Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Эта статья участвовала в конкурсе «Био/Мол/Текст»-2021/2022 в номинации «Свободная тема» и будет опубликована в журнале «Наука и жизнь».

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Археи. Самые древние, самые загадочные

Что представляют люди, встречая термин «архея»? Человек, далекий от биологии, скорее всего, что-то слышал о существовании бактерий, но вряд ли знает, кто такие археи. А меж тем, наряду с бактериями и эукариотами археи представляют собой третий домен жизни [2]. Внешне они во многом напоминают бактерий, но некоторые их черты уникальны или же вовсе роднят их с эукариотами. Так что на молекулярном уровне археи отличаются от бактерий так же сильно, как бактерии — от нас.

Само название архей намекает на их раннее происхождение. По последним данным, они — самые древние из ныне живущих организмов [3], но выделены были в отдельную группу самыми последними, всего 40 лет назад [4]. Прежде представителей архей относили к бактериям, и лишь Карл Вёзе смог убедительно показать, что они достаточно далеко эволюционно отстоят друг от друга [5].

Впервые архей обнаружили в вулканических горячих источниках [6], и долгое время считалось, что они могут существовать только в экстремальных средах обитания с высокой температурой и повышенной кислотностью. Сегодня они известны как большая и разнообразная группа, широко распространенная в природе: благодаря молекулярным методам исследователи стали обнаруживать архей во многих местах, например, в почве или на коже человека. Получение чистой культуры многих архей — дело очень трудоемкое и не всегда заканчивается успехом, потому что археи часто требуют экзотических условий или не желают расти без присутствия других микроорганизмов [7].

Немного о роли молекулярных методов в современной микробиологии

Мы уже не раз упоминали, что именно молекулярные методы позволили нам больше узнать об археях. Но что конкретно это означает на практике?

Микроорганизмы условно делят на культивируемые и некультивируемые, и последние, как следует из названия, не удается вырастить в лаборатории, потому что необходимые им условия пока не подобраны или их в принципе сложно создать. Исследовать такие микроорганизмы гораздо труднее, и до недавнего времени мы вообще не знали об их существовании. В изучении некультивируемых форм (которые, к слову, вносят основной вклад в разнообразие микробных сообществ [8]) нам помогает метагеномика. Эта наука рассматривает не геном отдельного организма, а совокупность геномов всех обитателей сообществ, живущих в разных природных условиях (хотя на практике часто приходится иметь дело с неполными геномами). Таким образом, мы можем определить видовое разнообразие микроорганизмов, не выращивая их на чашке Петри. Сбор метагенома — достаточно дорогой и трудоемкий процесс, однако такой анализ становится все более доступным из-за снижения стоимости секвенирования . Секвенирование — это способ определения нуклеотидной последовательности ДНК (или РНК). Секвенирование нового поколения (NGS) позволяет «прочитать» одновременно несколько участков генома как одного, так и нескольких организмов. NGS широко используется в исследованиях разнообразия микроорганизмов в различных образцах, например, для получения метагенома микробного сообщества.

Подробнее о секвенировании нуклеиновых кислот читайте в нашей статье «12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот» [9]. — Ред.

Археи в необычных местах

При помощи метагеномики мы обнаружили архей вне типичных для них, как мы думали, условий обитания. Например, оказалось, что метанобразующие археи (они же метаногены) населяют желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) травоядных животных. В рубце жвачных или в кишечнике термитов различные бактерии разлагают целлюлозу, образуя водород в качестве побочного продукта, а метаногены превращают водород и углекислый газ в метан, который затем выделяется из пищеварительного тракта их хозяев. Есть гипотеза, утверждающая, что, если бы этого процесса не было, происходящее накопление водорода в пищеварительном тракте влияло бы на равновесие в реакции разложения целлюлозы и она разлагалась бы медленнее. В последнее время метаногенных архей находят во все большем числе видов животных [10].

