В последнее десятилетие данные секвенирования, полученные в ходе крупных микробиомных проектов, показали, что таксоны имеют неравномерное географическое распределение, что ставит вопросы о геопространственной динамике, формирующей природные микробиомы и распространение генов резистентности к противомикробным препаратам (AMR).
Для ответа на эти вопросы необходимо различать местные и неместные микроорганизмы и определять места происхождения последних. Прогнозирование мест происхождения и маршрутов миграции микробиоты предполагалось в течение десятилетий, но его затрудняло отсутствие данных, инструментария и понимания процессов, определяющих биоразнообразие. Современные биогеографические инструменты страдают от низкого разрешения и не могут предсказать биогеографические закономерности в масштабе, важном для экологических, медицинских или эпидемиологических задач.
Исследовательская группа из Университета Лунда (Швеция) разработала инструмент искусственного интеллекта, который отслеживает места, где вы недавно побывали. Он работает как спутниковая навигационная система, но вместо того, чтобы определять ваше местоположение с помощью спутников, он определяет географический источник микроорганизмов. Это значит, что по бактериям можно определить был ли человек на пляже, сошел с поезда в центре города или прогулялся по лесу. Таким образом, открываются новые возможности в медицине, эпидемиологии и криминалистике.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Genome Biology and Evolution, авторы представляют метод Microbiome Geographic Population Structure (mGPS). Это уникальный инструмент, использующий революционную технологию искусственного интеллекта для локализации образцов в конкретных водоемах, странах и городах. Исследователи обнаружили, что многие места имеют уникальные популяции бактерий, поэтому, когда вы касаетесь поручня на вокзале или автобусной остановке, вы собираете бактерии, которые затем могут быть использованы для привязки вас к конкретному месту.
«Анализируя городские, почвенные и морские микроорганизмы, мы обнаружили, что некоторые таксоны демонстрируют регионально-специфический состав и численность, что позволяет использовать их в качестве биогеографических биомаркеров. В отличие от ДНК человека, его микробиом постоянно меняется, когда мы вступаем в контакт с различными средами. Проследив, в каких местах в последнее время побывали ваши микроорганизмы, мы сможем понять, как распространяется заболевание, определить потенциальные источники инфекции и локализовать возникновение микробной резистентности. Такое отслеживание также дает криминалистические ключи, которые могут быть использованы в уголовных расследованиях», - поясняет Эран Эльхаик, ученый-биолог из Лундского университета, возглавивший новое исследование.
«Мы проанализировали обширные массивы данных образцов микробиомов из городской среды, почвы и морских экосистем и обучили модель искусственного интеллекта определять уникальные пропорции этих "отпечатков пальцев" и связывать их с географическими координатами. В результате получился очень мощный инструмент, который позволяет с впечатляющей точностью определить место происхождения образца микробиома», - говорит Эльхаик.
По словам исследователей, этот прорыв стал возможен благодаря огромному объему данных о микробиоме из различных сред, включая 4 135 образцов из систем общественного транспорта 53 городов, 237 образцов почвы из 18 стран и 131 образец из девяти водоемов. Исследовательской группе удалось точно определить источник в 92% городских образцов. В Гонконге исследователи с точностью 82% определили станцию метро, с которой были взяты образцы. А в Нью-Йорке mGPS смог различить микробиом киоска и поручней всего в одном метре от него. Учитывая, что в будущем объемы данных о микробиоме будут расти, Элхаик оптимистично полагает, что это только начало новой эры в криминалистике.
«Мы продемонстрировали, что mGPS отличает местные микроорганизмы от неместных, и использовали его для отслеживания глобального распространения генов AMR. Способность mGPS локализовать образцы по водному объекту, стране, городу и транзитным станциям открывает новые возможности для отслеживания микробиомов и находит применение в криминалистике, медицине и эпидемиологии. Мы только начали понимать взаимосвязь между микроорганизмами и окружающей средой. Сейчас мы планируем составить карту микробиомов целых городов, что может стать толчком для криминалистических расследований и позволит нам лучше узнать организмы, населяющие наши улицы, сады, кожу и тела», - отметил Эльхаик.
