Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Партасарати Рагувир

В последующие годы на чипе научились создавать сердца, почки, желудки, кожу и многое другое и даже нашли способ связывать воедино разные органы – конструировать названные слишком громко, но все равно впечатляющие «тела на чипе»¹⁵. Клеточные культуры в таких системах по большей части двумерны, и нам еще только предстоит объединить трехмерную самосборку органоидов из стволовых клеток с флюидикой и механическими каркасами органов на чипе.

Полуискусственные конструкции выращиваемых в лаборатории стволовых клеток, органоидов и органов на чипе позволяют нам изучить восхитительные феномены многоклеточной организации. Пока, однако, мы рассматривали клетки тела, принадлежащие одному биологическому виду. В следующей главе мы увидим, что на самом деле все устроено гораздо сложнее: в нас ведь обитает множество микробов.

Глава 9. Экосистема внутри вас

Скорее всего, вы считаете себя человеком. Ваше тело состоит из нескольких

триллионов человеческих клеток, в каждой из которых содержится геном человека, и это подкрепляет ваше представление о собственной видовой идентичности. Но в вашем теле обитают, помимо вирусов, триллионы микроорганизмов – главным образом бактерий, а также архей и микроскопических эукариот; их так много, что, устрой вы всеобщее голосование, ваши человеческие клетки, вероятно, оказались бы в меньшинстве¹. Микробы населяют ваши рот, кожу и все теплые и влажные поверхности, которые вы только можете себе представить, но больше всего их в вашем кишечнике. Люди в этом не уникальны. В организмах всех животных обитает огромное число разнообразных кишечных микробов, и без этих компаньонов нам было бы очень сложно выжить. Микробные партнеры есть и у растений – их особенно много в зоне корней.

О существовании сообществ, которые часто называют кишечной микробиотой или кишечным микробиомом, мы знаем уже больше века. Однако наш интерес к ним резко возрос лишь в последние 20 лет, когда с технологической революцией в сфере секвенирования ДНК пришло понимание их важности. Прежде изучение бактерий редко могло обойтись без их выращивания в лабораторной культуре. Но, к несчастью, бактерии в большинстве своем упрямо отказываются сотрудничать и сейчас. Одни – нормальные обитатели человеческого кишечника, например, – погибают из-за избытка кислорода во внешней среде. Другие выживают лишь в особо кислых или щелочных условиях. Третьим требуются экзотические питательные вещества, скажем, производимые другими микробами. Выполнить эти условия возможно, но зачастую крайне проблематично, причем универсального решения для всех членов интересующего сообщества может и не быть. Именно поэтому, давно обнаружив кишечных микробов, мы до последнего времени знали о них так мало.

Все изменило секвенирование ДНК. Механику процесса мы разберем в третьей части книги, пока же нам достаточно вспомнить из первой главы, что мы можем создать множественные копии любой ДНК. Поместив их в аппарат, читающий геном, мы получим на выходе последовательность нуклеотидов A, Ц, Г и T, из которых состоят фрагменты ДНК. Эта техника применима к ДНК из любых источников, потому она радикально изменила наши представления об экологическом разнообразии. В прорывном исследовании 2004 года группа Крейга Вентера, одного из изобретателей современной технологии секвенирования ДНК, исследовала генетический состав микробиоты Саргассова моря². Превратив содержимое нескольких сотен литров воды в однородную массу, очистив и амплифицировав ее ДНК (как в первой главе), биологи обнаружили миллион прежде неизвестных генов сотен новых бактерий. Теперь мы с помощью секвенирования изучили множество сред, от почв до станций метро и от кончика языка до фекалий. (Геномы фекальных образцов – это, по сути, моментальные снимки, хотя и косвенные, микробного населения кишечника.)

Во всех этих средах мы находим густонаселенные экосистемы, богатые клетками и видами. Подобно тому, как мы поступали с органами, тканями и эмбрионами, мы можем задаться вопросом, помогут ли биофизические принципы разобраться в таких ансамблях. В главе 6, например, мы интересовались, зачем бактерии плавают, и нашли объяснение в их стремлении к «пастбищам» посытнее. Но справедливо ли это для обитателей неспокойной среды кишечника? Мы можем изучить, прибегают ли микробы к самосборке в осязаемые физические структуры или хотя бы в абстрактные сети биохимического обмена. А еще мы можем исследовать с помощью биофизических инструментов работу микробной экосистемы – например, воздействовать на схемы принятия решений у бактерий и оценивать последствия. В этой главе мы еще сильнее приблизимся к границам наших знаний, где пока сложно формулировать не то что ответы, а даже вопросы.

