Как форма наночастиц влияет на микробные сообщества: ключ в генах
Микробные сообщества в почве, воде и других средах — основа экосистем. Даже небольшие изменения в них могут иметь серьёзные последствия. Наночастицы — один из факторов, способных нарушить эти сложные сообщества, но изучать их влияние крайне трудно из-за огромного числа микроорганизмов и их взаимодействий.
Исследователи из Виргинского политехнического института (Virginia Tech) предложили новый подход: использовать метагеномный анализ для оценки воздействия наночастиц на целое микробное сообщество, а не на отдельные виды. Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
Суть метода и эксперимента
- Метагеномный анализ позволяет секвенировать всю ДНК из всех микроорганизмов в образце одновременно, показывая, какие гены активны в данной среде.
- Учёные во главе с Эми Пруден и Питером Викслендом исследовали сообщества активного ила на станциях очистки сточных вод.
- В лабораторный реактор, моделирующий очистные сооружения, вносили синтезированные золотые наночастицы (сферы и стержни).
- Метагеномный анализ проводили через 7 и 56 дней воздействия.
Ключевые результаты
- Форма важнее покрытия. Наночастицы изменили распределение генов в микробном сообществе. Сферические наночастицы оказали большее влияние, чем стержнеобразные. Химическое покрытие наночастиц не вызвало таких же генетических сдвигов, хотя и повлияло на распределение частиц между илом и водой.
- Влияние на гены устойчивости. Среди затронутых генов оказались те, что помогают бактериям ускользать от действия антибиотиков. Общее количество генов антибиотикорезистентности не изменилось, но изменилось их распределение (к каким именно антибиотикам вырабатывается устойчивость). Также изменилась активность генов, позволяющих бактериям переносить токсичное воздействие металлов.
- Чувствительность метода. Эффективность очистки сточных вод (разложение загрязнителей) не снизилась. Это показывает, что метагеномный анализ может улавливать тонкие изменения в сообществе, которые не отражаются на общих функциональных показателях системы. «Это как микробная канарейка в угольной шахте», — пояснил Питер Виксленд.
Значение и перспективы
- Результаты важны для безопасного дизайна наноматериалов и оценки их непреднамеренного воздействия на экосистемы и здоровье человека.
- Станции очистки сточных вод — известный резервуар генов антибиотикорезистентности, попадающих в окружающую среду. Необходимо готовить их к потенциальным вызовам, связанным с наночастицами.
- Исследователи подчёркивают, что неясно, представляют ли обнаруженные изменения генов реальный риск для здоровья. Требуются дальнейшие изыскания.
- Учёные уже работают с коллегами из компьютерных наук над созданием инструмента для оценки того, какие именно генетические изменения могут быть проблематичными.
Главный вывод: метагеномный анализ — ценный инструмент для обнаружения сигналов о влиянии наночастиц на сложные микробные экосистемы. «Метагеномика говорит, что сигнал есть. Пока мы не знаем, каковы его реальные последствия, но что-то определённо происходит», — резюмировал Виксленд.