Глядя на Escherichia coli, не скажешь, что она имеет большое значение.
Тем не менее, благодаря этой невзрачной клетке мы понимаем фундаментальные жизненные процессы (например, репликацию и транскрипцию ДНК). Благодаря своему быстрому росту и адаптивности кишечная палочка уже много лет занимает первое место в списке «модельных организмов» и не собирается сдавать позиции. Но E. coli - это лишь маленький фрагмент обширного микробного мира; в век стремительно развивающихся технологий ученые регулярно обнаруживают множество бактерий внутри, на нас и вокруг нас. Сосредоточившись на кишечной палочке и других модельных микробах, что мы не замечаем? Насколько то, что мы знаем о кишечной палочке, применимо к бесчисленным бактериям, населяющим нашу планету? Эти вопросы побудили исследователей переосмыслить нашу увлеченность суперзвездой микробиологии и рассмотреть, что может и должно быть моделью в будущем.
Почти 150 лет назад австрийский ученый и врач Теодор Эшерих выделил палочковидную бактерию из кишечника младенца. Это была кишечная палочка, которая в дальнейшем произвела революцию в науке. E. coli - выносливый микроб с коротким периодом генерации, гибкими требованиями к росту и генетической податливостью, что послужило причиной его раннего внедрения в качестве объекта изучения лабораториями и дальнейшего изучения вплоть до сегодняшнего дня. Эти черты - быстрый рост и относительно легкая манипулируемость - микроб разделяет с другими модельными организмами, такими как плодовые мушки и мыши. Ученые изучают такие организмы, чтобы получить знания, которые можно экстраполировать на другие виды. «Реальный мир огромен», - говорит Бретт Бейкер, доцент кафедры интегративной биологии и морских наук Техасского университета. Чтобы сузить круг вопросов, отметил он, ученые часто фокусируются на подгруппе ключевых организмов и применяют полученные результаты к "большому миру".
В этом отношении кишечная палочка хорошо послужила исследователям. За свою богатую историю она стала источником таких важнейших открытий, как раскрытие генетического кода, регуляция генов, стохастичность мутаций и горизонтальный перенос генов, а также других. Бактерия также доказала свою неоценимость в генной инженерии и биотехнологии. Чем больше изучалась кишечная палочка, тем больше ресурсов и методов было создано для ее изучения, что привело к новым открытиям, которые легли в основу разработки дополнительных методов и ресурсов. Этот самовоспроизводящийся цикл характерен для модельных организмов - исследователи используют их, потому что это легко и доступно и чем больше они их используют, тем легче и доступнее они становятся.
Отвечая на вопрос о том, как кишечная палочка стала таким гигантом, каким она является, Пол Дженсен, доцент кафедры биомедицинской инженерии Мичиганского университета, указал на инерцию. «Вещи, о которых мы много знаем, - это те вещи, для которых у нас есть хорошие методы», - сказал он. «Все в науке приводит к появлению новых вопросов, [и] она просто разветвляется».
Но есть и загвоздка: «В основном все модельные организмы, те, которые наиболее изучены и по которым публикуется больше всего работ, редко встречаются в окружающей среде», - говорит Бейкер. Действительно, несмотря на свой статус «большой шишки» в исследованиях, кишечная палочка обычно не является основным членом экологических сообществ и обычно существует в микробиоме человека в небольшом количестве, за исключением, например, новорожденных у которых популяция кишечной палочки в кишечнике выше, чем у взрослых, и ее концентрация может увеличиваться и уменьшаться в течение жизни.
Технологии омики и секвенирования пролили свет на темные закоулки микробного мира. В результате расширяется список организмов, роль которых в жизненных процессах практически не изучена или неизвестна. Но этим организмам, как правило, уделяется мало внимания. Исследователи много знают о кишечной палочке, но неясно, насколько эти знания применимы к некультивируемым и/или малоизученным бактериям, живущим в разнообразных экосистемах и сообществах.
Дженсен проанализировал насколько исследования смещены в сторону "избранных" видов бактерий. Он подсчитал, сколько статей в базе данных PubMed ссылаются на 1 из более чем 43 000 известных видов бактерий в своем названии или аннотации. Результаты показали, что почти 74% видов никогда не были предметом публикации. Из тех, что были изучены, в 50% всех статей упоминаются только 10 видов бактерий. Неудивительно, что первое место занимает кишечная палочка - 21% (более 300 000) всех статей. Далее следуют Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa - 8,8 и 4,9% опубликованных статей соответственно. Бактерии в этом списке также в значительной степени связаны со здоровьем человека, а экологические организмы представлены в меньшей степени.
