Воздух, ДНК и черноморский курорт
Начинается первый в России проект создания карты микробиома атмосферы
Классический экологический мониторинг городов давно стандартизирован: специальные станции измеряют концентрацию мелкодисперсной пыли, диоксида азота, озона и других химических соединений. Однако за рамками этих анализов остается огромный массив данных — биологическая составляющая воздуха. Бактерии, грибы, споры растительности, вирусы и фрагменты ДНК постоянно циркулируют в атмосфере, чутко реагируя на антропогенную нагрузку, изменения климата и погодные аномалии.
Фото: Оксана Зуйко / Коммерсантъ
Фото: Оксана Зуйко / Коммерсантъ
Ученые научно-технологического университета «Сириус» первыми в стране попробуют превратить эти невидимые биоаэрозоли в системный инструмент оценки качества окружающей среды. В качестве пилотного полигона выбран Черноморский регион, где уникальное сочетание влажных субтропиков, морского побережья, горного рельефа и плотной курортной застройки создает идеальную естественную лабораторию для межсредового анализа. С помощью передовых методов метагеномного секвенирования исследователи намерены проследить, как микроорганизмы мигрируют между почвой, водой и атмосферой, а также разработать «индекс качества воздуха нового поколения». В него планируют включить не только видовой состав аэробиома, но и его функциональные особенности — например, маркеры устойчивости к антибиотикам.
О том, как «поймать» ультранизкую биомассу из воздуха, зачем сравнивать ДНК бактерий на суше и в море и сможет ли новая система предсказывать биологические риски для человека, «Ъ-Науке» рассказала руководитель проекта, старший научный сотрудник Международного научного центра в области экологии и вопросов изменения климата научно-технологического университета «Сириус», кандидат биологических наук, PhD Софья Позднякова.
— Вы позиционируете микробиом воздуха как «комплексный инструмент» оценки среды. В чем принципиальное отличие вашего подхода от классического экологического мониторинга, который оперирует химическими показателями?
— Классический мониторинг качества воздуха в первую очередь оценивает концентрации взвешенных частиц, газообразных загрязнителей и их химический состав. Мы добавляем к этой картине еще один слой — биологический компонент воздуха: бактерии, грибы, вирусы и другой биологический материал, который постоянно присутствует в атмосфере. До недавнего времени технические возможности для его глубокой характеристики были очень ограниченны. Современная метагеномика позволяет определить не только, какие микроорганизмы присутствуют в воздухе, но и какие функциональные гены они несут. При этом мы не рассматриваем микробиом изолированно. Мы будем сопоставлять биологические данные с концентрацией взвешенных частиц, химическими и метеорологическими параметрами и характеристиками территории. Именно объединение физической, химической и биологической информации и составляет комплексность нашего подхода.
— В чем уникальность Черноморского региона как «естественной лаборатории» и почему именно здесь решено отрабатывать систему биологического мониторинга воздуха?
— Для нас особенно интересна федеральная территория «Сириус» и Имеретинская низменность, поскольку на сравнительно небольшой площади здесь соседствуют море, урбанизированные территории, транспортная инфраструктура, зеленые зоны, водные объекты и предгорья. И при этом территория находится в условиях влажного субтропического климата. Это создает выраженные природные и антропогенные градиенты, которые можно исследовать в единой системе.
Есть и очень важное преимущество: территория уже достаточно хорошо изучена коллегами из нашего международного научного центра в области экологии и вопросов изменения климата. Активно ведутся исследования почв, водных экосистем, процессов в системе «река—море», проводится пространственное зонирование. Поэтому мы начинаем не с нуля, а можем интегрировать микробиом воздуха в уже существующий экологический контекст. Ну и, конечно, нельзя не отметить, что в научно-технологическом университете «Сириус» есть вся необходимая лабораторная инфраструктура, позволяющая пройти весь путь от полевого отбора до глубокого молекулярного анализа образцов.
— Проект — первый в России в этой области. С какими зарубежными аналогами вы себя соотносите и в чем планируете их превзойти?
— Я бы скорее говорила, что это одно из первых системных исследований такого типа в России, поскольку отдельные исследования биоаэрозолей, безусловно, проводились и раньше. В мире тоже существует всего несколько крупных научных школ, которые системно занимаются метагеномикой воздуха. Например, группа профессора Стефана Шустера в Сингапуре (Prof Stephan C. Schuster, Singapore Centre on Environmental Life Sciences Engineering) разработала методы метагеномного анализа ультранизкобиомассных образцов воздуха и изучает пространственную и временную динамику аэробиома. С этой группой мы уже сотрудничаем. Во Франции группа профессора Пьера Амато (Pierre Amato, LMGE) изучает микроорганизмы атмосферы и их активность. Также мы активно сотрудничаем с группой профессора Фумито Маруямы в Японии (Fumito Maruyama, Hiroshima University) по изучению механизмов воздушного перемещения организмов, обладающих резистентностью. Есть также международный консорциум MetaSUB, который создает метагеномные карты городских сред.
