FAQ: Метагеном

Совокупный геном какого-нибудь сообщества организмов называют метагеномом. Например, есть метагеном бактерий, живущих во рту человека. На самом деле это не очень точно, потому что на зубных бляшках живет одно сообщество, на языке сверху живет другое, снизу — третье и так далее. Подозревали, что бактериальные сообщества чрезвычайно разнообразны, но не было хорошего способа это разнообразие описать.

1

Одним из существенных сюрпризов, когда появились методы анализа через определение генетической последовательности, оказалось то, насколько велико разнообразие. Это сотни геномов, про большинство из которых раньше ничего не знали. Они не культивируемые, то есть мы не можем их изучать классическими микробиологическими средствами, и единственное, что мы можем с ними делать, — это изучать и сопоставлять их геномные последовательности.

2

В человеке бактериальных клеток как минимум в 10 раз больше, чем его собственных клеток. С точки зрения бактерий мы просто большой ходячий дом. Ясно, что бактериальные клетки существенно меньше, чем клетки человека, но, тем не менее, 1-2 килограмма бактерий мы с собой носим.

3

Человек — это симбиотический организм, потому что мы от бактерий, которые в нас живут, сильно зависим. Например, они взаимодействуют с нашей иммунной системой. Многие аутоиммунные заболевания, особенно аутоиммунные заболевания кишечника, являются следствием бедности бактериальной флоры: иммунная система начинает работать вхолостую. До некоторой степени наши бактерии защищает от патогенов: если у вас есть здоровое бактериальное сообщество и к вам в кишечник попали патогенные бактерии, они просто не смогут в это сообщество внедриться. Кроме того, у нас происходит обмен веществами с этими бактериями. Витамины для нас продуцирует кишечная флора: часть их мы получаем с пищей, а заметную долю делают наши кишечные бактерии.

Есть несколько международных проектов по изучению и сопоставлению микробиомов разных частей человека. Можно описывать их видовое разнообразие, а можно пытаться описывать функциональные свойства микробиомов в целом. У разных людей микробиомы индивидуальны. Известно, что у полных людей и у худых разный видовой состав бактерий, которые живут в кишечнике. Это можно исследовать экспериментально: вы берете несколько стерильных мышат, одних заражаете одними бактериями, других — другими, и даже если эти мышата из одного и того же помета, одни будут весить на десятки процентов больше других при одинаковом питании.

4

С медицинской точки зрения очень существенно влияние антибиотиков, потому что антибиотики — это то, чем убивают бактерии. Убить вы хотите патогена, но при этом вы травите и свою собственную бактериальную флору. Есть не очень аппетитная, но разумная процедура, когда у человека перед тем, как давать ему большие дозы антибиотика, собирают образцы кала и потом, чтобы восстановить кишечную микрофлору, этими образцами засевают обратно его кишечник.

Есть довольно большая группа бактерий, так называемых условно-патогенных, которые всегда присутствуют и в норме никакого влияния на человека не оказывают, а при ослаблении организма при приеме больших доз антибиотиков, при изменении микрофлоры или возникновении проблем с иммунитетом, они начинают вызывать болезни.

Типичный пример — это золотистый стафилококк, он присутствует на коже у половины людей, а рожистое воспаление при этом все-таки бывает не у всех. Большинство из этих бактерий не культивируются.

5

Есть красивые работы по метагеномному анализу Мирового океана. Крейг Вентер — один из авторов первых статей про геном человека, а его следующим большим проектом был как раз метагеномный анализ океана. Он купил яхту и проплыл от Ньюфаундленда через Панамский перешеек в Тихий океан, а по дороге зачерпывал пробы воды и потом определял последовательность геномов бактерий, которые в этих пробах жили. Про бактерии, которые населяют Мировой океан, мы знали довольно мало, а это большая доля в продукции кислорода, сравнимо с лесами, которые мы так активно защищаем. Основную часть кислорода делают одноклеточные цианобактерии в океане.

6

Есть экзотические и очень красивые примеры изучения бедных видами микробиомов, связанных с необычными условиями. Например, есть бывшая железная шахта с кислой водой, фактически это разбавленная серная кислота. Там живет несколько видов бактерий. Обычно когда вы занимаетесь метагеномикой, то реконструировать полные геномы не можете: у вас получаются кусочки. А когда видов мало и прочитано при этом очень много кусочков, то они начинаются склеиваться в полные геномы. Тут уже возможен некий гибрид метагеномных и классических микробиологических подходов.

7

Была еще чудесная история про морского червя Olavius algarvensis, у которого нет желудка. Вместо этого у него в коже живут несколько видов бактерий в симбиозе. Опять-таки определили последовательность сразу всех и описали метаболические взаимоотношения между этими видами: кто-то червю делает аминокислоты, кто-то помогает этому, поставляя субстраты для дыхания. От червя же бактериям нужно, чтобы он ползал, так как сами они не могут передвигаться на большие расстояния. Получается такой троллейбус, который перемещается туда, где нужная концентрация серы, железа, углекислого газа. По отдельности всех этих существ вырастить невозможно: они могут существовать только как единое целое. Вот такая замечательная метагеномная история.