https://biolabmix.ru/catalog/rna-transcription-mrna/?erid=LdtCKWnpq
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Мультиомика и Экологические тайны третьей планеты

Мультиомика и Экологические тайны третьей планеты

  • 338
  • 0,0
  • 0
  • 2
Добавить в избранное print
Обзор

Наша планета подобна волшебному котлу, наполненному всевозможной жизнью. Отношения между различными природными сообществами так сложны, что ученым приходится искать всё новые и новые методы исследования, чтобы разобраться с тем, что же такого замешала в «первородном бульоне» богиня Земли.

Рисунок в оригинальном разрешении.

иллюстрация Карины Илиопуло

«Магия всегда оставляет следы, мистер Поттер, порою очень приметные». С этим утверждением Дамблдора согласятся не только герои саги о мальчике, который выжил, но и современные биологи. На нашей планете творится иное волшебство — магия жизни, однако и она способна оставлять свои отметки. В окружающей среде постоянно циркулируют геномы огромного количества живых существ. Они не так приметны, как отпечатки темных заклятий, но современная наука научилась их находить и понимать. В новой статье Спецпроекта «Мультиомиксные технологии» мы увидим, как современные методы позволяют делать выводы об изменении нашего мира по незримым следам живых существ, его населяющих.

Мультиомиксные технологии

На «Биомолекуле» уже разбирались методы и технологии молекулярной биологии, в том числе протеомные и геномные. В связи с технологическим прогрессом всё чаще применяют их комбинацию, причем к ним добавляются и другие «омики». В спецпроекте «Мультиомиксные технологии» мы расскажем не столько о самих методах, сколько об их применении в самых разных областях — фундаментальной науке, медицине, экологии, сельском хозяйстве. Мы рассмотрим, как калейдоскоп множества методов позволяет лучше увидеть общую картину, ответить на интересующие ученых вопросы и продвинуться в решении практических задач.


Партнер спецпроекта — аффилированные компании «Филип Моррис Интернэшнл» в России, ФМИ (PMI Affiliates in Russia).

Экология — относительно молодая наука. Ее интересы лежат в поле взаимодействия различных компонентов как живой, так и неживой природы. Разнообразие жизни на Земле и обилие экологических факторов заставляют ученых постоянно искать всё новые методы изучения сложных процессов, происходящих в природных сообществах. Традиционный подход к изучению биосферы основывается на формулировке выводов в рамках логики «от факторов среды, сформировавших те или иные приспособительные особенности — к этим самым признакам». Однако современные исследования показывают, что взаимодействие между организмами и окружающей их средой на деле оказываются гораздо более сложным, чем простая адаптация к изменившимся условиям. Например, с появлением эпигенетики [1] мы узнали, что окружающий мир способен влиять на то, как наш организм реализует свой генетический материал. Для понимания многих экологических закономерностей это стало краеугольным камнем, заставившим ученых изменить парадигму своих исследований. И омиксные технологии, безусловно, им в этом помогли.

Схема мультиомиксного подхода к организации экологических исследований

Рисунок 1. Схема мультиомиксного подхода к организации экологических исследований. При помощи метода дробовика производится секвенирование ДНК из окружающей среды (в итоге ученые получают MAG — геномы присутствующих в биоценозе микроорганизмов, собранные из их метагеномов). Изучение живых культур биоценоза основано на секвенировании ДНК одиночных клеток, присутствующих в среде (SAG). Наконец, анализ ампликонов 16S рРНК помогает уточнить таксономическую принадлежность микроорганизмов, «пойманных» при помощи MAG и SAG. Обработка полученных данных позволяет делать выводы о пищевых цепочках, симбиотических отношениях и экологической нише различных микроорганизмов. Такие исследования полезны для моделирования изменений климата, оценки рисков цветения воды или прогнозирования вспышек инфекционных болезней.

иллюстрация Карины Илиопуло на основе [4]

В первой статье Спецпроекта, посвященного мультиомиксным технологиям, мы уже разбирали то, как работают геномика, протеомика, транскриптомика, метаболомика и многие другие новые области биологического знания, содержащие в своем названии ту самую «-омику» [2], [4]. В экологических исследованиях весь этот инструментарий тоже находит применение, с одним интересным «но» — почти все они имеют приставку «мета-». Это означает, что изучаемый материал был извлечен не из живого организма, а из окружающей среды. Анализ таких «следов» жизни — генов или их функциональных продуктов (белков и РНК) — меняет традиционный взгляд на организацию экологических исследований и позволяет делать выводы в обратном направлении: «от метагенома (или, например, метатранскриптома), попавшего в среду из живых организмов, — к факторам, его сформировавшим» (рис. 1) [3].

Для экологических исследований появление метагеномики стало по-настоящему прорывным событием. Оно позволило перейти от секвенирования наследственного материала клеток одного вида к анализу генов целых бактериальных сообществ. Началось всё с анализа отдельных ампликонов. Самым известным маркером таксономической принадлежности бактерий стала последовательность генов 16S рРНК прокариот. Затем, по мере накопления материала и его описания, это всё переросло в целые библиотеки метагенома природных сообществ. Именно так появился на свет проект «Микробиом Земли», ныне содержащий в себе тысячи каталогов информации о некультивируемых в лабораторных условиях микроорганизмах и особенностях их экологии [5].

