Метагеном: що це таке

Сукупний геном якоїсь спільноти організмів називають метагеномом. Наприклад, є метагеном бактерій, що живуть у роті людини. Насправді це не дуже точно, тому що на зубах живе одна спільнота, на верху язика живе інша, знизу – третя і так далі. Підозрювали й раніше, що бактеріальні спільноти надзвичайно різноманітні, але не було гарного способу цю різноманітність описати.

1 

Коли з’явилися методи аналізу через визначення генетичної послідовності, то одним із суттєвих сюрпризів стало те, наскільки величезне це розмаїття. Це сотні геномів, про більшість з яких раніше нічого не знали. Вони некультивовані, тобто ми не можемо їх вивчати класичними мікробіологічними засобами, і єдине, що ми можемо з ними робити, – це вивчати і порівнювати їхні геномні послідовності.

2

Бактеріальних клітин в людині принаймні у 10 разів більше, ніж її власних клітин. З погляду бактерій ми просто великий ходячий будинок. Ясно, що бактеріальні клітини істотно менші, ніж клітини людини, а проте 1-2 кілограми бактерій ми з собою носимо.

3

Людина – це симбіотичний організм, тож ми сильно залежимо від бактерій, які в нас живуть. Наприклад, вони взаємодіють з нашою імунною системою. Багато автоімунних захворювань, особливо автоімунні захворювання кишківника, є наслідком бідності бактеріальної флори: імунна система починає працювати марно. 

До деякої міри наші бактерії захищають від патогенів: якщо у нас є здорова бактеріальна спільнота і до нас у кишківник потрапили патогенні бактерії, вони просто не зможуть у цій спільноті прижитися. 

Крім того, в нас відбувається обмін речовинами з цими бактеріями. Вітаміни для нас продукує кишкова флора: частину їх ми отримуємо з їжею, а іншу помітну частку виробляють наші кишкові бактерії.

Є кілька міжнародних проектів з вивчення і зіставлення мікробіомів різних частин людини. Можна описувати їх видове різноманіття, а можна намагатися описувати функціональні властивості мікробіомів у цілому. В різних людей мікробіоми індивідуальні. 

Відомо, що у повних людей і у худих різний видовий склад бактерій, які живуть в кишківнику. Це можна досліджувати експериментально: ви берете кілька стерильних мишенят, одних заражаєте одними бактеріями, інших – іншими, і навіть якщо ці мишенята з одного і того ж посліду, одні будуть важити на десятки відсотків більше за інших при однаковому харчуванні.

4

З медичного погляду дуже суттєвим є вплив антибіотиків, тому що антибіотики – це те, чим убивають бактерії. Вбити ви хочете патогена, але при цьому ви труїте і свою власну бактеріальну флору. Тому розумною є процедура, коли у людини перед тим, як давати їй великі дози антибіотика, збирають зразки калу і потім, щоб відновити кишкову мікрофлору, цими зразками знову засівають її кишечник.

Є досить велика група бактерій, так званих умовно-патогенних, які завжди присутні і в нормі ніякого впливу на людину не чинять, а при ослабленні організму – після приймання великих доз антибіотиків, при зміні мікрофлори або виникненні проблем з імунітетом – вони починають викликати хвороби.

Типовий приклад – це золотистий стафілокок, він присутній на шкірі у половини людей, а бешихове запалення при цьому все-таки буває далеко не у всіх. Більшість з цих бактерій не культивуються.

5

Є гарні роботи з Метагеномного аналізу Світового океану. Крейг Вентер – один з авторів перших статей про геном людини, а його наступним великим проектом був саме метагеномний аналіз океану. Він купив яхту і проплив від Ньюфаундленда через Панамський перешийок у Тихий океан, а по дорозі зачерпував проби води й потім визначав послідовність геномів бактерій, які в цих пробах жили. Про бактерії, які населяють Світовий океан, ми знали досить мало, а це більша частка в продукуванні кисню порівняно з лісами, які ми так активно захищаємо. Основну частину кисню виробляють одноклітинні ціанобактерії в океані.

6

Є екзотичні й дуже гарні приклади вивчення бідних видами мікробіомів, пов’язаних з незвичайними умовами. Наприклад, є колишня залізна шахта з кислою водою, фактично це розбавлена сірчана кислота. Там живе кілька видів бактерій. Зазвичай коли ви займаєтеся метагеномікою, то реконструювати повні геноми не можете: у вас виходять шматочки. А коли видів мало і прочитано при цьому дуже багато шматочків, то вони починають склеюватися у повні геноми. Тут вже можливий якийсь гібрид метагеномних і класичних мікробіологічних підходів.

7  

Була ще чудова історія про морського хробака Olavius algarvensis, в якого немає шлунку. Замість цього у нього в шкірі живуть у симбіозі кілька видів бактерій. Знову ж таки визначили послідовність відразу всіх і описали метаболічні взаємини між цими видами: хтось хробакові робить амінокислоти, хтось допомагає цьому, поставляючи субстрати для дихання.

Від хробака ж бактеріям потрібно, щоб він повзав, оскільки самі вони не можуть пересуватися на великі відстані. Виходить такий тролейбус, який переміщується туди, де є потрібна концентрація сірки, заліза, вуглекислого газу.

Окремо всіх цих істот виростити неможливо: вони можуть існувати тільки як єдине ціле. Ось така чудова метагеномна історія.