Мир под микроскопом
Текст: Алексей Кириллов | 2017-10-23 | 691
В 1676 году нидерландский натуралист Антони ван Левенгук стал первым человеком, увидевшим в оптический микроскоп одноклеточных существ, впоследствии названных бактериями. В их изучении учёные продвинулись уже достаточно далеко, однако количество вопросов, стоящих перед ними, с тех пор лишь неумолимо росло. О микроорганизмах и их значении в жизни человека мы пообщались со специалистом в области молекулярной биологии Константином Севериновым.

- Человеку достаточно сложно составить представление о мире микроорганизмов, поскольку в отличие от привычных растений и животных увидеть микробов невооружённым глазом он не может. Пожалуйста, расскажите, что этот мир всё-таки собой представляет?

Жизнь существует на Земле около 4 миллиардов лет, и первые два миллиарда с небольшим планету населяли исключительно микробы. Все живые существа, включая нас с вами, являются прямыми потомками клетки или клеток микробов, которые жили 4 миллиарда лет назад. Тогда состояние поверхности планеты очень сильно отличалось от теперешнего. В частности, Земля была в целом горячее – 60-80 градусов, а её атмосфера не содержала кислорода. Поэтому первые микроорганизмы, которые её населяли, были с нашей точки зрения очень своеобразными. Они были способны жить при высоких температурах, отсутствии кислорода, высокой кислотности и тому подобное.

Сейчас таких экстремальных экологических ниш осталось мало, но все они заселены микробами. Конечно и остальная часть поверхности Земли, и даже её недра, а также океаны, от поверхности до глубин, густо заселены одноклеточными организмами – настолько, что по количеству клеток бактерии и археи (вместе они образуют царство прокариот - организмов, клетки которых, в отличие от наших, не имеют ядер), многократно превосходят количество многоклеточных организмов, которых мы с вами можем увидеть невооружённым глазом.

Кстати, утверждение, что мы не видим бактерий, и их мир для нас недоступен - не совсем верно. Например, достаточно найти какой-нибудь горячий источник, и вы увидите рядом с ним всевозможные разноцветные образования. Большинство из них связано с жизнедеятельностью бактерий. Многие месторождения железной руды также образованы бактериями, но жившими в далёком прошлом.

Brocken Inaglory / wikipedia

Большой призматический источник в национальном парке Йеллоустоун. Термофилы – тип организмов из экстремофилов, которые живут при относительно высоких температурах (от +45 до +80 °C).

- А насколько разнообразным является видовой состав бактерий и насколько хорошо они все изучены? Много ли бактерий, по оценкам учёных, остаются неизвестными?

Для бактерий не существует понятия вида как такового. Если вы видите зебру, тигра или какого-нибудь краба, то вы более или менее понимаете, что говорите о чётко отличающихся друг от друга объектах. Для них можно ввести понятие вида как группы особей, которые свободно скрещиваются (т.е., обмениваются генетической информацией) и дают плодовитое потомство. Обмена генетической информацией между видами не происходит. Бактерии же, по всей видимости, свободно обмениваются генетической информацией даже между генетически очень удалёнными индивидуумами. Тем не менее, безусловно, есть устойчивые группы бактерий, которые более родственны друг другу, чем другие.

Микробиология как наука возникла в конце 19 века после разработки методов культивации – роста бактерий на искусственных питательных средах в лабораторных условиях. В течение 20 века учёные продолжали культивировать разнообразные бактерии на чашках Петри. Но сейчас, буквально в последние 10-15 лет, стало понятно, что бактерии, которые «соглашаются» расти у нас в лаборатории, составляют ничтожную долю от общего их числа. Подавляющее большинство бактерий - 99,9%, а может 99,999% - точно никтo не знает - на чашках расти отказываются. Мы их не видим, но знаем, что они есть. В образцах почвы, воздуха - где угодно – с помощью современных методов мы можем «прочитать», определить последовательности ДНК этих бактерий. И эти последовательности очень сильно отличаются от последовательностей ДНК тех бактерий, про которые мы что-то знаем. Это говорит о том, что бактерий очень-очень много, а знаем мы их очень-очень плохо.

Adrian Daerr / commons.wikimedia

- Неоднократно приходилось слышать прогнозы, что когда оттает вечная мерзлота, проснётся куча каких-то древних бактерий, которые погубят вокруг себя всю остальную жизнь. Насколько, по вашему мнению, обоснованы такие опасения?