И это не единственный пример архей как эндосимбионтов. Например, их удалось обнаружить в морских губках, хотя на данный момент их роль в этом союзе не совсем ясна. Тем не менее один и тот же вид архей обнаружен во многих образцах губок, и такая ассоциация является довольно устойчивой [11]. В другом исследовании архей из разных типов удалось обнаружить на нескольких видах кораллов, причем археи составляли половину всего прокариотического сообщества [12], [13].

Становится все более очевидным, что археи распределены по всему миру и хорошо приспособлены к различному образу жизни, включая симбиотическое партнерство с эукариотическими хозяевами. Но несмотря на то, что этим открытиям уже больше десятка лет, роль архей в большинстве таких симбиозов неясна. Тот факт, что они составляют значительную часть микробного сообщества, указывает на их важную роль, но подробности таких союзов нам пока неизвестны.

Археом человека

Как же обстоят дела с изучением архей, обитающих в человеческом теле?

В 2007 году стартовал широко известный проект «Микробиом человека», который был создан, чтобы охарактеризовать все микробные сообщества в человеческом теле и прояснить роль бактерий, архей, а также грибов и простейших в различных патологических состояниях.

И вот, когда исследователи принялись за метагеном различных сообществ тела человека, оказалось, что архей можно встретить и там. Но какова же их роль? Это случайные пассажиры или археи действительно освоили человека как одно из своих местообитаний? На самом деле, на этот вопрос до сих пор нет однозначного ответа.

Да, ученым достоверно известно о том, что археи составляют значительную часть нашего микробиома, но их почти всегда упускают из виду при изучении различных патологий. Дело в том, что на данный момент нет стандартных протоколов обнаружения архей, поэтому справочные базы данных по ним не полны, и выделение и установление последовательности ДНК происходит с большими трудностями [14]. Хотя уже в конце 2010-х некоторые некультивируемые виды удалось обнаружить с помощью метагеномики, только развитие высокопроизводительного секвенирования позволило выявить сообщества архей, ассоциированных с человеком [15], [16].

Взаимодействие с иммунной системой

Из-за отсутствия известных патогенов в домене Archaea их связь с состоянием здоровья человека много лет подвергали сомнению. Однако совсем недавно несколько исследований продемонстрировали активацию дендритных клеток в ответ на присутствие метаногенных архей [17], [18]. Хотя оба исследования показали реакцию врожденного и адаптивного иммунных ответов на Methanosphaera stadtmaniae, задействованный в этом рецептор пока не был обнаружен. Поскольку археи, как правило, не имеют общих с бактериями структур, содержащих липополисахариды, пептидогликан или бактериоподобный флагеллин, вопрос о связанном с археями рецепторе остается открытым. В 2017 году исследователи продемонстрировали, что очищенная РНК M. stadtmaniae служит мощным стимулятором лимфоцитов, и, таким образом, впервые был доказан специфический иммунный ответ на присутствие архей [19]. Тем не менее остается неясным, могут ли археи участвовать в развитии заболеваний.

В исследованиях 2016 года [20], [21] удалось выявить корреляцию между количеством архей родов Methanobrevibacter и Akkermansia с риском возникновения рассеянного склероза — аутоиммунного заболевания, при котором поражается миелиновая оболочка нервных волокон головного и спинного мозга. Было обнаружено, что повышенное содержание этих архей в кишечнике человека вызывает синтез провоспалительных цитокинов в некоторых иммунных клетках и ингибирует производство подавляющих воспаление белков [22]. Казалось бы, эти археи — явные патогены, ведь в ответ на их присутствие организм начинает воспалительный процесс! Однако прямое патогенное действие не было доказано in vitro, так как совместная инкубация вида Methanobrevibacter smithii и иммунных клеток не воспроизводила эти результаты, что было показано в том же исследовании [23].

Потенциальные механизмы влияния на здоровье человека

На сегодняшний день можно выделить несколько потенциальных механизмов, с помощью которых археи могут влиять на здоровье человека.

