Кишечные археи: темная материя вашего организма

В этом году исполняется 40 лет с того момента, как американский микробиолог Карл Везе преподнес научному сообществу сюрприз в виде неизвестного прежде царства жизни, именуемого ныне археями. Сегодня археи рассматриваются уже в качестве отдельного домена, отличного от бактерий и эукариот, а кроме того, известно, что именно археи (если точнее – асгардархеи) стали прародителями эукариот, то есть всех животных, растений, грибов и разноликих простейших. Но насколько хорошо мы успели познакомиться с нашими прокариотическими кузенами за это время? Да не то чтобы очень.

Многие из вас знают, что археи – экстремалы живой природы, способные выживать в суровых местообитаниях с экстремальными температурами, кислотностями и давлениями – у горячих гидротермальных источников, в вулканических кратерах и на океанском днище. Желудочно-кишечный тракт тоже в некоторой степени можно назвать экстремальной средой – археи живут и там, только об этом знают уже не многие. Обычно, когда речь заходит о кишечной микробиоте, люди вспоминают в первую очередь о бактериях, и они действительно там превалируют. Однако ученые уже больше 30 лет осведомлены о метаногенных археях, разделяющих с бактериями кишечное пространство, в том числе человеческое. Впрочем, осведомлены они не особенно хорошо: как показал последний анализ, примерно 90% разнообразия кишечных архей все это время было скрыто от глаз ученых.

Methanobrevibacter-smithii
Methanobrevibacter smithii – самая распространенная архея в кишечниках гоминид, она производит основную часть вашего метана. Изображение слева получено методом непрямого иммунофлуоресцентного анализа (из Macario & Macario, 2009), справа – под просвечивающим электронным микроскопом (из Samuel et al., 2007).

Пролить свет на архей, живущих в кишечниках гоминид, взялись микробиологи из Техасского университета в Остине (США). Для этого им, конечно же, понадобилось много какашек. Рассматривать их в лупу в поиске заветных архей ученым, разумеется, не пришлось, благо тот же Карл Везе придумал выявлять новые виды микробов, секвенируя и сравнивая последовательности гена 16S рРНК, который присутствует у всех организмов, за исключением вирусов. Для этого используются специальные кусочки ДНК – праймеры, они присоединяются к началу и концу гена, а затем особый фермент начинает строгать его многочисленные копии, которые потом и секвенируются.

Обычно в таких исследованиях микробиологи прибегают к помощи так называемых универсальных праймеров, способных прицепиться как к бактериальным, так и к архейным и эукариотическим генам. Но поскольку в этот раз ученые нацелились на поиск именно архей, то провели повторное секвенирование с участием праймеров, специфичных к археям. Дело в том, что «универсальные» праймеры все-таки разрабатывались прежде всего для поиска бактерий, но случается, что ДНК праймера не совпадает идеально с ДНК-последовательностью участка, предназначенного для его усадки на ген, и в таком случае праймер не работает. Таким образом, ряд бактерий, а тем более археи, которые в кишечнике в заметном меньшинстве, не воспринимаются такими праймерами и остаются в безвестности для науки.

Разница в результатах оказалась огромной. Если рассматривать средние значения по выборкам, то у человека с помощью специфичных к археям праймеров было выявлено 37 разновидностей архей, в то время как универсальные праймеры обнаружили всего одну! У орангутанов – 161 против 7, у горилл – 135 и 7, у бонобо – 71 и 6, у шимпанзе – 69 и 7. Общий же «улов» архей составил 646 разновидностей, или операционных таксономических единиц (OTU), как их называют ученые: 302 у орангутанов (8 особей), 470 у горилл (20 особей), 247 у бонобо (18 особей), 235 у шимпанзе (14 особей) и 120 у людей (10 человек). Из этих OTU 74 встречаются у всех пяти видов гоминид, и 9 – по меньшей мере у 80% представителей каждого вида.

F1.large

Интересно заметить, что разнообразие архей в человеке намного меньше, чем у остальных обезьян, и это, кстати, согласуется с данными по бактериям (о вероятных причинах сокращения микробного биоразнообразия у человека и обезьян в зоопарках мы писали здесь). Все это археи, производящие метан, – из отрядов Methanobacteriales, прежде всего Methanobrevibacter smithii (OTU30) и Methanosphaera stadtmanae (OTU84), и Methanomassiliicoccales (OTU112), которых и раньше встречали в кишечниках людей, только не в таком многообразии. У обезьян обнаружились археи, которые не являются метаногенами, например из отряда Nitrososphaerales, и их довольно много. В других исследованиях такие археи встречались и у людей, но лишь в единичных случаях. Изредка попадают в человеческий кишечник и галофильные археи, но в данной работе выборка была слишком мала, чтобы их отыскать. И даже с такими маленькими выборками приматов выявленное разнообразие кишечных архей впечатляет.

Спустя 40 лет археи по-прежнему остаются во многом тайной для науки. Изучать их намного сложнее, чем бактерий: в чашках Петри они, капризные экстремофилы, не растут. Открывать их можно с помощью метагеномного анализа, когда секвенируется не отдельный ген 16S рРНК, а весь генетический материал из образца, с последующим «собиранием» геномов из обрывков по известным ДНК-лекалам. Но это достаточно дорогостоящее предприятие, если желаешь сравнить тысячи образцов, да и для большинства архей попросту нет подходящих лекал для сравнения. Наука, разумеется, на месте не стоит и регулярно пополняет базы данных новыми ДНК-последовательностями для будущих анализов. Но пока что большинство архей, да и бактерий тоже, сохраняют статус «микробной темной материи», которую мы пока не нашли, но о которой ведаем и которая, несомненно, оказывает на нашу жизнь огромное влияние.


Текст: Виктор Ковылин. Научная статья: mSphere (Raymann et al., 2017)

Все права на данный русскоязычный текст принадлежат нашему журналу. Если вы хотите поделиться с друзьями и подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью – мы будем рады. Пожалуйста, не копируйте текст в соцсети целиком, мы хотим, чтобы наши статьи читали на нашем сайте, попутно замечая и другие наши прелестные статьи. С уважением, Батрахоспермум.

pygathrix-nemaeus

Вас также могут заинтересовать статьи:
Обезьяньи микробиомы очеловечиваются в зоопарках
Десятикратное превосходство микробов в человеке развеяно
Стерильные мыши и исследования кишечных микробов


Комментарии:

Высказать свое мудрое мнение