Современные дискуссии о микробиоме могут заставить вас подумать, что концепция микробиома является относительно недавним открытием.
Однако, несмотря на новое и преимущественно медицинское внимание, на самом деле эта концепция уходит своими корнями в ранние времена микробной экологии. Распространено мнение, что нобелевский лауреат и микробиолог Джошуа Ледерберг впервые ввел термин "микробиом" в 2001 году. Это привело к спорам о том, в каких случаях и насколько уместен термин "микробиом".
Один из аргументов заключается в том, что поскольку слово "микробиом" происходит от терминологии семейства "омики", его следует использовать для описания коллективных геномов видов микроорганизмов, а само сообщество организмов следует называть "микробиотой". Хотя этот аргумент звучит разумно, слово "микробиом" на самом деле не является производным от "омики". Можно найти и более старые варианты его использования. Например, в 1988 году Уиппс и его коллеги использовали термин "микробиом" для описания совокупности микроорганизмов и их деятельности в определенной среде. Они заявили:
"Удобной экологической основой для изучения систем биоконтроля является микробиом. Его можно определить как характерное микробное сообщество, занимающее достаточно четко определенную среду обитания, которая обладает выраженными физико-химическими свойствами. Таким образом, этот термин относится не только к микроорганизмам, но и охватывает весь спектр их деятельности". (Whipp, et al., 1988. Fungi in Biological Control Systems. Manchester University Press).
Действительно, "микробиом" - это сочетание микроба и биома, описывающее микробную экосистему, ее обитателей и все остальное, а не только геномы. Хотя этот термин относительно недавно вошел в наш научный лексикон, основная концепция и важность работы над микробиомом восходят к самому началу микробной экологии и к работам Сергея Николаевича Виноградского конца 19-го века.
Сергей Виноградский родился в 1856 году в Киеве. В юные годы он отлично учился в школе, которую закончил с золотой медалью. Однако во время учебы в университете ему с трудом удавалось удовлетворить свой любознательный ум. Только после изучения права, а затем игры на фортепиано Виноградский окончательно решил заняться научными исследованиями. Сначала он работал в лаборатории ботаника Андрея Фаминцына, изучая Mycoderma vini, известную в то время как чума сахарной свеклы, а сегодня как виновницу порчи вина. Позже, под руководством немецкого ботаника Антона деБари, Виноградский изучал рост и метаболизм Beggiatoa.
В то время об этой нитчатой бактерии было известно немного, кроме ее способности накапливать гранулы серы в естественной среде серных источников. Виноградский установил, что 1) Beggiatoa способна окислять сероводород (H2S), что и приводит к образованию гранул, и 2) делает это в природе, мигрируя в узкую область, где сосуществуют O2 и H2S. На базе этих исследований Виноградский сформировал базовое понимание хемолитотрофии - способности получать энергию за счет окисления неорганических соединений, таких как H2S. Позже он развил это понятие, сформировав понимание автотрофии - способности производить питательные вещества из неорганических веществ с помощью световой или химической энергии. Из этой работы возникли концепции серного и азотного циклов (процессы, посредством которых эти элементы перемещаются в окружающей среде и живых организмах).
Именно во время работы в Швейцарском политехническом институте в Цюрихе в 1888-1891 годах Виноградский начал пытаться собрать воедино участие микроорганизмов в азотном цикле, в частности, этапы нитрификации (окисление аммиака до нитритов и нитратов). Позже он продолжил эту работу в Императорском государственном институте экспериментальной медицины в Санкт-Петербурге в качестве руководителя отдела общей микробиологии в 1891-1905 годах. Путем множества проб и ошибок, усугубленных его ошибочным предположением, что нитрификация происходит в один этап и осуществляется только одним микроорганизмом, он в конце концов раскрыл тонкий баланс двухэтапной нитрификации и процесса фиксации азота (процесс ассимиляции азота из атмосферы в органические соединения, например, в аммиак).