Каталогизация ДНК

Прежде чем вернуться к кишечному микробиому, я немного расскажу о двух общепринятых методах «переписи бактериального населения», опирающихся на сиквенсы ДНК. Первый задействует бактериальный ген 16S рРНК [37] . Здесь не так важно, что ген кодирует, – главное, что одни его области почти идентичны у всех видов бактерий, а другие различаются. После транскрипции в РНК консервативные области (белые на рисунке) соответствуют фрагментам, критичным для трехмерной организации молекулы рРНК. В вариабельных областях (серых и черных) зафиксированы миллиарды лет эволюционной изменчивости, в течение которых разные виды приспосабливали базовую архитектуру рРНК под несколько разные обстоятельства.

37

16S

рРНК – рибосомная РНК, формирующая каркас малой субъединицы рибосом бактерий и архей. Она не только структурирует белки в составе рибосомы, но и организует ключевые взаимодействия в ходе трансляции. Ген 16S рРНК – 16S рДНК – используют как молекулярные часы для определения эволюционной дистанции между бактериями (их родства). Сравнивая изменчивые участки гена, нередко удается различить бактерии даже на уровне вида, что помогает еще и в диагностике инфекций. Эта методика спровоцировала масштабную перестройку в систематике прокариот, поскольку старый добрый морфологический анализ сильно уступал ей по точности, а для некультивируемых организмов был вообще невозможен.

Получается, мы можем использовать один и тот же набор праймеров (см. главу 1), комплементарный одной или нескольким консервативным областям, чтобы запустить амплификацию ДНК любой бактерии и получить бессчетное количество копий всех генов 16S рРНК из нашего образца. Благодаря нескольким вариабельным участкам полные гены рРНК достаточно сильно различаются, и потому секвенирование полученных копий выявляет уникальную «подпись» каждого из видов – ген 16S рРНК напоминает нам одновременно и ручку, и отпечаток пальца.

Недостаток анализа 16S рДНК состоит в ограниченности результата простым перечислением бактерий в образце. Это все равно что получить список всех жителей города, лишенный каких-либо данных об их возрасте, профессиях, доходах, интересах и хоть чем-то, что помогло бы составить представление об этом городе. Если свежепрочитанная последовательность совпадает с 16S рДНК какой-то уже известной бактерии, мы можем зацепиться за эту информацию, однако такое бывает нечасто, ведь большинство бактерий нам неизвестно. Более того, у близкородственных штаммов последовательности 16S рДНК бывают неотличимыми друг от друга – как если бы горожан в нашем списке перечислили только по фамилиям, не расписав по отдельности, скажем, родных братьев и сестер.

Альтернативный подход называется методом дробовика. В этом случае мы амплифицируем и читаем геномные ДНК, предварительно разбитые на случайные, подходящие размером для секвенирования фрагменты, а затем в специальной программе собираем все прочтения в единые геномы. Представьте, например, что у вас есть куски предложений, написанных на полосках бумаги, и каждое из предложений скопировано множество раз. Вот эти куски: «много раз до смерти», «ни хорошего, ни плохого; это размышление делает все таковым», «не жребий наш», «нет ничего ни хорошего, ни», «трус много раз до смерти умирает», «не жребий наш – мы сами виноваты» [38] . Даже если вы ничего не знаете о грамматике, синтаксисе и пьесах Шекспира, найдя перекрывающиеся, одинаковые части («ни хорошего ни», «не жребий наш», «много раз до смерти»), вы поймете, какие фрагменты взяты из одной и той же исходной фразы, и соберете из расставленных в верном порядке кусков три предложения. Мы можем писать действующие по тому же принципу компьютерные программы, которые определяют оптимальные перекрывания и параметры выравнивания хоть миллиардов фрагментов ДНК и реконструируют полные геномы, из которых их получили. Этот подход сложнее и дороже, чем секвенирование лишь 16S рДНК, но так мы выявляем гораздо больше сходств и различий, к тому же по составу генов тех или иных членов сообщества мы понимаем, какие белки они могут синтезировать и на что в принципе способны.

38

Фрагменты из трагедий Шекспира «Юлий Цезарь» (в переводе И. Б. Мандельштама) и «Гамлет» (в переводе М. Л. Лозинского). – Прим. перев.

Кишечный микробиом и вы

Итак, изучив презренный материал, полученный на выходе из кишечника, мы можем составить представление об экосистеме внутри вас. Даже самые ранние работы проливали свет на ее поразительные характеристики. Микробные сообщества в ваших кишках очень разнообразны (см. условную картинку): их составляют сотни бактериальных видов. И это виды особенные: они не набираются из «безбилетников», проезжающих в вас с пищей, или из обитателей вашего рта, а представляют специфическое сообщество, адаптированное именно к кишечной среде. У каждого из нас оно уникально, но при этом не лишено существенных сходств с чужими кишечными сообществами, и пересечений больше у людей, проживающих в одном географическом регионе и особенно домохозяйстве. Ну и наверняка есть значительное, но не абсолютное соответствие между вашим сегодняшним набором видов и тем, что жил в вас несколько месяцев назад: одни кишечные бактерии склонны кочевать, другие же остаются с вами надолго³.