С одной стороны, это, конечно же, глупость, но в каждой глупости есть своё рациональное зерно. Действительно, бактерии в отличие от многих многоклеточных существ, могут долгое время сохранять жизнеспособность при низких температурах, в том числе в условиях вечной мерзлоты. Вечная мерзлота, как и глубинные слои льдов Антарктиды, образовалась сотни тысяч, а то и миллионы лет назад, и там действительно находятся бактерии. Некоторые из них жизнеспособны, и их вытаивание, вызванное глобальным потеплением, может привести к тому, что часть из них попадёт в атмосферу. С другой стороны, не очень ясно, что в данном случае означает само понятие «древние бактерии», поскольку все бактерии – древние. Те же кишечные палочки, которые живут в нас с вами - тоже древние. Они существуют давно, или по крайней мере являются потомками древних кишечных палочек и не сильно от них отличаются. Нет никаких специальных причин считать, что бактерии, которые когда-то жили и теперь в каком-то количестве в результате таяния льдов появятся снова, почему-то вдруг окажутся особенно злющими и начнут всё «крушить». Тем не менее, отдельные содержащиеся в них гены могут войти в циркуляцию и распространиться, если они окажутся полезными современным бактериям. Но я подозреваю, что весь набор генов, который для бактерий доступен в принципе, уже циркулирует и используется, и как «карты» тасуется уже очень давно, поэтому вряд ли появится что-то принципиально новое. Например, в вечной мерзлоте легко обнаруживаются бактерии с генами устойчивости к современным антибиотикам. Ведь начав использовать антибиотики люди не вызвали у бактерий устойчивости как таковой – мы просто отобрали те бактерии, у которых соответствующие гены уже были; бактерии использовали эти гены для своих нужд испокон веков.

- С антибиотиками связано ещё одно крайне распространённое опасение. Заключается оно в том, что бактерии, в конце концов, приобретут устойчивость ко всем создаваемым препаратам, после чего быстро расправятся с человечеством…

И это тоже глупость, в которой есть доля истины. Широкое использование антибиотиков привело к тому, что бактерии, которые раньше были к ним чувствительны, исчезли, а их место заняли более устойчивые варианты. Сначала повысилась частота устойчивых бактерий в больницах, сейчас регистрируют повышение частоты устойчивых бактерий или генов устойчивости к антибиотикам в природных образцах – почве, воде и т.д. Устойчивые к антибиотикам бактерии способны передавать гены устойчивости другим бактериям, которые таких генов не имеют. В результате устойчивость распространяется. Это, кстати, - прекрасная иллюстрация Дарвиновской эволюции. Увеличение частоты болезнетворных штаммов, устойчивых к антибиотикам, означает очевидную медицинскую проблему, ведь если раньше человека, подхватившего то или иное заболевание, можно было вылечить относительно простыми антибиотиками первой волны, то сейчас они уже вряд ли помогут. Хотя проблема, безусловно, есть, в целом антибиотики продолжают работать, и мы все находимся в гораздо лучшей ситуации, чем та, в которой были люди, жившие в начале прошлого века.

Антибиотики – это вовсе не изобретение людей. Это химические вещества, которые одни микробы синтезируют, чтобы подавлять рост своих соседей. Почти все имеющиеся в арсенале современной медицины антибиотики искали с помощью подхода, требовавшего выращивания бактерий на чашках, и с конца 70-х годов прошлого века новые антибиотики стали находить всё реже и реже: раз за разом учёные в разных странах находили одни и те же, уже известные вещества. Возникло ощущение, что все или почти все антибиотики найдены, и бактерии рано или поздно приобретут к ним устойчивость. Я уже говорил, что подавляющее большинство бактерий на чашках вообще не растёт. Но относительно недавно произошёл прорыв – возникла возможность изучать геномы бактерий, отказывающихся расти в лаборатории, а значит мы можем отойти от необходимости их культивировать. Поэтому сейчас, с осознанием того, что мир бактерий огромен и нам нет нужды культивировать бактерии, чтобы получить их гены (например, гены производства антибиотиков), мы приходим к пониманию, что количество новых антибиотиков, которое может быть введено в практику, потенциально неисчерпаемо.

В то же время, идея победить все бактерии также несостоятельна. Бактерии живут на Земле миллиарды лет, и останутся здесь после того, когда мы исчезнем. Подавляющее большинство микроорганизмов о нас понятия не имеет – они занимаются своими делами, мы им совершенно безразличны. Более того, мы сами зависим от населяющих нас микробов, причём, в гораздо большей степени, чем они от нас. Что касается узкого круга болезнетворных бактерий, то и с ними мы тоже никогда не справимся полностью, поскольку на любой антибиотик рано или поздно возникнет устойчивость. То есть вопрос заключается не в том, возникнет она или нет, а в том, когда она возникнет. Люди лишь могут стать чуть-чуть умнее и использовать антибиотики более разумно, чтобы устойчивость возникала медленнее, но нам всё равно придётся искать новые антибиотики.