«Я думаю, удивительный вывод заключается в том, что мы движемся в неправильном направлении. Все становится только хуже», - считает Дженсен. Ученые открывают так много новых микробов, что потребуются годы, чтобы составить достойную базу знаний даже по нескольким из них - особенно если E. coli и ее 9 ближайших друзей продолжат доминировать». Упорно изучая уже известные организмы, бесчисленные бактериальные процессы, функции и способы существования в мире остаются загадкой.
«Мы упускаем много интересной микробиологии»,
- отмечает Дженсен. «Есть множество новых бактерий, которые обладают интересным химическим составом и живут в необычных условиях, и мы никогда не увидим их, потому что кишечная палочка так себя не ведет». Даже хорошо изученные бактерии отличаются от E. coli в основных процессах (например, в работе цикла Кребса), а также существуют вариации между бесчисленными лабораторными и природными штаммами E. coli, что подчеркивает нюансы, лежащие в основе будничного существования.
Это известное ограничение модельных систем; в конце концов, они являются моделями, а не конечной целью биологии. Но изучение бактерий, существующих в тени, может обнаружить процессы и функции, которые ценны не только для развития этой области, но и для потенциального применения для улучшения здоровья человека и планеты. Также стоит переосмыслить, что вообще представляет собой модель. Это может быть отдельный организм, например кишечная палочка, но может быть и сочетание организмов, которые взаимодействуют и зависят друг от друга в своей естественной среде обитания. Это, конечно, сложнее, но, возможно, более биологически релевантно.
Когда речь заходит о неисследованных микробах, ученым, возможно, придется полностью отказаться от моделей. Дженсен предлагает вернуться в те времена, когда ученые еще не могли изучить молекулярные тонкости функционирования бактерий. «Нам приходилось проводить феноменологические исследования, когда мы просто выращивали бактерии и смотрели, что они делают, и пытались наблюдать за ними, прежде чем могли манипулировать ими», - говорит он. «Может быть, нам нужно дать себе передышку и позволить себе вернуться к такой науке, хотя у нас есть инструментарий для проведения более продвинутых исследований на этих [модельных] организмах».
В этом плане есть одна загвоздка: большинство бактерий в мире трудно культивировать или их никогда не культивировали. Бейкер, который использует независимые от культуры методы для изучения микробных сообществ, например, связанных с глубоководными гидротермальными источниками, подчеркнул, что люди работают с моделями потому, что их легко выращивать в лаборатории. Но, пояснил он, метагеномика в сочетании с другими аналитическими инструментами, такими как метаболомика, транскриптомика и протеомика, позволяет ученым многое узнать о микробах, не выращивая их. Можно даже заниматься генетикой некультивированных микробов. Это не значит, что культивирование не важно, просто оно не должно быть непреодолимым препятствием на пути к получению знаний об организмах - особенно если целью является их изучение непосредственно из образцов окружающей среды (т.е. не в искусственных условиях лаборатории, которые могут изменить поведение и реакцию бактерий).
Кроме того, есть способы использовать технологии для изучения неизвестных ранее бактерий. Например, Align to Innovate, научная некоммерческая организация, с которой сотрудничает Дженсен, запустила проект с использованием итеративной автоматизированной платформы фенотипирования для культивирования 1000 различных штаммов микроорганизмов в 1000 условиях. Дженсен считает, что подобная автоматизация пройдет через геномику и станет широко доступной для лабораторий. Такие усовершенствования могут упростить трудоемкие этапы изучения новых микроорганизмов, позволяя ученым понять, как новые бактерии ведут свой образ жизни. «Когда-нибудь мы будем просто помещать микроб в лабораторию, а робот будет определять его фенотипы», - говорит он. «Думаю, за этим будущее».
Чем больше это будущее становится реальностью, тем больше исследователи узнают об уникальных, загадочных и потенциально полезных микробах, населяющих наш мир. Станет ли какой-нибудь из этих микробов следующей кишечной палочкой? Возможно, нет. Но, возможно, в этом и есть главный смысл.
