Как изучение древних микроорганизмов может изменить будущее

                                

Разбираем мир микробиологии по кусочкам


Как изучение древних микроорганизмов может изменить будущее.

Проект “Микробиом человека”, начатый в 2017 году, представляет собой исследовательскую инициативу, направленную на улучшение понимания роли микробов в организме человека. Благодаря огромному количеству собранных данных и научных открытий, этот проект коренным образом изменил представление людей о микроорганизмах. Технологические достижения в области молекулярной биологии и генетики позволили микробиологам детально изучить ДНК микроорганизмов, создать филогенетические древа жизни, и распознать даже мельчайшие гены в клетках. Ученые смогли не только заново описать патогенные характеристики некоторых микроорганизмов, но а также в целом распознать пользу сосуществования микроорганизмов с людьми.

В 2021 году, микробы и люди находятся в “близких и дружеских” отношениях. Люди все чаще говорят и пишут о том, как микроорганизмы положительно влияют на здоровье. “Включайте в свой рацион пробиотики, чтобы улучшить пищеварение!”, “Ешьте больше ферментированных продуктов, чтобы улучшить здоровье!”, “Микробы укрепляют нашу иммунную систему, защищают от болезней и делают нас счастливыми!”. Список таких фраз можно продолжать бесконечно, и все они будут абсолютно верны. Микроорганизмы, действительно, постоянно работают на людей. Ученые с энтузиазмом смотрят в будущее, готовясь предоставить больше доказательств в поддержку существующих благоприятных отношений между людьми и их микробами.

Однако, все больше исследователей придерживаются мнения, что важно не только продолжать изучение полезных свойств микробов, но и вернуться назад в прошлое и сфокусироваться на изучении древних микроорганизмов. Палеомикробиология, наука о древних микроорганизмах, может раскрыть информацию об эволюции микроорганизмов, древних болезнях, культурных обычаях и важных исторических событиях.

Итак, как и где мы можем найти эти доисторические микробы? Не стоит забывать, что этим природным экземплярам более десятков, а то и тысяч, лет! Оказывается, в природе существуют разные структуры, служащие источниками сохранения древних форм жизни:

  1. Экстремальные условия обитания;
  2. Янтарь;
  3. Отвердевший зубной налет;
  4. Копролиты.

Экстремальные условия обитания
Экстремальные условия обитания, такие как вечная мерзлота, способствуют сохранению древних микробных форм и их ДНК. Причина довольно проста: организмы, живущие в таких условиях, обладают уникальными механизмами выживания, которые позволяют клеткам переходить в “состояние покоя”, состояние, при котором биологические функции клеток приостановлены или значительно замедлены. Один из таких примеров связан с находкой 30,000-летнего образца Pithovirus sibericum в условиях сибирской мерзлоты. Этот древний организм представляет собой вирус, инфицирующий клетки эукариот, и, что более интересно, найденный организм сохранил свои свойства к заражению, несмотря на такое длительное пребывание в состоянии покоя! Изучение микробных сообществ, изолированных из условий вечной мерзлоты, может пролить свет на уникальные методы адаптации, используемые этими микробами для выживания.

30,000-летний вирус Pithovirus sibericum. Источник изображения: статья Legendre et al.

Янтарь
Янтарь – это окаменевшая смола деревьев. Крайне низкое содержание воды и обилие натуральных сахаров представляют собой идеальную среду для сохранения древних видов бактерий. Многие бактерии, найденные в янтаре, принадлежат роду Bacillus, который известен своими способностями образовывать споры. Споры представляют собой наиболее “спящую” форму бактериальных клеток, поскольку они имеют минимальную биологическую активность. За производство спор у бактерий Bacillus отвечают белки SASP (Small Acid Soluble Proteins). Оставаясь биологически жизнеспособными, метаболизм спорообразующих бактерий становится настолько медленным, что они могут выжить в течение тысяч лет!

Отвердевший зубной налет
Зубной налет представляет собой затвердевшую бактериальную биопленку, которая образуется на поверхности зубов. Уникальность такого источника древних бактерий заключается в том, что зубной камень не отслаивается и не меняет структуру. В своем исследовании, Тернер-Уокер перечислил несколько факторов, способствующие отличной сохранности генетического материала в зубном камне. Во-первых, зубной камень не является материалом, который можно легко заселить бактериями из окружающей среды. В зубах отсутствуют биологические каналы, которые могли бы служить местом “входа” в зуб для бактерий. Во-вторых, зубной камень не является богатым источником питательных веществ, который потенциально мог бы привлечь бактерии и поддерживать их рост. В-третьих, окаменевший зубной камень со временем становится чрезвычайно твердым, что делает его устойчивым к разрушению.