Во-первых, это метаногенез. Метаногены поддерживают благоприятные условия для развития условно-патогенных бактерий, что косвенно способствует развитию заболеваний: различные вредоносные микроорганизмы лучше растут в тесном союзе с археями [24]. Однако присутствие архей-метаногенов имеет две стороны. Положительным эффектом метаногенеза является снижение общего давления в желудочно-кишечном тракте. В случае бескислородного дыхания одна молекула CO₂ и четыре молекулы H₂ используются для получения одной молекулы метана (CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O) [25], что приводит к уменьшению вздутия живота.

Еще один способ влияния архей на здоровье человека — преобразование металлов и металлоидов. В процессе метаногенеза метильные группы различных соединений превращаются в метан. По-видимому, архейные ферменты-переносчики метильной группы, которые участвуют в этом процессе, могут взаимодействовать со многими веществами. Например, они способны превращать металлы и металлоиды, такие как мышьяк, селен, теллур, сурьма и висмут, в их более опасные летучие производные [26].

Помимо этого, археи способны удалять триметиламин (ТМА), превращая его в метан, что противодействует развитию атеросклероза — заболевания, поражающего артерии, в стенках которых накапливается холестерин (рис. 3) [27]. Связь повышенной концентрации TMA с развитием сердечно-сосудистых заболеваний не вызывает сомнений [28].

Археи (как и многие бактерии) также могут образовывать биопленки — устойчивые конгломераты микроорганизмов, защищенные от воздействия внешней среды и погруженные в общий матрикс. Для различных видов архей было показано образование биопленок [29], и предполагается, что метаноархеи в ЖКТ встречаются в таких сообществах, оседая на поверхности слизистой оболочки. Биопленки также наблюдались в полости рта, и в них археи Methanobrevibacter oralis обнаруживались у каждого второго пациента, страдающего пародонтозом (поражение околозубной ткани), при этом у здоровых людей подобные биопленки не встречаются [30]. В биопленках присутствуют организмы разных таксономических групп, и, возможно, архейные биопленки способствуют сохранению групп патогенных бактерий, например, защищая их от антибиотиков [29].

Таким образом, археи могут оказывать на организм человека как положительный, так и отрицательный эффект. Например, метаногенные археи вовлечены во многие процессы, помогают пищеварению и снижают общее давление в ЖКТ, однако несколько исследований предполагали участие метаногенных архей в желудочно-кишечных заболеваниях, таких как рак, ожирение, анорексия и воспалительное заболевание кишечника [31]. Тем не менее следует уточнить, что в этих исследованиях отсутствуют соответствующие методы количественной оценки, и в других работах сообщается о спорных результатах общей численности этих микроорганизмов в исследуемых группах пациентов [32].

Что же мы в итоге можем сказать о роли архей в нашем организме? Способны ли они вызывать болезни?

Заключение

На данный момент не существует четких доказательств существования патогенных, или, тем более, паразитических архей [33], [34]. Разница между паразитизмом и патогенностью состоит в том, что патогенность — это способность быть причиной патологии, а паразитизм — один из способов взаимодействия видов, в ходе которого паразит использует хозяина в качестве источника пищи и/или среды обитания. Мы рассказали о возможной роли архей в патогенезе, но именно паразитами они, по-видимому, быть не могут.

Это тем более удивительно, что паразитические организмы встречаются в огромном количестве в двух других доменах. Либо археям что-то мешает перейти к паразитизму, либо их паразитические отношения настолько своеобразны, что мы до сих пор это не обнаружили. Почему же так произошло? Возможно, из-за своих метаболических особенностей бактерии более успешны на этом поприще и просто не дают археям развиваться в том же направлении. Археи также, как правило, не обмениваются ДНК с патогенными бактериями: обмен генетической информацией более типичен между экстремофильными бактериями и археями [35].

Зачем же тогда ученые потратили столько времени и сил на изучение данного вопроса? Пока что из исследований на эту тему можно сделать несколько выводов. Археи присутствуют в большинстве, если не во всех, микробиомах, связанных с эукариотическими хозяевами, но из-за отсутствия стандартных протоколов обнаружения архей их часто упускают из виду. И даже слегка копнув эту тему, можно смело заявить, что роль домена архей велика как в жизнедеятельности человека, так и в различных экосистемах, ассоциированных с эукариотами. Будущие исследования археомов, ассоциированных с хозяином, позволят лучше понять их роль в здоровье человека и их потенциальную роль в развитии болезни.