NIAID / flickr

Микрофотографии бактерий, сделанные с помощью растрового электронного микроскопа: Метициллинрезистентный золотистый стафилококк (жёлтый) и мёртвый человеческий нейтрофил (красный).

Valerie O’Brien, Matthew Joens, Scott J. Hultgren, James A.J. Fitzpatrick, Washington University, St. Louis

Мочевой пузырь лабораторной мыши (синий), реинфицированный кишечной палочкой (лат. Escherichia coli) (розовый). Белые кровяные клетки (жёлтые) растягиваются и, как представляется, являются волокнистыми внеклеточными ловушками для обездвиживания и уничтожения бактерий.

NIAID / flickr

Мышиный макрофаг (жёлтый), инфицированный бактерией Francisella tularensis (синий), являющейся возбудителем туляремии.

- А что представляют собой те бактерии, которые человеку жизненно необходимы?

Тело человека состоит из многих триллионов собственно человеческих клеток. При этом внутри нас и на нас живёт не меньшее количество клеток микробов, в основном бактерий. Большая их часть обитает в кишечнике и фактически образует там единый огромный орган – кишечный микробиом. Эти бактерии в значительной степени ответственны за переваривание пищи, которую мы потребляем, и за производство некоторых веществ вроде витаминов и противовоспалительных соединений, которые наш собственный организм производить не способен. Они в некотором смысле нас кормят, а мы кормим их.

Бактерии живут на слизистых и на коже. Они создают среду, необходимую, в частности, для нормального функционирования этих органов, и защищают их от попадания других, вредных бактерий. Другой вопрос, что если у вас ослабленный иммунный статус или есть какие-то повреждения, то эти же самые бактерии могут вас убить. После смерти мы потихонечку перевариваемся вовсе не червями, а бактериями - наш микробиом становится некробиомом. По изменению спектра микробов на трупе можно довольно точно определить, когда умер человек.

Современные исследования показывают, что некоторые болезни, считавшиеся до недавних пор связанными с генетической наследственностью, стрессами и другими неблагоприятными факторами среды, имеют или могут иметь бактериальную природу. Даже некоторые психические заболевания, возможно, могут быть вызваны отклонениями в составе микробиома.

В общем, если говорить в целом о значении микробов для человека, можно сказать следующее: если бактерии вдруг исчезнут, то человечество вымрет; если вдруг исчезнет человечество, то на бактерий, живущих на Земле, это окажет минимальное воздействие.

- Сейчас в СМИ постоянно появляются новости типа «открыты бактерии, поедающие пластик», «открыты бактерии, питающиеся нефтью», «найдены бактерии, производящие электричество» и т.п. Насколько значимы эти открытия, если они действительно были сделаны?

Бактерии живут в любом уголке земного шара, а это значит, что там они что-то едят, преобразуя одни химические вещества в другие, и извлекая из этого энергию. Они умеют это делать потому, что у них есть гены, которые кодируют ферменты, способные катализировать эти химические превращения.

Биохимические возможности бактерий огромны. Поэтому, когда в очередной раз в СМИ возникают утверждения типа «открыты бактерии, поедающие то или это», речь идёт о том, что кто-то провёл нижеследующий опыт. Берётся водная вытяжка какого-нибудь образца, например, почвы. В этой вытяжке всегда будет огромное количество разных бактерий, но люди, как правило, не вникают каких именно. В этом смысле это крайне нетехнологичное дело, и им любят заниматься в основном в плохоразвитых в научном отношении странах. Эту вытяжку выливают, например, на образец размельчённого пластика, политого жидкой питательной средой, или загрязненной нефтью воды. Идея состоит в том, что среди тех многочисленных микробов, которые есть в вытяжке, какие-то обязательно начнут, например, расти на нефти, потихоньку её переваривая. И действительно почти всегда что-то находят. Но проблема в том, что переваривают эту нефть, как правило, очень сложные сообщества бактерий. А воспроизводимо культивировать целые сообщества или как-то управлять ими чрезвычайно сложно. Поэтому мало что из этих вещей доходит до коммерческого использования. Ведь если речь идёт о коммерческом продукте, вы должны суметь сделать некий состав, например, порошок, содержащий определённое количество охарактеризованных бактерий, и ваш покупатель, рассыпав этот порошок на ту или другую проблемную поверхность, гарантированно должен получить результат. Так вот, со сложными сообществами бактерий добиться воспроизводимости фактически невозможно.

