Джон Тёрни - Я – суперорганизм! Человек и его микробиом
Глава 3. Невидимые жизни
Микроскопы показали, что бактерии существуют. Но простое разглядывание этих существ дает лишь ограниченную информацию. Совершенно различные бактерии зачастую кажутся с виду очень похожими. Чтобы понять, с какими разновидностями бактерий мы имеем дело, как они живут и что способны делать, требуются новые способы разглядывания. Нужно заглянуть внутрь клеток или по крайней мере изучить материал, извлеченный из них. Наука, развиваясь бок о бок с технологией, учится по-новому видеть изучаемые объекты[21]. За последние два десятка лет ученые многое узнали о нашем микробиоме.
До этого в микробиологии человека существовала одна досадная проблема. Ученые знали, что в нас обитает множество микробов, особенно в кишечнике. Однако большинство из них сопротивлялось попыткам перенести их в лабораторию. Их убивало присутствие кислорода, либо им требовалось для выживания какое-то таинственное вещество, которое никак не удавалось выявить.
Проблему, можно сказать, обнаружили и проигнорировали – как в науках о человеке, так и в микробиологии как таковой. В середине 1980-х на нее вновь обратили внимание. Джеймс Стейли из Вашингтонского университета назвал ее «великой аномалией подсчета микробов в чашке Петри»[22]. Вместе с коллегой он напомнил научной общественности, что количество бактерий, видимое под микроскопом, к примеру, в свежеотобранном образце почвы, тысячекратно превышает количество бактерий из того же образца, которое удается заставить расти на чашке Петри. Дав обзор других методов оценки микробного разнообразия, появившихся в начале 1930-х годов, Стейли и его соавтор призвали специалистов как можно внимательнее относиться к описанию всего набора изучаемых разновидностей микробов. Однако их обзор, ориентированный на микробиологов, касался в основном лишь водных и почвенных экосистем. Специалистам же по медицинской микробиологии приходилось иметь дело с другими (весьма многочисленными) научными работами, касающимися относительно небольшого набора патогенов. При таком различии в подходах науке удивительно ловко удавалось проявлять избирательное отношение к предметам исследования, при котором известные расхождения или аномалии остаются неизученными.
Теперь дело обстоит иначе. В наши дни все сходятся во мнении, что человеческий микробиом – штука сложная и важная. И нам уже мало изучения лишь тех видов, которые легко вырастить в культуре. Придумываются все новые способы изучения более капризных микробов. Такие методы как раз и позволили Дэвиду Релману добавить множество новых видов в каталог бактерий, найденных во рту при первом, сравнительно простом, анализе.
Видеть невидимое
Исследователи микробиома имеют дело не с самыми мелкими объектами. Это прерогатива физиков – изучение частиц и взаимодействий, совершенно недоступных нашим органам чувств и потому вызывающих понятную озадаченность. Но и микробиомная наука по сути делает видимыми те вещи, о которых мы никогда бы иначе не узнали. И каждый раз, когда ученые видят нечто новое, рождается целый ряд гипотез насчет того, что же найдено и что оно делает. Эти гипотезы в свою очередь требуют новых видов экспериментов. Начиная с рубежа веков, над этим успели потрудиться многие изобретательные умы. Вот вам краткий рассказ об инструментарии исследователей микробиома и о том, чего удалось достичь при помощи этих инструментов.
Новый мир первым делом следует нанести на карту. Эти работы активно ведутся. Микробиология сейчас переживает ту же стадию, что и науки о живом в период, когда писком моды считалась естественная история (естествознание). В течение нескольких веков биология сводилась к присваиванию организмам названий, классификации животных, записыванию их повадок и особенностей поведения.
На этом уровне биологи добыли массу данных. Современные технологии отлично умеют хранить и обрабатывать информацию. Ключевая технология здесь – ДНК-секвенирование, позволяющее узнать порядок следования нуклеотидных оснований («химических букв») в каждой нити ДНК; они-то и кодируют хранящуюся в ней генетическую информацию. Скорость развития этого метода превосходит скорость развития любых других технологий в истории. Часто отмечают, что рост производительности компьютеров за последние полвека (обычно выражаемое как количество процессоров в одной микросхеме) следует так называемому закону Мура. Гордон Мур, один из основателей компании Intel, в 1965 году предположил, что число транзисторов в интегральной микросхеме удваивается каждые 2 года и в дальнейшем растет теми же темпами. Пока его «закон» соблюдается. Результат – резкое увеличение вычислительной мощи компьютеров и резкое падение их стоимости.
Но секвенсоры ДНК развиваются куда стремительнее компьютерных чипов. Разработчики проекта «Геном человека» рассчитывали, что процесс секвенирования ДНК будет непрерывно ускорятся, однако действительность превзошла самые смелые ожидания.