Мультиомиксные технологии позволяют глубже понять экологические условия, в которых происходило формирование тех или иных природных сообществ. С их помощью ученые научились получать порою весьма неожиданные выводы о процессах, протекающих в экосистемах. Так давайте присоединимся к ним и узнаем, что же такого смог рассказать анализ больших данных о магии жизни, творящейся в трех оболочках Земли: атмосфере, литосфере и гидросфере.

I. Атмосфера: глобальное потепление

Проблема глобального потепления — пожалуй, одна из самых обсуждаемых экологических тем в масс-медиа. Сложные для понимания процессы всегда порождают массу конспирологических спекуляций; не обошлось без теорий заговора и в случае планетарного изменения климата. Например, появление в мировой экономике такого виртуального товара, как углеродные кредиты только поспособствовало росту числа сомневающихся в антропогенной природе устойчивого роста температуры на Земле в последние годы. Действительно, ведь если одно предприятие заработало так называемую «углеродную единицу» путем снижения выделения парниковых газов в атмосферу и потом продает право на этот самый выброс другой фирме на специальной бирже, то это дает повод заподозрить их в сговоре, ведь люди в буквальном смысле торгуют воздухом!

Значительный вклад хозяйственной деятельности человека в глобальное потепление уже довольно давно перестал быть острым дискуссионным вопросом в науке, однако изучение причин такого сложного явления и прогноз его влияния на нашу жизнь продолжает занимать умы ученых [9], [10]. Здесь нужно отметить, что сама по себе сила современного потепления не уникальна. Наша планета видала времена и погорячее, поражает совсем другое — скорость потепления. Например, в эоцене было в среднем на 12 градусов теплее, чем сейчас. Со времени же окончания Последнего ледникового периода (около 10 000 лет назад) до наших дней температура выросла на 6 oC, зато всего лишь за один ХХ век рост показателя составил целый градус [11]! Всё это заставляет ученых искать новые достоверные средства исследования и прогнозирования ускоренных темпов потепления.

Перед тем как начать говорить о неочевидных причинах потепления, для начала всё же развенчаем популярный экологический миф. Сам термин «парниковый эффект» стараниями СМИ носит в общественном сознании скорее негативный характер. Люди привыкли говорить о вкладе соединений углерода (таких как углекислый газ, метан или сажа) в потепление, но нам стоит помнить, что самый мощный парниковый газ — это вода! Точнее, ее пары, циркулирующие в атмосфере. Их вклад в формирование теплового состояния нашей атмосферы находится в пределах 36–72%; соединения углерода суммарно дают не более 35%, остальное приходится на долю озона. Климатологи подсчитали, что если бы пары воды не создавали парникового эффекта, то среднегодовая температура на поверхности Земли была равна −20,4 oC (сейчас она составляет около +15 oC) [12].

Что же, климат — тема горячая во всех смыслах этого слова. Глобально изменить количество воды в атмосфере люди не в силах (во всяком случае пока, к счастью), зато увеличить долю углерода мы вполне способны. При этом карбоновое загрязнение может изменять температуру нашей планеты совершенно разными путями. С одной стороны, парниковые газы мешают земной поверхности рассеивать инфракрасные лучи и таким образом сбрасывать в космос излишки поглощенной солнечной энергии. С другой — сажа создает в атмосфере своеобразный экран, впитывающий тепло. Это приводит к формированию «температурной инверсии», при которой приземный воздух оказывается холоднее расположенных выше слоев. Всё это уже звучит внушительно, но сложности здесь не заканчиваются. В природе существует еще один значимый для потепления механизм, долгое время находившийся за пределами внимания ученых, — таяние льдов.

Уже само по себе сокращение площади ледяного покрова снижает отражающую способность Земли и приводит к дополнительному росту температуры, но это не единственная проблема, таящаяся во льдах. Дело в том, что вечная мерзлота представляет собой поистине гигантское хранилище законсервированного углерода — ею покрыто более 20% поверхности нашей планеты. Настолько значительное, что сейчас наука выделяет особый подцикл круговорота углерода, связанный с мерзлотой. При этом климатические модели говорят нам, что если это всё вдруг растает, то уровень парникового метана в атмосфере возрастет более чем вдвое [13].

Так при чем же тут омиксные технологии, если речь идет сугубо о физических процессах? Доктор Ян Малкольм в «Парке юрского периода» говорил, что жизнь всегда найдет выход. И был чертовски прав. На Земле существует особая экологическая группа организмов, называемая экстремофилами. Они способны выживать в очень жестких условиях. Жуткие засухи пустыни Атакама [14]? Не проблема! Сумасшедшие температуры геотермальных источников [15]? Пожалуйста! Было бы наивным полагать, что вечная мерзлота станет исключением. Холодная, величественная и на первый взгляд неподвижная, она просто кишит жизнью! Особенный интерес для науки тут представляют микроорганизмы-криофилы, прекрасно выживающие в условиях крайне низких температур [16].