Исследования по восстановлению биологических профилей древних бактерий из зубной ДНК обычно связаны с изучением болезней. Определение фатальных болезней помогает ученым выдвинуть предположения о возможном образе жизни человека или животного. Более того, таким образом можно установить причину и возбудителя заболевания, которыми, в большинстве случаев, являются бактерии и условно-патогенные микроорганизмы. Например, бактерии Yersinia pestis и Salmonella enterica serovar typhi были часто найдены в затвердевшем зубном налете.

Бактерия Salmonella enterica serovar typhi (слева) и бактерия Yersinia pestis (справа)

Юстинианова чума, продолжавшаяся более 200 лет, была вызвана бактерией Y.pestis, который была распространена через всю Европу из Азии. Некоторые ученые предполагают, что современные штаммы этой бактерии эволюционировали от штамма, вызвавшего бубонную чуму в Европе в 14 веке. Похожие исследования демонстрируют, что анализ древних материалов ДНК может помочь в понимании тенденций эволюции и силы мутаций бактериальных геномов.

Копролиты
И наконец, богатейшим источником древних микроорганизмов является копролиты – окаменевшие остатки фекалий. Всем известно, что стул содержит миллиарды микроорганизмов, и такие методы лечения, как трансплантация фекальной микробиоты, используются для пересадки микроорганизмов от донора к получателю. Таким образом, в надежде обнаружить древние микроорганизмы, ученые решили изучить копролиты с “микробиологической” точки зрения.

Рейнхард и его коллеги провели исследование, в ходе которого они изучили копролиты, обнаруженные на плато Колорадо (штат Юта, США). Они идентифицировали образцы ДНК бактерий, принадлежащих к альфа-, бета- и гаммапротеобактериям, Bacteroides, Clostridia, Eubacterium spp. и даже Vibrio spp. Древние копролиты поражают своим микробиологическим разнообразием!

При тщательном изучении, копролиты могут содержать огромное количество информации об образе жизни, диетических привычках, и даже некоторых культурных нормах древних людей. Состав микробиома сильно зависит от образа жизни и диетических предпочтений, и поэтому изучение древних форм жизни поможет лучше понять доисторический мир. Несмотря на то, что изучение древних микроорганизмов является интересной областью для исследований, палеомикробиология также может помочь ученым установить связь между прошлым, настоящим и будущим. Определение состава древних микробиомов позволяет с легкостью проследить эволюционные изменения, произошедшие в результате индустриализации, глобализации, и современных методов санитарии. С течением времени, люди изменили свое отношение к микробами, и это изменение будет “записано” в организме на многие тысячи лет.


Article original: Rivera-Perez, J.I., Santiago-Rodriguez, T.M., Toranzos, G.A. 2016. Paleomicrobiology: a Snapshot of Ancient Microbes and Approaches to Forensic Microbiology. Microbiol Spectr. 4(4). doi:10.1128/microbiolspec.EMF-0006-2015

Featured image: https://www.istockphoto.com/photo/yellow-cartoon-robot-thinking-about-something-gm871234518-145515783 and Created in Biorender.

  1.  Rivera-Perez, J.I., Santiago-Rodriguez, T.M., Toranzos, G.A. 2016. Paleomicrobiology: a Snapshot of Ancient Microbes and Approaches to Forensic Microbiology. Microbiol Spectr. 4(4). doi:10.1128/microbiolspec.EMF-0006-2015
  2.  Cano RJ. 1997. Isolation, characterization, and diversity of microorganisms from amber. Proceedings of SPIE. 3111: 444-451. doi:10.1117/12.278799
  3. Drancourt, M., Aboudharam, G., Signoli, M., Dutour, O., Raoult, D. 1998. Detection of 400-year-old Yersinia pestis DNA in human dental pulp: an approach to the diagnosis of ancient septicemia. Proc Natl Acad Sci USA. 95:12637–12640.
  4. Papagrigorakis, M.J., Synodinos, P.N., Yapijakis, C. 2007. Ancient typhoid epidemic reveals possible ancestral strain of Salmonella enterica serovar Typhi. Infect Genet Evol. 7:126–127.
  5. Harbeck, M. et al. 2013. Yersinia pestis DNA from skeletal remains from the 6(th) century AD reveals insights into Justinianic Plague. PLoS Pathog.
  6.  Reinhard, K.J., Hevly, R.H., Anderson, G.A. 1987. Helminth remains from prehistoric Indian coprolites on the Colorado Plateau. J Parasitol. 73:630–639.

 Перевод был сделан Марией Мартыновой