микробов, когда проходит через разные порты, — говорит Тектманн. — Разные микробы могут предпочитать открытую воду трюмной, поскольку там темно, уровень питательных веществ варьируется, а иногда есть масло. Другая сложность в том, что суда могут заносить микробов из других портов, что усложняет сигнатуру».
Чтобы определить, какие микробы где обитают, Тектманн и его команда соберут по 30–50 проб в каждом из 22 исследуемых портов. Во многих микробных исследованиях достаточно 3–4 проб для анализа. Но чтобы выделить виды-сигнатуры, отделить их от микробов в трюмной воде и сравнить все порты на предмет совпадений, требуется больше вычислительной мощности и, следовательно, больше образцов.
Машинное обучение, полное микробов
Тектманн не будет сортировать образцы вручную под микроскопом, как Левенгук. Вместо этого, имея большой набор проб, он сможет извлечь тысячи точек данных из генетических кодов ключевых микробов и затем передать данные компьютеру для поиска паттернов. Это сочетает машинное обучение (технологию, используемую для распознавания лиц на фото и обучения ИИ определению эмоций) и геномное секвенирование.
«Преимущество геномного секвенирования в том, что это очень чувствительный инструмент, — объясняет Тектманн. — Если сигнатура присутствует только в одном порту и в малых количествах, наша методика всё равно позволит её обнаружить, даже если это незначительная часть микробного сообщества».
Это может привести к созданию «пространственных сенсоров», где идентификация ключевых микробов даёт понимание взаимосвязи биологии и географии. Такие микробные сенсоры потенциально можно использовать для оценки восстановления водно-болотных угодий или отслеживания распространения загрязнителей.
«На базовом уровне мы пытаемся понять, что заставляет набор организмов жить в одном месте, а не в другом, — говорит он. — В микробной экологии есть поговорка: "Всё везде — но природа выбирает"».
Определение микробных биосигнатур портов по всему миру — один из способов проверить, верна ли эта гипотеза, или же её стоит вычерпнуть вместе с трюмной водой.