Литература

1. R I Amann, W Ludwig, K H Schleifer. (1995). Phylogenetic identification and in situ detection of individual microbial cells without cultivation. Microbiol Rev. 59, 143-169;
2. C. R. Woese, O. Kandler, M. L. Wheelis. (1990). Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya.. Proceedings of the National Academy of Sciences. 87, 4576-4579;
3. M. Wang, L. S. Yafremava, D. Caetano-Anolles, J. E. Mittenthal, G. Caetano-Anolles. (2007). Reductive evolution of architectural repertoires in proteomes and the birth of the tripartite world. Genome Research. 17, 1572-1585;
4. C. R. Woese, G. E. Fox. (1977). Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences. 74, 5088-5090;
5. Карл Вёзе (1928–2012);
6. David L. Valentine. (2007). Adaptations to energy stress dictate the ecology and evolution of the Archaea. Nat Rev Microbiol. 5, 316-323;
7. Christa Schleper, German Jurgens, Melanie Jonuscheit. (2005). Genomic studies of uncultivated archaea. Nat Rev Microbiol. 3, 479-488;
8. Philip Hugenholtz, Brett M. Goebel, Norman R. Pace. (1998). Impact of Culture-Independent Studies on the Emerging Phylogenetic View of Bacterial Diversity. J Bacteriol. 180, 4765-4774;
9. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
10. Christine Moissl-Eichinger, Manuela Pausan, Julian Taffner, Gabriele Berg, Corinna Bang, Ruth A. Schmitz. (2018). Archaea Are Interactive Components of Complex Microbiomes. Trends in Microbiology. 26, 70-85;
11. C. M. Preston, K. Y. Wu, T. F. Molinski, E. F. DeLong. (1996). A psychrophilic crenarchaeon inhabits a marine sponge: Cenarchaeum symbiosum gen. nov., sp. nov.. Proceedings of the National Academy of Sciences. 93, 6241-6246;
12. L Wegley, Y Yu, M Breitbart, V Casas, DI Kline, F Rohwer. (2004). Coral-associated Archaea. Mar. Ecol. Prog. Ser.. 273, 89-96;
13. CA Kellogg. (2004). Tropical Archaea: diversity associated with the surface microlayer of corals. Mar. Ecol. Prog. Ser.. 273, 81-88;
14. B. Dridi. (2012). Laboratory tools for detection of archaea in humans. Clinical Microbiology and Infection. 18, 825-833;
15. Pausan M.R., Csorba C., Singer G., Till H., Schöpf V. et al. >Exploring the archaeome: detection of archaeal signatures in the human body. bioRxiv;
16. Kaisa Koskinen, Manuela R. Pausan, Alexandra K. Perras, Michael Beck, Corinna Bang, et. al.. (2017). First Insights into the Diverse Human Archaeome: Specific Detection of Archaea in the Gastrointestinal Tract, Lung, and Nose and on Skin. mBio. 8;
17. Corinna Bang, Katrin Weidenbach, Thomas Gutsmann, Holger Heine, Ruth A. Schmitz. (2014). The Intestinal Archaea Methanosphaera stadtmanae and Methanobrevibacter smithii Activate Human Dendritic Cells. PLoS ONE. 9, e99411;
18. Pascale Blais Lecours, Caroline Duchaine, Michel Taillefer, Claudine Tremblay, Marc Veillette, et. al.. (2011). Immunogenic Properties of Archaeal Species Found in Bioaerosols. PLoS ONE. 6, e23326;
19. Tim Vierbuchen, Corinna Bang, Hanna Rosigkeit, Ruth A. Schmitz, Holger Heine. (2017). The Human-Associated Archaeon Methanosphaera stadtmanae Is Recognized through Its RNA and Induces TLR8-Dependent NLRP3 Inflammasome Activation. Front. Immunol.. 8;