На то, чтобы полностью (более или менее точно) расшифровать человеческий геном с его 3 миллиардами пар нуклеотидных оснований ушло 13 лет, и на всю эту гигантскую работу затратили почти 4 миллиарда долларов. Сегодня производители обычных ДНК-секвенсоров предлагают устройства, проделывающие ту же работу за один день и всего за тысячу долларов.
Основное продвижение на этом пути приходится на сравнительно недавнее время. В американском Национальном институте исследований человеческого генома построили логарифмический график, отражающий зависимость стоимости ДНК-секвенирования от времени, и сравнили его с аналогичным графиком для закона Мура. Уменьшающаяся стоимость процессора отражается на таком графике прямой линией с небольшим отклонением от горизонтали. Стоимость же ДНК-анализа начинает падать быстрее, чем муровская стоимость, уже в 2007 году, а затем ее скорость падения все больше растет (это продолжается до сих пор). Исходная расшифровка мегабазы (1 миллиона оснований) ДНК-последовательности стоила чуть меньше 10 тысяч долларов в 2001 году, нырнула под тысячедолларовую планку в 2004 году, а в 2014 году обходится… всего в полцента.
Быстрое, дешевое, надежное секвенирование – технология, коренным образом меняющая положение в науке. Количество архивируемой информации, которую получают из цепочек ДНК, растет с невообразимой скоростью. Хороший современный секвенсор, продающийся уже полностью подготовленным для работы в лаборатории, при идеальных условиях способен выявлять до 100 миллиардов пар нуклеотидных оснований в сутки. По оценкам специалистов, за 2013 год лабораториям всего мира удалось расшифровать 15 петабаз, то есть тысячу миллионов миллионов букв ДНК[23].
Что ж, ДНК-секвенирование стало весьма доступным методом. И все равно в каждом конкретном исследовании встречаются трудности, вынуждающие ученых идти на те или иные компромиссы.
Секвенирование отдельного генома в наши дни – рутинная работа, успех которой зависит главным образом от тщательности подготовки образцов, которые закладываются в секвенсор. ДНК должна быть чистой, то есть происходить от одного организма.
Если речь идет о ваших собственных клетках, особых проблем не возникает, достаточно поскрести пальцем внутри щеки. В проекте «Геном человека» у добровольцев брали пробы крови. Человеческая ДНК обладает сравнительно крупными размерами, поэтому ее после извлечения расщепляли с помощью ферментов на более «удобоваримые» куски (примерно по сотне тысяч нуклеотидных пар в каждом), а затем их «клонировали» – воспроизводили при помощи послушных лабораторных бактерий, которые, благодаря своему быстрому росту, давали большое количество искусственной бактериальной хромосомы (ИБХ) ДНК. Затем эти ИБХ извлекались из бактерий для секвенирования.
Геномы бактерий меньше, но их труднее получить в чистом виде. С теми бактериями, которые удается выращивать в виде культуры, можно разобраться достаточно легко. Прочие же так и остаются в виде непонятной смеси, содержащей неизвестно сколько различных организмов, каждый из которых добавляет в общую сумму очень небольшое количество ДНК.
Эту трудность можно обойти, прибегнув к так называемому внекультурному анализу. Он объединяет в себе растущие возможности ДНК-секвенирования с ширящимся знанием биологии бактериальной жизни. Возьмите пробу микрожизни откуда угодно: это может быть ведро морской воды, пригоршня почвы или (как раз для наших целей) кучка человеческих экскрементов. Там вы, помимо всего прочего, обнаружите массу бактерий, вирусов и (возможно) других, более крупных организмов. Не трудитесь отделять их друг от друга. Просто извлеките все ДНК, расщепите их на удобные для анализа куски и затем проведите общее секвенирование.
Появление геномики, действующей в промышленных масштабах, предоставляет ученым доступ к постоянно расширяющейся базе данных ДНК-последовательностей. А поскольку вся эта информация хранится в электронной форме (а не только в самой ДНК), компьютеры могут легко анализировать ее, сравнивая новые образцы ДНК с теми, что уже имеются в хранилище данных. Порой они находят ряд тех же букв, следующих в том же порядке; иными словами, выявляется полное совпадение данных. Иногда это часть гена, чья функция нам уже известна (зачастую она состоит в том, чтобы руководить синтезом определенного белка). Иногда этот фрагмент чуть отличается от какого-то существующего гена. Иногда он похож на ген, но содержит неизвестный компонент. Так, фрагменты ДНК, отвечающие за кодирование белков, заключают в себе особые сигналы, показывающие, где клеточная аппаратура для чтения ДНК должна прекращать работу, а где должна снова ее начинать. При тщательно продуманной интерпретации такое секвенирование «всего, что попало в ведро» способно многое поведать о населении ведра.