Вечная мерзлота — всё же почвенное образование. Гляциологи выделяют в нем разные структуры: собственно слой многолетней мерзлоты (тот, что остается замороженным как минимум два года подряд) и активный пласт — периодически оттаивающую почву, расположенную над «вечным» уровнем (рис. 3).

Почвенный разлом на территории Аляски

Рисунок 3. Почвенный разлом на территории Аляски. Под талым «активным» слоем почвы виден более светлый слой вечной мерзлоты.

Схема подцикла циркуляции углерода в вечной мерзлоте

Рисунок 4. Схема подцикла циркуляции углерода в вечной мерзлоте. Углерод, хранящийся в замороженном виде в вечной мерзлоте, после оттаивания может попадать в почвенные экосистемы с аэробными (присутствие кислорода) или анаэробными (бескислородными) условиями. В аэробных почвах CO2 выделяется в результате микробного разложения органического углерода почвы, тогда как CH4 выделяется из анаэробных сред. Микробное расщепление органического углерода почвы может происходить в поверхностном активном слое, который оттаивает каждое лето и повторно замерзает зимой, а также в мерзлоте, когда оттаявший углерод становится доступным для разложения после того, как он мигрировал из вечномерзлого слоя в активный.

Помимо этого, внутри мерзлоты могут формироваться уникальные природные образования — термокарстовые озера: полости, накапливающие талую воду. Как правило, они образуются вследствие потепления, влекущего за собой проседание грунта. В дальнейшем в них складываются анаэробные условия, идеальные для микробных процессов биосинтеза метана. Вообще, бактерии-экстремофилы способны высвобождать заключенный в мерзлоте углерод как в активном, так и в вечнозамерзшем слоях. Отличия заключаются лишь в том, что, попадая в аэробные условия верхнего слоя, углерод превращается в углекислый газ, тогда как в термокарстовых озерах он становится метаном. Это принципиально важный момент, так как парниковый потенциал метана в 80 раз выше по сравнению с CO2 при равных массовых долях углерода в этих соединениях (рис. 4) [18], [19].

Очевидно, что в таких сложных процессах круговорота углерода должен быть задействован целый комплекс разнообразных микроорганизмов. В лабораторных условиях культивировать их невозможно — уж слишком сложно воссоздать весь спектр экологических факторов, влияющих на множество компонентов вечной мерзлоты. А ведь ученым необходимо было установить не только видовой состав микробиоты, но и то, как они влияют на динамику вечнохолодных экосистем, что существенно усложняло задачу. Смоделировать настоящее термокарстовое озеро во всем многообразии его экологических взаимодействий с аэробными сообществами — непосильная задача для «мокрой» биологии, и вот тут на помощь ученым приходит мультиомиксный подход.

Для начала они отобрали керны из трех структурных компонентов вечной мерзлоты: активного и стабильного (нетающего) слоев, а также из осадочных пород термокарстового озера на Аляске. Далее материал был проанализирован с помощью четырех омиксных подходов:

  1. Геномика помогла уточнить видовой состав микромира мерзлоты. При этом был применен уже знакомый нам анализ ампликона гена 16S рРНК — основного маркера таксономической принадлежности прокариот;
  2. Метагеномное секвенирование ДНК (МГ) было выполнено для определения вообще всех микробных генов, обнаруженных в мерзлоте;
  3. Секвенирование метатранскриптомной РНК (МТ) нужно было для установления того, какие из обнаруженных генов являются функциональными. Оно помогло ученым проанализировать новые приспособительные механизмы, возникнувшие у бактерий при адаптации к конкретным экологическим условиям (низкие температуры и дефицит кислорода);
  4. Наконец, с помощью метапротеомики (МП) был проанализирован комплекс микробных белков, содержащихся в вечной мерзлоте.

Можно заметить, что почти все из использованных авторами омиксных подходов содержат в себе приставку «мета-». В этом нет ничего удивительного, ведь цель их работы заключалась в поиске надежных маркеров прогноза скорости таяния мерзлоты на основе анализа следов жизнедеятельности микробов, циркулирующих в ней [20].

Мы знаем, что активность микроорганизмов-редуцентов, разлагающих соединения углерода и заставляющих его тем самым постепенно мигрировать в атмосферу, зависит от множества экологических факторов. На скорость этого процесса влияет температура и влажность почвы, а также доступность питательных веществ и кислорода. Вечномерзлые среды богаты оксидами железа, выполняющими функцию своеобразного природного «стоп-сигнала». Дело в том, что связанное с кислородом железо подавляет дыхание микробных сообществ вечномерзлых почв и предотвращает миграцию углерода в атмосферу. Однако эта естественная защита мерзлоты от таяния действует лишь до тех пор, пока углерод не будет отделен от оксидов железа железоредуцирующими бактериями-аэробами, что в условиях глобального потепления остается лишь вопросом времени, зачастую очень короткого. Опасность заключается в том, что разрушение связей оксидов железа с углеродными соединениями стимулирует микробное образование парниковых газов не только в аэробных условиях активного слоя. Оно также может привести к активизации деятельности архей-ацетотрофов, живущих в бескислородных термокарстовых озерах. Метаболизируя соли уксусной кислоты, метанол и метиламин, они вырабатывают метан, обладающий гигантским парниковым потенциалом [21].