20. Sushrut Jangi, Roopali Gandhi, Laura M. Cox, Ning Li, Felipe von Glehn, et. al.. (2016). Alterations of the human gut microbiome in multiple sclerosis. Nat Commun. 7;
21. Helen Tremlett, Douglas W. Fadrosh, Ali A. Faruqi, Janace Hart, Shelly Roalstad, et. al.. (2016). Gut microbiota composition and relapse risk in pediatric MS: A pilot study. Journal of the Neurological Sciences. 363, 153-157;
22. Corinna Bang, Ruth A. Schmitz. (2018). Archaea: forgotten players in the microbiome. Emerging Topics in Life Sciences. 2, 459-468;
23. Sushrut Jangi, Roopali Gandhi, Laura M. Cox, Ning Li, Felipe von Glehn, et. al.. (2016). Alterations of the human gut microbiome in multiple sclerosis. Nat Commun. 7;
24. E CONWAYDEMACARIO, A MACARIO. (2009). Methanogenic archaea in health and disease: A novel paradigm of microbial pathogenesis. International Journal of Medical Microbiology. 299, 99-108;
25. Нетрусов А.И. и Котова И.Б. Микробиология: теория и практика. В 2 ч. Часть 1: учебник для бакалавриата и магистратуры. М.: «Издательство “Юрайт”», 2018. — 315 с.;
26. Frank Thomas, Roland A. Diaz-Bone, Oliver Wuerfel, Britta Huber, Katrin Weidenbach, et. al.. (2011). Connection between Multimetal(loid) Methylation in Methanoarchaea and Central Intermediates of Methanogenesis. Appl. Environ. Microbiol.. 77, 8669-8675;
27. Jean-François Brugère, Guillaume Borrel, Nadia Gaci, William Tottey, Paul W O’Toole, Corinne Malpuech-Brugère. (2014). Archaebiotics. Gut Microbes. 5, 5-10;
28. O. V. Trushina, A. A. Bykova, L. K. Malinovskaya, A. Sh. Dumikyan, P. Sh. Chomakhidze, et. al.. (2018). The role of trimethylamine N-oxide in progression of cardiovascular diseases. Kardiol. serdechno-sosud. khir.. 11, 33;
29. Alvaro Orell, Sabrina Fröls, Sonja-Verena Albers. (2013). Archaeal Biofilms: The Great Unexplored. Annu. Rev. Microbiol.. 67, 337-354;
30. C. L. Li, D. L. Liu, Y. T. Jiang, Y. B. Zhou, M. Z. Zhang, et. al.. (2009). Prevalence and molecular diversity ofArchaeain subgingival pockets of periodontitis patients. Oral Microbiology and Immunology. 24, 343-346;
31. Corinna Bang, Ruth A. Schmitz. (2015). Archaea associated with human surfaces: not to be underestimated. FEMS Microbiology Reviews. 39, 631-648;
32. Alexander Mahnert, Marcus Blohs, Manuela-Raluca Pausan, Christine Moissl-Eichinger. (2018). The human archaeome: methodological pitfalls and knowledge gaps. Emerging Topics in Life Sciences. 2, 469-482;
33. Paul B. Eckburg, Paul W. Lepp, David A. Relman. (2003). Archaea and Their Potential Role in Human Disease. Infect Immun. 71, 591-596;
34. Ricardo Cavicchioli, Paul M.G. Curmi, Neil Saunders, Torsten Thomas. (2003). Pathogenic archaea: do they exist?. Bioessays. 25, 1119-1128;
35. Clara A. Fuchsman, Roy Eric Collins, Gabrielle Rocap, William J. Brazelton. (2017). Effect of the environment on horizontal gene transfer between bacteria and archaea. PeerJ. 5, e3865;
36. Kaisa Koskinen, Manuela R. Pausan, Alexandra K. Perras, Michael Beck, Corinna Bang, et. al.. (2017). First Insights into the Diverse Human Archaeome: Specific Detection of Archaea in the Gastrointestinal Tract, Lung, and Nose and on Skin. mBio. 8.