Наша задача — не столько «превзойти» эти проекты, сколько объединить несколько направлений в одной системе. Мы планируем проводить долговременный мониторинг на одной хорошо охарактеризованной территории, одновременно исследовать воздух, воду и почву и сопоставлять молекулярные данные с метеорологией, взвешенными частицами и характеристиками землепользования. Это позволит изучать не только состав аэробиома, но и его сезонную динамику, возможные источники и перенос микроорганизмов между различными средами.
— Микробиом воздуха — это ультранизкобиомассные образцы. С какими методическими сложностями сталкивается команда при отборе проб в прибрежной зоне и как вы планируете их решать?
— Это действительно одна из главных технических сложностей проекта: в воздухе очень мало биологического материала. Поэтому необходимо отфильтровать большой объем воздуха, не потеряв при этом временное разрешение исследования. Мы будем использовать высокопроизводительные пробоотборники, оптимизируя скорость и продолжительность отбора в зависимости от типа анализа. Причем просто увеличивать время сбора бесконечно нельзя: в наших предыдущих исследованиях мы показали, что слишком длительное непрерывное накопление материала может, наоборот, ухудшать выявление отдельных видов. Вторая принципиальная проблема ультранизкобиомассных образцов — контроль загрязнения на всех этапах: от отбора до выделения ДНК и подготовки библиотек. Поэтому для нас критичны полевые и лабораторные контроли, оптимизированные методы выделения ДНК и строгий контроль качества каждой пробы. Протокол работы с такими образцами мы уже разрабатывали и валидировали в предыдущих исследованиях.
— Вы будете анализировать не только воздух, но и почвенные, осадочные и водные образцы. Как вы планируете выстраивать межсредовой анализ для понимания переноса микроорганизмов между морем, сушей и атмосферой?
— Здесь одно из ключевых преимуществ даст shotgun-метагеномное секвенирование. Оно позволяет сравнивать между воздухом, водой и почвой не только общий таксономический состав, но и генетические характеристики микроорганизмов. На первом уровне мы сможем использовать методы microbial source tracking и статистически оценивать, какая часть микробиома воздуха наиболее похожа на потенциальные источники — например, почву, пресную или морскую воду.
На более глубоком уровне мы сможем реконструировать метагеномные геномы отдельных микроорганизмов и сравнивать их между средами. Здесь уже можно анализировать геномное сходство вплоть до отдельных генетических вариантов и определять, обнаруживается ли близкая популяция или штамм одновременно, например, в воде и в воздухе. При этом сам факт генетического сходства еще не доказывает направление переноса. Поэтому молекулярные данные мы будем совмещать со временем отбора, метеорологией, направлением воздушных масс и пространственными данными. Именно сочетание этих уровней позволит нам переходить от простого наблюдения совпадений к обоснованной оценке возможных путей переноса.
— Как будет выглядеть «индекс качества воздуха нового поколения»? Какие биологические маркеры лягут в его основу и как вы отделите естественную сезонную вариабельность от антропогенного сигнала?
— Индекс пока не является заранее заданной формулой — одна из задач проекта как раз состоит в том, чтобы определить, какие биологические показатели действительно информативны и воспроизводимы.
Первый этап — сформировать фон: понять, какой микробиом характерен для разных участков территории в разные сезоны и насколько велик диапазон его естественной изменчивости. Только после этого можно искать устойчивые отклонения, связанные с городской, транспортной или другой антропогенной нагрузкой.
Здесь принципиально важна shotgun-метагеномика. В отличие от классического ампликонного секвенирования, которое обычно дает хорошую характеристику сообщества, но имеет ограниченное разрешение на уровне видов и практически не дает прямой информации о его функциональном потенциале, shotgun позволяет гораздо точнее определять виды, а при достаточной глубине — и отдельные штаммы, одновременно анализируя функциональные гены.
Поэтому потенциально в индекс могут войти не только изменения состава микробного сообщества, но и функциональные показатели — например, относительная представленность генов антибиотикорезистентности, мобильных генетических элементов и других признаков адаптации к стрессовым условиям.
