Хранители микробной галактики
Коллекции культур бактерий играют в науке неоценимую и важнейшую роль.
В 1986 году Иу-Квок Чан из Департамента сельского хозяйства Канады выявил новый вид бактерий. Следуя стандартному протоколу, он депонировал его в Американскую коллекцию типовых культур (ATCC), хранилище штаммов микроорганизмов. Штамм пролежал там несколько десятилетий - до 2020 года, когда Роланд Вильгельм, исследователь Корнелльского университета, заметил, что он имеет поразительное сходство с другой группой бактерий.
Вильгельм получил флакон со штаммом Чана из ATCC и использовал новую технологию секвенирования ДНК для подтверждения того, что штамм 1986 года на самом деле является разновидностью бактерий Paraburkholderia, которую он изучал. Это открытие стало возможным только благодаря коллекции бактерий, которая служит ключевым связующим звеном между этими двумя исследователями из разных научных эпох.
Сканирующая электронная микрофотография двух реплицирующих клеток Paraburkholderia madseniana RP11 на фоне целлюлозных волокон. Фото: Википедия.
Отслеживание глобальной эволюции микроорганизмов является сложной задачей. Микробы образуют новые виды быстрее, чем многие другие живые организмы, а число ученых, занимающихся микробными видами, с годами неуклонно растет. Однако, по некоторым оценкам, темпы исчезновения бактерий близки к темпам формирования новых видов.
Известно, что микробы необходимы для круговорота питательных веществ, продуктивности сельского хозяйства и здоровья почвы, производства антибиотиков и противораковых соединений, а также для защиты здоровья кишечника и иммунной системы. Однако мы все еще изучаем и изучаем мир микробов, что делает еще более важным заботу об их сохранении. Коллекции культур сохраняют микробное разнообразие, точно так же, как семенные банки сохраняют генетическое разнообразие растений.
Всемирный центр данных по микроорганизмам сообщает о коллекциях культур микробов почти во всех частях мира, и вместе они содержат более двух миллионов бактериальных, грибковых и вирусных культур. Это число составляет лишь малую часть микробного разнообразия Земли.
Коллекции культур микробов могут получать образцы из любой точки мира, но в одних коллекциях их удается собрать больше, чем в других. Jena Microbial Resource Collection (JMRC) получает культуры со всего мира, но по словам Майкла Рамм, сотрудника JMRC, в особенности много из азиатских стран. Некоторые страны или учреждения в настоящее время являются центрами обнаружения микробов и в них предпринимаются крупномасштабные усилия по их выделению. Мы часто слышим о "горячих точках" биоразнообразия и предостерегающих историях вымирания редких видов, но сохранение микробов лишь иногда является частью публичной дискуссии.
Одна из причин, по которой мы не думаем о сохранении микробов, заключается в том, что большинство микробов невидимы невооруженным глазом и трудно растут вне своей естественной среды обитания; менее 2 % бактерий окружающей среды могут быть выращены в лаборатории. Это делает хранение и выращивание микробов сложным процессом, который требует поиска труднодостижимого сочетания питательных веществ, солей и атмосферных условий. Ученым могут потребоваться месяцы или даже годы, чтобы выделить микроорганизм из среды обитания.
Исследователям нужны глобальные коллекции культур, чтобы обеспечить долгосрочное сохранение ценных культур. Кирк Бродерс, куратор коллекции культур NRRL в Пеории, штат Иллинойс, в предвкушении потенциала таких коллекций. "Связь и обеспечение ресурсами исследователей со всего мира, которые проводят классные исследования... это самая захватывающая часть моей работы. Существует также простая радость культивирования - восхищение красочным зверинце красивых грибов и бактерий".
На первый взгляд может показаться, что эти коллекции просто каталогизируют культуры, подобно музею микробов. Однако истинная ценность этих хранилищ заключается в их потенциале для науки: в этих флаконах может скрываться следующий новый антибиотик, соединение, излечивающее от рака, или микроб, снижающий выброс парниковых газов. "В науке трудно предсказать, какие штаммы могут стать клинически значимыми", - говорит Сара Александер, куратор Национальной коллекции типовых культур (NCTC). "Когда ученый депонирует штаммы, этот материал доступен следующему поколению ученых и всегда будет востребован".
Коллекции позволяют ученым убедиться в том, что штамм, с которым они работают сегодня, тот же, который использовался 30 лет назад, как в случае, описанном Вильгельмом. Именно поэтому многие коллекции культур начинают ужесточать ограничения для того, чтобы представленный штамм был признан официальным членом коллекции. В прошлом микроскопическое исследование культуры могло бы оказаться достаточным, но сегодня такие хранилища, как NRRL, начинают требовать дополнительные меры безопасности, которые предотвращают контаминацию: генная характеристика представленного штамма должна соответствовать тому, что обнаружил ученый в лаборатории.
К тому же многие микробы могут эволюционировать очень быстро и даже несколько месяцев жизни в лаборатории могут привести к тому, что штамм будет выглядеть по-другому, нежели в тот момент, когда он был впервые идентифицирован. Как только микробиолог проверит, что генные характеристики совпадают, штаммы будут храниться с помощью криоконсервации, процесса длительного хранения при ультранизких температурах или мгновенного замораживания в жидком азоте.
Коллекции культуры, несомненно, являются важнейшими объектами, которые помогают сделать науку более открытой, основанной на сотрудничестве и воспроизводимой. Они сохраняют нынешнее микробное разнообразие Земли и могут содержать в себе микроскопические ключи для решения многих насущных глобальных проблем. Они также являются библиотеками микробного мира, и каждый штамм имеет уникальную историю -
первый штамм бактерий (Shigella flexneri), попавший в NCTC, был выделен от неизвестного солдата Первой мировой войны и использовался для борьбы с дизентерией.
"Поддержание, сохранение и рост коллекции, которая содержит более 6000 штаммов более чем 900 различных видов бактерий - это привилегия. Коллекция культур - это биологическое хранилище... где мы можем сохранить эти живые экспонаты, чтобы обеспечить их доступность для исследований", - говорит Сара Александер.