- Для того, чтобы получить сорт какого-нибудь зимостойкого растения, биологи занимаются селекцией или прибегают к редактированию генома. Можно ли подобным образом производить какие-то действия с бактериями, чтобы получить культуры с необходимыми свойствами?

Действительно, многие учёные сейчас пытаются разрабатывать синтетические бактерии. Такая «синтетическая микробиология» использует методы молекулярного клонирования, и основана на высоком, системном уровне понимания нескольких хорошо изученных «модельных» бактерий, например, кишечной или сенной палочек. Вы берёте такую хорошо изученную бактерию и методами генной инженерии убираете из её ДНК часть генов, а взамен вводите интересующие вас гены из других микроорганизмов - в надежде, что бактерия приобретёт какую-то специальную ферментативную, биохимическую или какую угодно другую способность. То есть вы как бы заново создаёте бактерию с необходимыми вам свойствами. Иногда такая работа даёт необходимый результат, но в большинстве случаев идёт со скрипом - выясняется, что хотя мы действительно можем определить и выделить гены, отвечающие за ту или иную функцию, но в нормальном организме, отобранном эволюцией, ни один ген не работает сам по себе, его активность зависит от сотен, а может быть тысяч других генов. Так что практических результатов этого дела пока немного.

Формально первый (и пока единственный) полностью синтетической организм - это микроб, сделанный около десяти лет назад группой Крейга Вентера, того самого, который первым расшифровал геном человека. Он изъял из клетки бактерии содержащуюся в ней генетическую информацию, затем с помощью специальных приборов и экспериментальных ухищрений синтезировал очень длинную последовательность ДНК, которая соответствовала геному другой, родственной бактерии, и ввёл эту синтетически полученную ДНК в клетку бактерии, лишённую собственной ДНК. Получилась вполне живая, способная к делению клетка. Но этот опыт, скорее, демонстрация технических возможностей, научное значение у него небольшое.

Вообще, микробы умеют хорошо делать то, что они умеют, потому что они «оттачивали» свои способности в течение эволюционного процесса, который длился миллиарды лет, и в ходе которого отбирались самые приспособленные организмы. Мы же хотим что-то куда-то засунуть, надеясь, что будет даже лучше, чем в природе. В этом, безусловно, есть изрядная доля нахальства. Я думаю, в конечном счёте мы, скорее всего, придём к комбинации синтетической биологии (это тот подход, который я вам обрисовал выше) с методами искусственной, ускоренной эволюции. Эволюцию ведь можно очень эффективно проводить в пробирках, просто отбирая микробов с желаемыми свойствами.

Anna Ivanova / 123rf.com

Long PHAM / flickr

- Какие основные надежды сегодня возлагаются на микробиологов? Какие результаты их деятельности нам ждать в ближайшее время?

Я не думаю, что вопрос поставлен правильно. Есть масса прикладных микробиологических лабораторий: медицинских, индустриальных, пищевых. Значение микробов в пищевой промышленности и медицине огромно и у специалистов, работающих там, есть важные и чётко определённые задачи. Но микробиология – это ещё и очень важная фундаментальная биологическая дисциплина. Ведь в некотором смысле, жизнь – это вовсе не люди, звери или растения, жизнь – это бактерии. Микробы отличаются друг от друга очень сильно. Два случайно взятых микроба с точки зрения молекулярной биологии, биохимии, физиологии могут различаться сильнее, чем, например, человек отличается от кукурузы. Поэтому всё многообразие жизни, к которой мы привыкли, по сравнению с многообразием мира микробов очень незначительно. Микробиологи, изучающие разных микробов, изучают совершенно разные формы жизни и всё время обнаруживают совершенно неожиданные вещи. Как и в любой другой фундаментальной науке, в микробиологии огромную роль играет элемент случайности. Так, совсем недавно были обнаружены комплексы генов, с помощью которых бактерии борются с вирусами. Они получили название CRISPR-Cas и сейчас с их помощью учёные разрабатывают методы лечения генных болезней человека. Казалось бы, где бактерии и их вирусы, а где генетические болезни? Тем не менее связь прямая, но ещё 5 лет назад никто об этом не догадывался. Так что делать прогнозы в науке – бессмысленное дело, и именно поэтому она такая интересная и захватывающая.

Фото на обложке статьи: NIAID / flickr