Итак, проанализировав полученный материал, ученые обнаружили, что среди всех омиксных данных наиболее статистически достоверную информацию о влиянии на скорость таяния мерзлоты удалось извлечь из протеомов и транскриптомов. Авторы обнаружили в мерзлоте более 7000 различных белков; оставалось лишь разобраться в том, кому что принадлежит. Для этого они изучили соотношение вообще всех найденных в образцах генов к функциональным транскриптомам, управляющих приспособительными реакциями на холод или дефицит кислорода (MГ/MТ) (рис. 5).

Взаимосвязь между МГ, MT и MП в круговороте значимых для таяния вечной мерзлоты веществ

Рисунок 5. Взаимосвязь между МГ, MT и MП в круговороте значимых для таяния вечной мерзлоты веществ. Наиболее достоверные предикторы таяния мерзлоты получены с помощью метапротеомики для процессов образования метана в термокарстовых озерах. Маркер процессов восстановления железа из оксида (III) — окисление аммония в круговороте железа — давал статистически достоверные результаты о скорости таяния при анализе метатранскриптомов.

Исследователям главным образом попадались микроорганизмы, относящиеся к классу Chloroflexi, подтипу Proteobacteria и отделу Actinobacteria, широко распространенные на Земле в очень разных почвах, так что никакой сенсации в плане открытия новых видов здесь не произошло. Примечательным оказалось другое — наивысший коэффициент соотношения MT/MГ отмечался в вечномерзлом слое именно для ацидобактерий (Acidimicrobium ferrooxydans). Обычно железоредуцирующие бактерии очень плохо справляются с отрицательными температурами: в холодном климате Acidimicrobium ferrooxydans ранее были найдены только в геотермальных источниках Исландии. А по данным проекта «Микробиом почвы», в мерзлоте не встречались вообще никогда. Как же так вышло, что термофильные микроорганизмы прекрасно чувствовали себя вмороженными в вечные льды, да и еще продуцировали при этом свои метаболиты? В поисках ответа на этот вопрос ученые обнаружили поразительный факт. В вечномерзлом слое им в изобилии встречались протеомы, связанные с белками «холодового шока», причем анализ метатранскриптомов четко указывал на принадлежность этих белков к группе железоредуцирующих ацидобактерий! Кроме этого, в термокарстовых болотах были обнаружены следы представителей рода анаэробов Anaerolinea (A. thermophila), производящих метан. Озера, образующиеся внутри мерзлоты, подходят им по бескислородным условиям, но, как считалось ранее, были для них слишком холодны: микробиологи привыкли рассматривать род Anaerolinea исключительно как термофилов. Похоже, что приспособительные эволюционные механизмы сработали здесь стремительно, дав возможность теплолюбивым бактериям выживать в очень нетипичных для них условиях и ускорять процессы таяния вечнохолодных почв, тем самым ускоряя глобальное потепление [20].

II. Литосфера: деградация земель

Сокращение лесного покрова Земли — острая проблема для современного человечества. Именно древесные жизненные формы играют решающую роль в утилизации углекислого газа путем его связывания и дальнейшей трансформации в зеленую биомассу. В предыдущей главе мы уже рассматривали «ледяную» природу ускорения миграции углерода из почвы в атмосферу, однако причины этой проблемы многолики. Результаты недавних палеоклиматологических исследований показали, что доля двуокиси углерода начала стремительно нарастать уже в начале Новой эры. Ученые винят в этом человека, ведь именно тогда народы, проживающие на территории Евразии, резко интенсифицировали ведение сельского хозяйства. Для пастбищ и посевных полей нужно пространство, и если оно занято лесом, то участь деревьев будет печальной — люди их попросту вырубят и сожгут [22].

Что же, исследовать эти события можно по-разному. Ученые-палинологи, например, изучают деградацию лесных сообществ путем оценки изменения видового состава окаменевшей пыльцы в отложениях разных эпох [23], но можно пойти и другим путем. Технический прогресс предоставляет ученым всё более совершенные инструменты, позволяющие анализировать метагеномные и метатранскриптомные «отпечатки» активности микроорганизмов в почве и делать на их основе выводы об изменении окружающей среды. Так, появление в среде нетипичных для нее метатранскриптомов укажет на потребность микробиоты в экспрессии новых белков для приспособления к изменившимся экологическим условиям. Или же на появление в почве более приспособленных к новым правилам игры видов, вытеснивших аборигенов.

Эти методы хорошо работают именно в тандеме. Ограничившись исключительно метагеномным анализом, да еще и не зная экологической потребности организма в функциональных белках или РНК, биоинформатики всегда рискуют собрать чудовище — не существующую в природе химеру, состоящую из хаотических обрывков почвенного метагенома (рис. 6) [24].

Метагеномный и метатранскриптомный анализ образцов почвы

Рисунок 6. Метагеномный и метатранскриптомный анализ образцов почвы. С одной стороны, сумма бактериальных метагеномов в почве остается на достаточно стабильном уровне в разные периоды времени. С другой, общее количество метатранскриптомов вариабельно и может меняться в ответ на трансформацию среды обитания. По динамике их количественного и качественного состава можно делать выводы о формировании новых адаптивных функций у автохтонной микрофлоры или появлении в сообществе нетипичных видов.