Уже существуют исследования, показывающие, что антропогенные источники могут иметь характерные профили воздушного резистома. Но важно подчеркнуть: мы не предполагаем заранее, что определенный ген автоматически является маркером загрязнения. Задача проекта — проверить, какие комбинации биологических показателей устойчиво связаны с конкретными характеристиками среды именно в условиях Черноморского региона.
— Вы говорите о «системе раннего предупреждения». Что конкретно она будет предсказывать: вспышки аллергий, распространение антибиотикорезистентности, последствия экстремальных погодных событий?
— На первом этапе правильнее говорить не о прогнозировании конкретных заболеваний, а о раннем выявлении биологических изменений в воздухе. Система будет объединять данные о микробиоме с метеорологическими параметрами, концентрацией взвешенных частиц и характеристиками территории и на основе накопленных временных рядов определять условия, при которых возникают устойчивые отклонения от нормального для данной территории фона. Например, мы сможем выявлять сочетания погодных условий, при которых возрастает содержание определенных грибных аэроаллергенов, или отслеживать изменения в представленности генов антибиотикорезистентности после определенных экологических событий. Отдельный интерес для нас представляют экстремальные осадки, паводковые события и другие события, способные резко изменить обмен микроорганизмами между почвой, водой и воздухом.
То есть прототип должен отвечать прежде всего на вопрос: «Произошло ли биологически значимое отклонение от обычного состояния среды и с какими условиями оно связано?». Уже в дальнейшем, после накопления и валидации данных, такие сигналы можно будет связывать с конкретными экологическими и потенциальными медико-биологическими рисками.
— Насколько сложно будет адаптировать вашу систему к другим регионам России? Есть ли универсальные маркеры или для каждого региона потребуется своя «базовая карта»?
— Сама методология хорошо масштабируется: система отбора проб, секвенирования, биоинформатического анализа и интеграции с метеорологическими данными может быть перенесена в другой регион. Но биологический фон нельзя просто перенести из «Сириуса», например, в Сибирь или Центральную Россию. Микробиом воздуха зависит от климата, сезона, растительности, почв, водных объектов, характера землепользования и деятельности человека. Поэтому для каждой климатической и экологической зоны потребуется определить собственный базовый диапазон.
Именно поэтому «Сириус» для нас — первая модельная территория, на которой мы хотим отработать универсальную методологию. В дальнейшем можно будет создавать сопоставимые региональные карты и уже на их основе искать признаки, которые действительно являются общими для разных территорий.
— Вы много лет работали в Германии и Испании. Что стало решающим фактором для возвращения в Россию и воплощения проекта именно в «Сириусе»?
— Это было сочетание нескольких факторов. После многих лет работы в международных научных центрах для меня стало важно привезти накопленный опыт и технологии обратно в Россию и создать уже собственное научное направление.
В последние годы я все больше понимала, что хочу перейти от участия в отдельных международных проектах к созданию своей исследовательской группы и долгосрочной научной программы. В «Сириусе» появилась такая возможность: есть сильная экологическая экспертиза, современная лабораторная инфраструктура и территория, на которой можно выстроить полноценное исследование от полевого мониторинга до метагеномики и анализа данных. Это для меня не столько возвращение, сколько развитие карьеры: мой опыт в зарубежных университетах станет основой для нового исследовательского направления здесь. Я выиграла конкурс в рамках государственной программы научно-технологического развития федеральной территории «Сириус» на финансирование своего проекта и формирование здесь научной команды, в ее состав войдут и молодые ребята — магистранты, аспиранты университета.
— Если представить идеальный итог проекта через пять—десять лет, что это будет: карта, сервис, законодательная норма или новая научная дисциплина?
— Первый результат, безусловно, карта биологического состава воздуха и понимание его нормальной пространственной и сезонной изменчивости. Но для меня это только первый уровень. В более долгосрочной перспективе я хотела бы видеть микробиологические показатели интегрированными в существующие системы мониторинга качества воздуха наряду со взвешенными частицами, химическими загрязнителями и метеорологическими параметрами.
То есть идеальный итог — это уже не просто карта, а работающая система наблюдения, которая регулярно получает данные, распознает необычные биологические изменения и помогает понять, с какими процессами в окружающей среде они связаны. Если удастся показать, что такие данные воспроизводимы и действительно дают дополнительную информацию для экологии и здоровья человека, следующим этапом станет создание сети таких наблюдений в разных климатических зонах России и сопоставление их с аналогичными исследованиями в других странах. Для меня конечная цель, чтобы биологическая составляющая воздуха стала таким же полноценным объектом экологического мониторинга, как его физические и химические характеристики.