Новые технологии высокопроизводительного секвенирования открывают мир взаимодействующих микроорганизмов

Микробиомы — сообщества микроорганизмов, взаимодействующих друг с другом и со средой, — меняют подходы к лечению болезней, выращиванию сельхозкультур и созданию продуктов. Ученые из Университета Пенсильвании исследуют эти сложные системы.

Ключевой инструмент: Высокопроизводительное (next-generation) секвенирование, доступное с 2000 года и широко используемое в последнее десятилетие. Оно позволяет одновременно определять последовательность нуклеотидов (A, T, G, C) для сотен тысяч молекул ДНК из множества видов, «освещая черный ящик микробиологии».

Защита качества воды и восстановление почв

• Почва: В чайной ложке почвы может быть около миллиарда бактериальных клеток, 500 000 фрагментов грибов, тысячи простейших и множество вирусов. Среди бактерий может быть 10 000–20 000 разных видов.

• Проблема: Около 50% азота из удобрений не усваивается культурами, вымывается в грунтовые воды и попадает в Мексиканский залив и Чесапикский залив, нарушая экосистемы.

• Исследования:

  • Мэри Энн Бранс изучает азотный цикл с помощью секвенирования, чтобы найти растительно-почвенные микробные сообщества, сохраняющие азот. Она охарактеризовала консорциум из двух штаммов цианобактерий и нескольких видов нефотосинтезирующих бактерий, которые образуют биопленки, снижая эрозию и сток. Такой продукт мог бы фиксировать углерод и азот, сокращая потребность в удобрениях.
  • Терренс Белл изучает восстановление почв, истощенных из-за длительного использования химических удобрений. Эксперименты показали, что высокие дозы химического фосфора меняют состав микробиома и снижают его разнообразие, что влияет на рост культур. Следующая задача — выяснить, можно ли восстановить среду, повторно внося микробное разнообразие.

Проверка кишечника

Микробиом кишечника человека содержит десятки триллионов микроорганизмов (общий вес ~2 кг) и влияет на здоровье.

• Ожирение и метаболизм:

  • Эндрю Паттерсон исследовал, как препарат темпол (tempol) снижает вес у мышей на высокожировой диете.
  • Выяснилось, что темпол снижает количество бактерий Lactobacillus и Clostridium, что ведет к увеличению уровня специфической желчной кислоты — тауро-бета-мурихолевой кислоты (tauro-beta muricholic acid).
  • Эта кислота отключает рецептор FXR (farnesoid X receptor), регулирующий метаболизм желчных кислот, жиров и глюкозы.
  • На основе этого открытия команда создала против ожирения препарат на основе глицин-бета-мурихолевой кислоты (glycine-beta muricholic acid). У мышей на высокожировой диете он снижал прирост веса и резистентность к инсулину. Для коммерциализации создана компания Heliome Biotech, Inc.

• Патогенные бактерии (E. coli O157:H7):

  • Этот штамм производит мощный токсин Шига (Shiga toxin), вызывающий симптомы от диареи до тяжелого поражения почек.
  • Эдвард Дадли выдвинул гипотезу, что течение болезни зависит от других микроорганизмов в кишечнике.
  • Эксперименты показали: при совместном росте O157:H7 с некоторыми непатогенными штаммами E. coli из кишечника производство токсина Шига резко возрастает. Это подтвердилось и в опытах на стерильных мышах.
  • Значение: Определение штаммов E. coli у пациента может помочь предсказать течение болезни. Также возможно использование определенных штаммов E. coli в качестве пробиотика, блокирующего выработку токсина O157:H7.

Вывод: Микробы существуют не изолированно, а в сложных сообществах. Исследования микробиомов, ставшие возможными благодаря новым технологиям, только начинают раскрывать их огромное влияние на нашу жизнь и окружающую среду.