Здесь нужно отметить, что методы биоиндикации загрязнения окружающей среды — далеко не новый инструмент в экологической науке, но у него есть ряд недостатков. Во-первых, ученым сложно делать уверенные выводы, если какие-то из нужных для индикации видов (так называемых индикаторных таксонов) активны лишь в определенный период года. К сожалению, на практике это не редкость. Особо чувствительные к антропогенной нагрузке организмы, как правило, имеют сезонный жизненный цикл. Следовательно, зимой в условиях климатических зон с ярко выраженной годовой амплитудой температуры их не найти. Во-вторых, классическая биоиндикация помогает нам оценить лишь видовой состав на определенной территории, а перенос локальных выводов на большие территории зачастую будет сопряжен с риском допустить фатальную ошибку. Мультиомиксные технологии помогают убрать эту проблему. Например, с помощью метагеномных и метатранскриптомных исследований ученым удалось установить, что снижение следов гена бактериальной аргиназы ARG1 в почве — надежный маркер загрязнения окружающей среды антибиотиками при нерациональном ведении сельского хозяйства [25]. Вопрос был действительно актуальным, ведь как минимум 70% циркулирующих в экосистемах антибиотиков связаны с растениеводством и животноводством. А нам, по сути, всё равно, откуда патогенные бактерии или грибы получат ген антибиотикорезистентности [26]: от человеческих или агрохозяйственных препаратов [27].

Итак, давайте всё же вернемся к агроценозам и проблеме интенсивного ведения сельского хозяйства. С одной стороны, мы знаем, что микроорганизмы очень чувствительны к антропогенному воздействию на природные сообщества. С другой — не привыкли обращать внимание на то, что недоступно нашему глазу, в то время как сокращение биоразнообразия в микромире не менее важно (а может, и более!), чем вымирание многоклеточной жизни. Микроорганизмы участвуют в круговороте важнейших элементов в природе, таких как уже знакомый нам углерод, сера, фосфор и азот. В нашем мире пока не существует Красной книги, посвященной микроскопической жизни, равно как и не создано природоохранных мероприятий для ее защиты, но ученые уже начинают говорить о критическом изменении микробиоты почв.

Для оценки степени серьезности проблемы изменения видового состава микроорганизмов в условиях их взаимодействия с различными растительными сообществами, международный коллектив авторов провел масштабное исследование почвенной микробиоты Европы: от южных районов Средиземноморья до арктических зон Скандинавского полуострова. При помощи метагеномики ученые хотели выяснить, как изменился почвенный микромир в ответ на антропогенное воздействие. Метатранскриптомный анализ дал представление о присутствии в почвах важнейших индикаторов деградации земель: патогенных грибов и клубеньковых бактерий-азотфиксаторов. Выбор изучаемых метатранскриптомов не был случайным. Накопление генетических следов грибов в окружающей среде может указывать на антропогенное загрязнение органическими отходами, в то время как дефицит азотфиксаторов отразится для сельскохозяйственной продуктивности бобовых растений, вступающих в симбиоз с клубеньковыми бактериями. Пробы почвы отбирались на территории произрастания разных типов фитоценозов: от лесов и луговых сообществ до полей, засеваемых на протяжении множества сезонов разными культурами. Для наглядности ученые упорядочили свои данные по степени нарастания сельскохозяйственной нагрузки на земли (рис. 7) [28].

Мультиомиксное исследование деградации европейских почв

Рисунок 7. Мультиомиксное исследование деградации европейских почв.

Вверху — биогеографическое зонирование Европы (цветовыми маркерами на карте показаны различные типы климата) и точки отбора проб для мультиомиксного анализа почвенной микробиоты.
Внизу — типы растительного покрова, упорядоченные по градиенту возрастания антропогенной нагрузки (землепользования). Слева направо: от наименее затронутых сельскохозяйственной деятельностью фитоценозов к полям, засеваемым агрокультурами на протяжении многих лет.

Богатство видового разнообразия удивляло — мультиомиксный подход позволил обнаружить в сумме 25 000 видов грибов и 79 000 видов бактерий на территории Европы. Но не менее поразительным оказался другой момент. Самый разнообразный видовой состав микробиоты встретился ученым именно в почвах, наиболее затронутых деятельностью человека фитоценозов. Причем эта логика четко прослеживалась в соответствии с изображенным на рисунке 7 градиентом. Количество видов микроорганизмов в почвах неуклонно росло в порядке расположения фитоценозов «слева направо», от хвойных лесов — к регулярно возделываемым полям.

Чем же не повод для радости? Ведь мы так привыкли обвинять человека в неуклонном сокращении разнообразия жизни на Земле. Что и говорить, помимо знаменитой Красной книги, в мире существует ее менее известный «брат», окрашенный в другой цвет — Черная книга — своеобразный памятник видам, безвозвратно утраченным по вине человека. Однако торопиться с выводами всё же не стоит. В результате своей работы исследователи сделали еще один, гораздо менее оптимистичный вывод. Несмотря на то, что в целом видов в землях сельскохозяйственного назначения было найдено больше, значительная их часть относилась к царству Грибы, причем среди них отмечались не только полезные для разложения органики сапрофиты, но и опасные патогены.