Имитируя естественные условия почвы, Виноградский наблюдал как аэробные бактерии нитрификации смогли снизить уровень кислорода до такой степени, что анаэробный азотфиксатор Clostridium pasteurianum смог расти и фиксировать азот. Это открытие подтвердило взаимосвязь микроорганизмов, которые занимают ниши, созданные деятельностью своих соседей, и используют продукты одного метаболического пути в качестве субстратов для другого. Именно из этого наблюдения Виноградский сделал вывод о необходимости изучения микроорганизмов в их естественных условиях.
Так возникла микробная экология как направление исследований, которое изучает микробы в процессе их взаимодействия друг с другом и в контексте окружающей среды, будь то водная, наземная, атмосферная среда, живой хозяин или их совокупность.
На основе этого понимания была разработана знаменитая колонна Виноградского - устройство для культивирования, позволяющее исследователям изучать микробы, взаимодействующие друг с другом в естественных условиях. Хотя колонны Виноградского украшают кабинеты микробиологических экологов благодаря их завораживающему изменению цвета и историческому значению для этой области, эти устройства по-прежнему используются для выделения микробов с желаемыми свойствами и для ознакомления студентов с микробными сообществами при изучении влияния деятельности человека на различные экосистемы. Изучение микробиомов также использует эту фундаментальную экологическую концепцию настолько, что большое количество предшествующих исследований микробных популяций и микробов в окружающей среде может быть переименовано в работы по микробиомам.
Почему вопрос о происхождении термина является важным? Для начала, необходимо знать подлинную историю исследований микробиома, потому что она ведет ученых к множеству статистических методов и экспериментальных методик, которые были разработаны за эти годы для решения конкретных вопросов, связанных с микробиомом. Как точно подметил Виноградский, микроорганизм при непрерывном культивировании ведет себя иначе, чем в естественной среде обитания. В своей работе, опубликованной в 1949 году, он писал:
"...состояние чистой культуры в искусственной среде никогда не сравнится с состоянием в естественной среде... нельзя оспорить представление о том, что культивируемый микроорганизм, защищенный от любых живых конкурентов и роскошно питаемый, побуждается за короткий промежуток времени стать новой разновидностью, которую невозможно идентифицировать с ее прототипом без специального изучения". (Виноградский, 1949)
Микробы ведут себя в лаборатории иначе, чем в своей родной среде обитания, что ограничивает понимание исследователями того, что происходит в среде обитания или даже в организме пациента. Микробная экология имеет долгую историю решения этой проблемы сбора информации путем изучения микробов непосредственно в их естественной среде обитания, воспроизведения природных условий в контролируемых исследованиях и работы с культурами, только недавно выделенными из окружающей среды, а не постоянно культивируемыми в лаборатории. Новые исследования, направленные на изучение микробных популяций в организме человека и в других местах, могут воспользоваться результатами предыдущих экспериментов.
Важно признать общность этих, казалось бы, далеких друг от друга областей микробиологии. Если мы рассматриваем планету как организм пациента с системами газообмена, распада и накопления энергии, удаления и повторного использования старых компонентов в новые, а также с недомоганиями и заболеваниями, то изучение этих процессов - экологическая микробиология и микробная экология - является медицинским эквивалентом изучения анатомии и физиологии планеты.
В конечном счете, эти знания дают нам информацию о стратегиях поддержания и улучшения здоровья нашей планеты. Вы бы не захотели обратиться к врачу, который не понимает анатомию или физиологию человека, и не стали бы принимать непроверенное лечение заболевания. Так и в случае с глобальной окружающей средой нам необходимо понимать, как работает система, чтобы рекомендовать методы, которые могут эффективно "лечить", " вылечить" или, в идеале, предотвратить заболевание.
Одним из наиболее интересных результатов исследования микробиома является возможность создать связи между отдаленными полюсами медицинской и экологической микробиологии, чтобы укрепить сотрудничество и привести к лучшему пониманию для всех.
