Археи: темная материя микробного мира

Микробиология всегда стремилась признать масштаб неизвестного. Вначале было неизвестно, что микробы вообще существуют. Изобретение микроскопа доказало, что эти крошечные одноклеточные организмы живут вокруг нас. Затем изобретение секвенирования ДНК помогло выявить все разнообразие микробов в природе, 99 процентов которых невозможно вырастить и изучить в лаборатории. Оказывается, не все разнообразие. Три области, из которых состоит вся жизнь на Земле, — это бактерии, археи и сложная жизнь (включая нас, людей). А новое исследование микробиомов кишечника обнаруживает, что обычный метод секвенирования ДНК не учитывает 90 процентов разнообразия архей — одноклеточных организмов, составляющих часто забываемый третий домен. Археи и бактерии являются микробами — микроскопическими и одноклеточными, но не совершайте ошибку, как когда-то  сделали ученые, полагая, что они в основном похожи. Археи одновременно чужды и близко знакомы. Многие из самых известных из них — экстремофилы, которые живут в суровых условиях, например, в горячих источниках. Тем не менее, археи могут быть эволюционно более тесно связаны с нами — многоклеточными людьми, чем с бактериями. «Когда я говорю людям, что работаю с археями, большинство людей даже не знают, что это такое», — сказала Кэси Рэйманн, микробиолог из Техасского университета в Остине и автор исследования. Рэйманн и ее коллеги хотели изучить архей, живущих в кишечнике людей, а также других видов крупных обезьян, таких как бонобо, гориллы и орангутаны. Поэтому они использовали типичный метод: во-первых, найдите обезьяньи помадки. А во-вторых, извлеките из него ДНК. Ученые, ищущие микробное разнообразие, обычно секвенируют участки одного конкретного гена, называемого 16S рРНК. Чтобы найти его, они используют праймеры, два коротких фрагмента ДНК, которые соответствуют началу и концу области, которую они хотят секвенировать. Праймеры прилипают к двум концам, а ферменты набрасываются, чтобы скопировать фланкированную область тысячи или миллионы раз. Именно эти копии секвенируются. Что до сих пор типично, команда использовала «универсальные праймеры», которые должны улавливать как бактерии, так и археи. Но они также секвенировали свои образцы во второй раз, используя специфичные для архей праймеры. Разница была огромной. У людей универсальные праймеры обнаружили только один тип архей; специфических праймеров найдено 37. Орангутаны: от 161 до 7. Гориллы: от 135 до 7. Бонобо: от 71 до 6. Шимпанзе: с 69 до 7. Наиболее распространенной группой архей, обнаруженных командой, были метаногены, производящие метан. Почему несоответствие? Во-первых, архей, как правило, меньше в кишечнике, чем бактерий, поэтому их сложнее найти способом, похожим на иголку в стоге сена. Во-вторых, могут быть дефектны сами праймеры. Если последовательность ДНК на праймерах не полностью совпадает с последовательностью гена, праймеры иногда не прилипают. «Универсальные грунтовки», как правило, разрабатываются с учетом хорошо известных бактерий. Неизвестные группы бактерий подвержены смещению праймеров, но особенно это касается архей. «Это хороший шаг вперед и подтверждение», — сказал Джек Гилберт, эколог-микробиолог из Чикагского университета, не принимавший участия в исследовании. Гилберт сказал, что хотел бы, чтобы ученые использовали эти специфические для архей праймеры в различных средах — например, в океане или почве — чтобы увидеть, действительно ли там скрывается больше разнообразия архей, чем считалось ранее. Архей действительно не замечали. На заре микробиологии ученые полагались на культивирование микробов. Археи, обитающие в экстремальных условиях, таких как горячие источники, не очень хорошо питаются чашками Петри в лабораториях. «Их очень трудно культивировать. Это очень сложно»,  — говорит Райманн. Получается цикл: археи сложно изучать, поэтому ученые их не изучают. Поскольку они их не изучают, они мало о них знают. Поскольку они мало знают о них, они не знают, как лучше всего их изучать путем культивирования или секвенирования. И так далее. «Все это способствует предвзятости в базе знаний об архее», — говорит Таня Войке, микробиолог Объединенного института генома Министерства энергетики США. В последние годы микробиология перешла к более продвинутой технике секвенирования, называемой метагеномикой, которая секвенирует весь генетический материал в образце, а не только часть гена 16S рРНК. Метагеномика все еще слишком дорога, если вы хотите сравнить тысячи образцов, но небольшие исследования микробиома сейчас часто полагаются на метагеномику. Но даже в этой новой причудливой технике могут быть предубеждения. Метагеномика требует измельчения всего генетического материала в образце и объединения этих коротких фрагментов вместе с использованием геномов известных организмов для справки. Поэтому, если ваш образец содержит новый микроб, который никогда раньше не секвенировался, вы не найдете его, сравнивая его с известными геномами. Вы не можете искать то, о существовании чего не знаете. (Есть способы провести метагеномику без эталонных геномов, но они требуют больших вычислительных мощностей.) Микробы, которые, скорее всего, не имеют эталонного генома, — это, конечно, археи. Например, база данных генома Объединенного института генома насчитывает около 50 000 бактерий и всего 1 000 архей. «Если у вас есть только 1000 ссылок на архей, то вероятность того, что вы найдете совпадение, будет намного ниже», — говорит Войке. Вот почему Войк работает над проектом Microbial Dark Matter, который генерирует эталонные геномы малоизвестных микробов. «Темная материя» здесь включает в себя как бактерии, так и археи (но особенно археи), которые микробиологи не смогли культивировать и никогда полностью не секвенировали. Лаборатория Войка берет образцы из отдаленных мест — вентиляционных отверстий на дне океана или золотых рудников — и выделяет микробные клетки одну за другой. Команда секвенирует ДНК этих микробов, по одной клетке за раз, медленно заполняя неизвестное на древе жизни. источник