Это исследование заставляет по-настоящему задуматься о сложности почвенных экосистем. Новые подходы к оценке антропогенной нагрузки потенциально могут стать основой для совершенствования природоохранного законодательства, но это пока лишь далеко идущие планы. Что же, науке еще предстоит изучить широкий спектр экологических факторов, влияющих на подземные микробные сообщества, а нам пора двигаться дальше. В заключительной главе мы погрузимся в глубины океана и узнаем, что же смогли рассказать ученым омиксные технологии о самых ранних этапах развития жизни на Земле.

III. Гидросфера: вирусы-помощники

С помощью мультиомиксных технологий можно исследовать не только сообщества бактерий или микроскопических грибов. Мир вирусов — это поистине огромный и малоизученный источник информации о процессах, протекающих в экосистемах. Мы так привыкли говорить о них в контексте инфекционных заболеваний, что совсем перестали обращать внимание на другое. Вирусы сыграли огромную роль в эволюции как прокариотических, так и эукариотических организмов, встроив элементы своего генома в клетки более сложноорганизованной жизни [29].

Современные реалии заставляют людей опасаться инфекционных болезней, однако без вирусной инвазии многие приспособительные механизмы у более сложных организмов попросту не смогли бы возникнуть. Например, бактериофаги научились экспрессировать вспомогательные метаболические гены (AMG) в клетках некоторых бактерий после инфицирования. В результате этого метаболизм хозяина меняется в сторону тактики выживания, ориентированной на производство новых вирусных частиц, ведь фагам, по сути, не нужно убивать свою «жертву». Их эволюционная стратегия будет тем успешнее, чем дольше проживет зараженная бактерия. Реплицировать геном в мертвых клетках не выйдет, а значит, вирусу нужно постараться помочь хозяину прожить как можно дольше [30]. Особенно элегантно этот вопрос решили цианофаги. В процессе эволюции они выработали механизм, при котором вирусные AMG усиливают интенсивность фотосинтеза у цианобактерий (сине-зеленых водорослей), перенаправляя транспорт электронов с процессов фиксации углерода на пентозофосфатный путь, значимый для биосинтеза сахаров в темновой фазе [31].

Зачем же вирусам понадобилось стимулировать фотосинтез? Ученые уже довольно давно предположили, что именно цианобактерии сыграли важнейшую роль в эволюции жизни на Земле, насытив воды первобытного океана кислородом. И вот сейчас, с развитием мультиомиксных технологий, тому нашлось экспериментальное подтверждение. Классическими методами микробиологии подтвердить эту гипотезу было невозможно, и наука долгое время была заложником отсутствия необходимых методов исследования. Условия, в которых живут современные глубоководные сообщества эволюционно близких к своим древним прародителям цианобактерий, весьма специфичны. Воссоздать в лаборатории огромное давление толщи воды невозможно, а это значит, что абиссальные бактерии не получится культивировать in vitro в качестве модельных организмов. Анализ больших данных помог преодолеть этот барьер. С помощью метагеномики ученым удалось выделить из проб воды и грунта на дне Марианской впадины огромное количество генетического материала (рис. 8) [32].

Процесс метагеномного анализа вирусных сообществ на дне Марианской впадины

Рисунок 8. Процесс метагеномного анализа вирусных сообществ на дне Марианской впадины.

Исследователей поразило то, что 77% из обнаруженных ими метагеномов оказались абсолютно новыми для науки — они не встречались ни в одной из баз данных. Солнечный свет — дефицитный ресурс на дне Марианского желоба, и живущим там бактериям-фотосинтетикам нужно было как-то адаптироваться. Ранее мы упоминали, что цианофаги могут модифицировать метаболизм хозяина. Встроив свои AMG в геном цианобактерий, вирусы стали стимулировать критически важный для темновой фазы фотосинтеза пентозофосфатный путь превращения глюкозы. Таким образом, вирусы помогли бактериям приспособиться к самым экстремальным условиям и научиться продуцировать кислород даже в самых темных уголках океана [33].

Роль вирусов в круговороте веществ в природе этим не ограничивается. Исследования сообществ, живущих под льдами Арктики, показало, что бактериофаги также способны усиливать метаболизм бактерий-хемосинтетиков. Данные метагеномных и метатранскриптомных исследований говорят нам, что вирусные AMG содержат вспомогательные метаболические гены, также направленные на восстановление неорганических соединений серы, азота и фосфора. Ранее мы не принимали в расчет потенциал арктических бактерий в круговороте этих элементов, но с появлением мультиомиксных технологий стало известно, что их вклад в глобальный биогеохимический цикл огромен [34].

