1
Здесь на помощь приходят чистые культуры. Гениальное изобретение принадлежит Роберту Коху, который был медицинским микробиологом. Он понял, что если микроорганизмы выращивать на том, что у нас называется «твердая среда», а на самом деле это что-то типа желе — полутвердая субстанция, которая делается такой с помощью полисахарида агар-агара, то на какой-то ее участок попадает одна единственная клетка (для этого должна быть правильная концентрация клеток в жидкой среде). Эта клетка начинает делиться, производя только себе подобных, и через некоторое время они превращаются в видимое глазом образование (сгусток одинаковых клеток). Такое образование называется «колония» они начинают размножаться, воспроизводя только себе подобных. После этого колония переносится в жидкую среду, и в этой жидкой среде уже растут совершенно идентичные микробы, которые можно исследовать как единый организм.
2
Это замечательное изобретение открыло дорогу стремительному развитию микробиологии, потому что оказалось, что, подобрав правильно условия культивирования, можно клетки любого микроба получить в чистом виде, то есть, свободными от клеток других микробов, и исследовать, допустим, сто миллионов клеток, как одну единственную. И так микробиология развивалась весь ХХ век. Микроорганизмам можно было дать какое-то имя, описать их свойства, выяснить чем они отличаются друг от друга, распределить их, создать некоторую таксономию — виды, роды и двигаться дальше.Так, благодаря этому методу, микробиология в ХХ веке стала самостоятельной наукой, стоящей на очень прочных методических основах. Было описано большое количество микробов, создана их систематика, исследованы законы роста и использования субстратов, изучены разнообразные микробные процессы и ферменты, за счет работы которых эти процессы осуществлялись.
3
И вдруг, где-то в 80-е — 90-е годы ХХ века все катастрофическим образом изменилось. Оказалось, что, если чистые культуры посадить в одну пробирку, они часто начинают вести себя совершенно иначе, чем они себя ведут поодиночке. Химические процессы, за счет которых они существуют, влияют друг на друга — ингибируют или стимулируют. Точно так же и в природных микробных сообществах, которые состоят из огромного количества самых разных микробов, они связаны этими взаимодействиями. Поэтому мы, исследуя чистую культуру в лаборатории, не имеем права экстраполировать ее свойства на природные или даже лабораторные смеси.
Второе потрясение связано с развитием молекулярных методов идентификации микроорганизмов — после того, как уже развились методы геномного анализа. В самом начале, когда все еще было трудоемко и тяжело, в геноме микробов был выбран один общий участок, который есть у всех (это ген рибосомальной РНК). Он был принят за стандартный паспорт или штрих-код, и по степени различия в последовательности энуклеотидов на этом участке все микроорганизмы были расположены на филогенетическом дереве, что раньше никогда никому не удавалось. Точно также на этом дереве можно расположить и эти гены-маркеры, полученные непосредственно из природной среды. И тут оказалось, что мы знаем (то есть изучали в виде лабораторных культур) только 5% микроорганизмов. То есть, у нас оказалось две области знаний: классическая «культуральная» микробиология, изучающая чистые культуры, и молекулярная экология микроорганизмов, дающая нам знание о разнообразии микроорганизмов в природном сообществе, но если эти микроорганизмы — некультивируемые, мы не знаем, какими свойствами они обладают.
4
Теперь мы перед дилеммой: заниматься ли чистыми культурами, выделять ли новых микробов или исследовать сложные системы, уже пользуясь современными молекулярно-биологическими инструментами и их все-таки пытаться охарактеризовать, потому что описание микроба — это, конечно, узкая, частная задача. Ее, конечно, нужно применить либо к экологии, либо к биотехнологии, как-то ее связать с другими областями знания. Нужны ли во втором варианте чистые культуры? Все-таки да. Во-первых, таксономия пока еще невозможна без чистых культур, и какой-то порядок в мире микробов создать без них довольно трудно. Во-вторых, биотехнология. Ведь если мы работаем с чистой культурой, все более или менее подконтрольно и обозримо. Но если мы у нас микробное сообщество, смесь микробов, там могут идти процессы, за которыми мы не в состоянии уследить; например, пропорции отдельных микроорганизмов в сообществе изменятся, и мы ничего не сможем сделать. Так что для биотехнологии чистые культуры необходимы.
5
Знание чистых культур дает нам какую-то информацию о свойствах этих организмов. И если мы находим «штрих-код», ген 16s РНК в природе, то сразу помещаем этого микроба на «дерево», и по ближайшим родственникам можем предположить, что он делает в своем природном местообитании. Причем если он там присутствует в большом количестве, то можно предположить, что соответствующий химический процесс там и идет. И наоборот, получив информацию о том, какие микробы есть в природном сообществе, мы можем попытаться выделить их в чистую культуру, изучить свойства и смоделировать поведение в природной системе. То есть сейчас микробиология уже прошла эту развилку, и культуральные и некультуральные методы используются в сочетании. Чистые культуры по-прежнему в цене, это такой «золотой запас».
6
Каким образом исследуются сложные системы без выделения чистых культур, каким образом они выбираются для исследования? Конечно, во-первых, это системы масштабные — почва или морские системы. Или это могут быть какие-то исключительные системы, например, «черные курильщики» на дне океана, или микроорганизмы, которые обитают на большой глубине под землей, при высоких температурах — там, оказывается, тоже богатейшая микробная жизнь. Есть пример, когда микроорганизм был описан полностью без выделения чистой культуры. Из южноафриканской золотодобывающей шахты была получена ДНК, и оказалось, что это практически чистая культура, один-единственный микроб. Был секвенирован его геном и описаны все его свойства, но получить его рост в лабораторных условиях так до сих пор никому и не удалось.
7
В принципе, дело будущего — это когда из одной клетки секвенируется полный геном этого организма. Это уже происходит, это дорого, сложно, но это уже есть. И в принципе для биотехнологии можно будет взять из этого генома интересующий ген, получить необходимый белок, ну и так далее. И все же до заката чистых культур еще далеко.
