5. Метагеномика

В задачи исследований входит:

• изучение геномов микроорганизмов из природных выборок (вирусов, бактерий и протистов);

• изучение биопленок (окисленных шахтных вод, планктонных сообществ Саргассова моря, рисовых полей с их разнообразием архебактерий, захоронений скелетов китов);

• изучение облигатных паразитов и симбионов, которые не могут жить вне хозяина;

• палеогеномные исследования сохранившихся остатков вымерших животных (пещерный медведь, мамонт) и вымерших антропоидов (неандерталец).

Изучением биопленок планктонных сообществ Саргассова моря занимается лаборатория Крэйга Вентера, бывшего директора геномной фирмы Celera Genomics. Целью исследований является массовая дешифровка геномов бактерий. Пробы морских микробов добываются на месте, а секвенирование геномов проводится в лаборатории на корабле. Основная задача — поиск новых генов, имеющих прикладное значение. Объем просеквенированных нуклеотидных последовательностей составил более 1 млрд нуклеотидов. Среди 1800 обработанных видов бактерий 148 видов науке не были известны (Киселев, 2004).

Среди перспективных исследований облигатных паразитов и симбионтов определенные успехи достигнуты в изучении метагенома кишечной микрофлоры человека. При анализе ДНК малой единицы рибосом установлено, что кишечная микрофлора человека содержит 10¹³— 10¹⁴ микроорганизмов, более 1 000 видов бактерий, то есть это количество в 10 раз превосходит число клеток в организме человека (Gill et al., 2006). По приблизительным оценкам, метагеном этого микробиома насчитывает число генов, по меньшей мере, в 100 раз больше, чем в геноме человека. Этот микробиом можно рассматривать в качестве добавочного органа, достигающего у взрослого человека веса 1 кг и представляющего форму мутуализма (симбиоза), а обитающую у хозяина микрофлору как комменсальную (Backhed et al., 2005). Микробиом, в том числе кишечная флора, бактерии на коже, в дыхательных путях и урогенитальном тракте, играет важную роль в поддержании здоровья людей. На мышах и крысах показано, что виды Lactobacillus оказывали антидиабетическое воздействие при диабете (Yadav et al., 2006).

Взаимодействие микробиома и человека можно представить как своеобразную гибридизацию человек X микробы, а человек является неким сверхорганизмом (англ. superorganism) (Sekirov, Finlay, 2006). В связи с огромным разнообразием микробиомов наблюдается значительная вариабильность индивидов. Матка человека является стерильной, поэтому новорожденный ребенок имеет стерильный желудочно-кишечный тракт. Получение комменсальной микрофлоры сверхорганизмом достигается в первый год жизни ребенка преимущественно за счет бактерий материнского организма.

Поэтому человек, являясь им при рождении на 100 %, за счет бактерий становится им на 90 % — так возникает поистине сложный сверхорганизм!

Подводя итог всему описанному в заключении, можно поставить вопрос: какие направления биологии XXI в. стимулировали проведенные геномные исследования?

Расшифровка последовательностей генома, как первый уровень его понимания, явилась огромным творческим моментом для всей биологии. Ведущие ученые Российской академии наук делают прогноз, что биология XXI в. будет направлена на изучение организации простейших живых систем — отдельных клеток. На этом пути будут создаваться компьютерные модели живой клетки, а первый шаг уже сделан — им явилось учреждение Международного консорциума по проекту полной компьютерной модели клетки кишечной палочки Е. coli. Об экспериментах в этом направлении заявила теперь уже всемирно известная коммерческая фирма «The Institute for Genome Research» (TIGR). В основе этих исследований будет геном бактерии Mycoplasma genitalium с наименьшим по размеру геномом, состоящим из 517 генов. Это станет основой для рождения биологии XXI в. как интегральной основы естествознания, с ее комплексом идей и методов генетики, молекулярной и клеточной биологии, физиологии, эволюционики, информатики, математики и физики.