Все эти работы меняют наше представление о природе экологических взаимоотношений в разных сообществах, но какую же практическую пользу мы можем извлечь из этого? Авторы исследования, опубликованного в Nature, решили проанализировать метаболомы и метатранскриптомы северных акваторий Тихого океана. Авторы обратили внимание на наиболее бедные кислородом воды и постарались на основе анализа больших массивов данных проследить некоторые тенденции, свойственные этим зонам. Отправной точкой в их исследованиях стало уникальное экологическое свойство «жертв» цианофагов. Дело в том, что сине-зеленые водоросли способны не только к фотосинтезу, но и фиксации азота! Избыточное накопление соединений этого элемента в гидросфере — основная причина цветения воды, а цианобактерии — главные подозреваемые в этом экологическом «преступлении». Проблема, с которой сталкиваются азотфиксирующие цианобактерии, состоит в том, что ключевые ферменты азотфиксации — нитрогеназы — не могут работать в присутствии кислорода, который выделяется при фотосинтезе. Так что в разных условиях среды они реализуют две принципиально разные стратегии выживания, выбирая между фотосинтезом и азотфиксацией [35].

Ученые выяснили, что вирусные AMG оказались одинаковыми как в бедных, так и в богатых кислородом сообществах. При этом они кодировали совершенно разные приспособительные признаки, побуждая бактерий выбирать ту или иную стратегию выживания. В условиях, богатых кислородом, вспомогательные метаболические гены главным образом стимулировали фотосинтез. При недостатке кислорода вирусы всё больше побуждали цианобактерий к азотфикации (рис. 9) [35].

Схема двух стратегий выживания цианобактерий в условиях разных концентраций кислорода

Рисунок 9. Схема двух стратегий выживания цианобактерий в условиях разных концентраций кислорода. В присутствии кислорода вирусные AMG стимулируют фотосинтез. При дефиците кислорода вспомогательные метаболические гены побуждают бактерии к активизации механизмов фиксации азота.

Природа этих механизмов пока еще не до конца ясна. Мы не знаем, как именно вирусные AMG выбирают для своего хозяина ту или иную стезю выживания, но нам совершенно точно известно другое — это удивительное свойство можно использовать в качестве биоиндикации. Растворенный в воде кислород очень важен для множества живых существ, в частности, для промысловых видов рыб. Особенности функционала вирусных вспомогательных метаболических генов возможно применять в качестве предвестника обеднения воды кислородом или же использовать при оценке риска цветения воды.

Заключение

При помощи современных методов анализа больших данных мы совершили удивительное путешествие по трем оболочкам Земли. Раскрывая вместе с учеными тайны Третьей планеты, мы стали свидетелями поразительных процессов, протекающих в незримом мире микробиоты Земли. Мультиомиксные технологии помогли нам погрузиться на дно Марианской впадины, пронестись над почвенными ландшафтами Европы и заглянуть в неприступные глубины вечной мерзлоты. Инновационные подходы уже сейчас активно помогают экологам понять природу многих явлений, еще буквально пару десятилетий назад недоступных для изучения. Однако нам стоит помнить, что ни один из методов исследования сам по себе не является панацеей от всех проблем, с которыми сталкиваются ученые. Мультиомиксные данные могут многое нам подсказать, но для глубокого понимания причин происходящих в природе событий наука нуждается в применении всех доступных ей инструментов, даже если они, на первый взгляд, устарели и кажутся уже не такими модными.

Литература

  1. Молекулы‌ ‌и‌ ‌эпигеном‌ ‌;
  2. Факты и легенды о мультиомиксных технологиях;
  3. Nurfadhlina Mohd Sharef, Nurul Amelina Nasharuddin, Raihani Mohamed, Nabila Wardah Zamani, Mohd Hafeez Osman, Razali Yaakob. (2022). Applications of Data Analytics and Machine Learning for Digital Twin-based Precision Biodiversity: A Review. 2022 International Conference on Advanced Creative Networks and Intelligent Systems (ICACNIS);
  4. Felipe Hernandes Coutinho, Gustavo Bueno Gregoracci, Juline Marta Walter, Cristiane Carneiro Thompson, Fabiano L. Thompson. (2018). Metagenomics Sheds Light on the Ecology of Marine Microbes and Their Viruses. Trends in Microbiology. 26, 955-965;
  5. Jack A Gilbert, Janet K Jansson, Rob Knight. (2014). The Earth Microbiome project: successes and aspirations. BMC Biol. 12;
  6. Kathleen L. Farquharson. (2008). A Sesquiterpene Distress Signal Transmitted by Maize. Plant Cell. 20, 244-244;
  7. Жасмонаты: «слёзы феникса» из растений;
  8. Masataka Kajikawa, Nicolas Sierro, Haruhiko Kawaguchi, Nicolas Bakaher, Nikolai V. Ivanov, et. al.. (2017). Genomic Insights into the Evolution of the Nicotine Biosynthesis Pathway in Tobacco. Plant Physiol.. 174, 999-1011;
  9. John Cook, Dana Nuccitelli, Sarah A Green, Mark Richardson, Bärbel Winkler, et. al.. (2013). Quantifying the consensus on anthropogenic global warming in the scientific literature. Environ. Res. Lett.. 8, 024024;
  10. A. Park Williams, Edward R. Cook, Jason E. Smerdon, Benjamin I. Cook, John T. Abatzoglou, et. al.. (2020). Large contribution from anthropogenic warming to an emerging North American megadrought. Science. 368, 314-318;
  11. Susan Solomon, Karen H. Rosenlof, Robert W. Portmann, John S. Daniel, Sean M. Davis, et. al.. (2010). Contributions of Stratospheric Water Vapor to Decadal Changes in the Rate of Global Warming. Science. 327, 1219-1223;
  12. J. T. Kiehl, Kevin E. Trenberth. (1997). Earth's Annual Global Mean Energy Budget. Bull. Amer. Meteor. Soc.. 78, 197-208;
  13. Charles D. Koven, Bruno Ringeval, Pierre Friedlingstein, Philippe Ciais, Patricia Cadule, et. al.. (2011). Permafrost carbon-climate feedbacks accelerate global warming. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 108, 14769-14774;
  14. Бактерии из камней Атакамы готовы покорять Марс;
  15. Экстрим в природе;
  16. Криобиология: как остановить биологические часы и запустить их обратно;
  17. Renxing Liang, Zhou Li, Maggie C. Y. Lau Vetter, Tatiana A. Vishnivetskaya, Oksana G. Zanina, et. al.. (2021). Genomic reconstruction of fossil and living microorganisms in ancient Siberian permafrost. Microbiome. 9;
  18. Zhihua Liu, John S. Kimball, Ashley P. Ballantyne, Nicholas C. Parazoo, Wen J. Wang, et. al.. (2022). Respiratory loss during late-growing season determines the net carbon dioxide sink in northern permafrost regions. Nat Commun. 13;
  19. E. A. G. Schuur, A. D. McGuire, C. Schädel, G. Grosse, J. W. Harden, et. al.. (2015). Climate change and the permafrost carbon feedback. Nature. 520, 171-179;
  20. Jenni Hultman, Mark P. Waldrop, Rachel Mackelprang, Maude M. David, Jack McFarland, et. al.. (2015). Multi-omics of permafrost, active layer and thermokarst bog soil microbiomes. Nature. 521, 208-212;
  21. Monique S. Patzner, Carsten W. Mueller, Miroslava Malusova, Moritz Baur, Verena Nikeleit, et. al.. (2020). Iron mineral dissolution releases iron and associated organic carbon during permafrost thaw. Nat Commun. 11;
  22. Kappelle M. (2020). WMO Statement on the State of the Global Climate in 2019. World Meteorological Organization.;
  23. Это лишь пыльца на ветру;
  24. James I. Prosser. (2015). Dispersing misconceptions and identifying opportunities for the use of 'omics' in soil microbial ecology. Nat Rev Microbiol. 13, 439-446;
  25. Manuel Delgado-Baquerizo, Peter B. Reich, Chanda Trivedi, David J. Eldridge, Sebastián Abades, et. al.. (2020). Multiple elements of soil biodiversity drive ecosystem functions across biomes. Nat Ecol Evol. 4, 210-220;
  26. Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней;
  27. Jinghua Ren, Haochen Shi, Jianchao Liu, Chaoya Zheng, Guanghua Lu, et. al.. (2023). Occurrence, source apportionment and ecological risk assessment of thirty antibiotics in farmland system. Journal of Environmental Management. 335, 117546;
  28. Maëva Labouyrie, Cristiano Ballabio, Ferran Romero, Panos Panagos, Arwyn Jones, et. al.. (2023). Patterns in soil microbial diversity across Europe. Nat Commun. 14;
  29. Вирусные геномы в системе эволюции;
  30. Richard J Puxty, David J Evans, Andrew D Millard, David J Scanlan. (2018). Energy limitation of cyanophage development: implications for marine carbon cycling. The ISME Journal. 12, 1273-1286;
  31. Richard J. Puxty, Andrew D. Millard, David J. Evans, David J. Scanlan. (2016). Viruses Inhibit CO 2 Fixation in the Most Abundant Phototrophs on Earth. Current Biology. 26, 1585-1589;
  32. Hui Zhou, Ping Chen, Mengjie Zhang, Jiawang Chen, Jiasong Fang, Xuan Li. (2021). Revealing the Viral Community in the Hadal Sediment of the New Britain Trench. Genes. 12, 990;
  33. Ying-Li Zhou, Paraskevi Mara, Dean Vik, Virginia P. Edgcomb, Matthew B. Sullivan, Yong Wang. (2022). Ecogenomics reveals viral communities across the Challenger Deep oceanic trench. Commun Biol. 5;
  34. Javier Lopez-Simon, Marina Vila-Nistal, Aleksandra Rosenova, Daniele De Corte, Federico Baltar, Manuel Martinez-Garcia. (2023). Viruses under the Antarctic Ice Shelf are active and potentially involved in global nutrient cycles. Nat Commun. 14;
  35. Sophie K Jurgensen, Simon Roux, Sarah M Schwenck, Frank J Stewart, Matthew B Sullivan, Jennifer R Brum. (2022). Viral community analysis in a marine oxygen minimum zone indicates increased potential for viral manipulation of microbial physiological state. The ISME Journal. 16, 972-982.
https://siriusbiotech.ru//?erid=2VfnxwBZiac

Комментарии