«Природный банк» под ногами

Более 99% микроорганизмов на планете невозможно вырастить в лаборатории — ученые называют их «микробной темной материей». Заглянуть в этот скрытый мир позволяет метагеномика: она читает ДНК прямо из окружающей среды и собирает из нее отдельные геномы.

Именно так команда лаборатории антимикробной резистентности ТюмГУ получила геном-разрешенную картину микробного мира севера Западной Сибири — из современных почв и мерзлых отложений возрастом до 40 тыс. лет. Ни один из более чем сотни реконструированных геномов не удалось отнести к известному виду бактерий.

В древней мерзлоте доля знакомых науке родов составила всего 6%. Среди находок — генные кластеры, похожие на те, что кодируют мощный антибиотик даробактин, а также древние гены устойчивости к антибиотикам, возникшие задолго до изобретения пенициллина. Как «выудить» геномы из общего генетического котла, чем мерзлота отличается от современных почв и стоит ли бояться, что древние микробы «оттают», «Ъ-Наука» поговорила со старшим научным сотрудником лаборатории антимикробной резистентности Института экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO) ТюмГУ, кандидатом биологических наук Дарьей Пошвиной.

— Полностью расшифровать организм по MAG нельзя: это чаще всего фрагментированный геном, и его качество оценивают по полноте сборки и контаминации. Но он позволяет понять, что организм умеет: какой у него обмен веществ, какие есть гены резистентности и синтеза антибиотиков. А как он выглядит, как растет и ведет себя в живой среде, мы по геному не видим.

— С технической стороны 304 Гб — это объем, который невозможно обработать на обычном компьютере: сборка требует мощного сервера с большим объемом оперативной памяти и многих часов или даже суток расчета. Главные трудности скорее биоинформатические. Во-первых, организмы в пробе представлены очень неравномерно: у доминирующих бактерий десятки тысяч прочтений приходятся на геном, и сборка получается хорошей, а у редких организмов данных не хватает, и их геномы остаются фрагментарными. Во-вторых, близкие виды и штаммы имеют похожие участки ДНК, поэтому программа может «склеить» их в одну сборку или, наоборот, разорвать единый геном. В-третьих, в древних образцах ДНК повреждена и разбита на очень короткие фрагменты, что затрудняет сборку и повышает долю ошибок. Чтобы решить эти проблемы, мы использовали несколько программ для группировки фрагментов в геномы (бининг) и оставляли только те геномы, которые прошли проверку по полноте и контаминации в соответствии с общепринятым стандартом MIMAG (Bowers et al., 2017).

— Метагеномика читает ДНК, а ДНК сохраняется и после гибели клетки, поэтому, по нашим данным, мы не можем уверенно сказать, какие организмы живы. В научных работах описано, что в многолетней мерзлоте находили и жизнеспособные клетки, которые удавалось оживить, и «реликтовую» ДНК погибших организмов. Вероятно, и в нашем образце есть и то и другое.

— Эволюция не замирает, она замедляется: клетки редко делятся, но продолжают ремонтировать ДНК и накапливать изменения. Низкая доля известных родов означает, что большинство бактерий мерзлоты нет в имеющихся базах данных, то есть они в основном не описаны, поскольку мерзлота долго была изолирована и мало изучена, а базы данных построены в основном на современных почвах и культивируемых организмах.

— Мы наблюдаем разнообразие генных кластеров, но не знаем, работают ли они и какие вещества создают. Можно предположить, что на скудных субстратах в стабильной среде конкуренция за ресурсы и ниши сохраняется тысячелетиями, и «химический арсенал» накапливается, пока ничто не нарушает сообщество, тогда как современные почвы испытывают перепады условий и вмешательство человека. С другой стороны, в мерзлоте много новых групп бактерий, чьих кластеров нет в базах данных, поэтому они могут казаться «разнообразнее».

— Это пока не значит, что в мерзлоте найден готовый препарат: мы нашли не само вещество, а генный кластер, по структуре сходный с кластером даробактина. Это предсказание по последовательности ДНК, а образуется ли в природе такое соединение, какова его структура и действует ли оно на бактерии, пока неизвестно. Утверждать, что у современных супербактерий «гарантированно нет защиты», тоже нельзя. У любого антибиотика есть механизмы устойчивости, и многие из них появились в природе задолго до человека, поэтому против новой молекулы они могут оказаться или не оказаться эффективными. Это можно выяснить только экспериментально.

Чтобы проверить находку, нужно либо вырастить исходный организм, что для древних микроорганизмов часто невозможно, либо перенести кластер в удобного хозяина, получить вещество, выделить его, установить структуру и проверить на бактериях. Это работа не на месяцы, а на годы. Даже при успехе путь от открытия молекулы до лекарства обычно занимает больше десяти лет, поэтому называть сроки первых тестов в лаборатории и тем более применения я бы не стала.

— Да, бактерии умели защищаться от антибиотиков задолго до появления человека, и в этом нет парадокса. Антибиотики не изобретение медицины: многие из них вырабатывают почвенные микроорганизмы, например стрептомицеты, чтобы подавлять конкурентов. Если одни организмы производят такое «химическое оружие», то у других неизбежно возникает защита от него. Так между микроорганизмами идет гонка вооружений, которой миллионы лет. Гены устойчивости находили и раньше в тысячелетней мерзлоте, поэтому наши находки в 40-тысячелетних слоях это подтверждают и расширяют.

Откуда берутся эти гены? У многих из них исходные функции вовсе не связаны с лекарствами: белки-«насосы» выкачивают из клетки вредные вещества, ферменты разрушают чужие молекулы или изменяют мишени антибиотика. Для бактерий, живущих рядом с продуцентами антибиотиков, такой набор защитных генов был вопросом выживания, а случайные мутации и обмен генами между соседями распространяли успешные варианты. Важно понимать, что наличие древних генов устойчивости не отменяет роли человека. В больницах и на фермах резистентность растет именно потому, что мы применяем антибиотики в огромных количествах и тем самым отбираем бактерии, у которых такие гены есть, а также ускоряем их передачу болезнетворным видам. Древние гены — это «запас» природы, а скорость распространения современной резистентности определяет наше обращение с препаратами.

— Я бы говорила о возможном риске, но не о неизбежной пандемии. Прямых доказательств того, что новая эпидемия придет из мерзлоты, нет, а только генов резистентности для болезни недостаточно, ведь большинство почвенных бактерий не приспособлено жить в организме человека. Но оттаивание реально выпускает в среду накопленные микроорганизмы и гены, которые могут смешаться с современными сообществами, а в 2016 году на Ямале вспышку сибирской язвы связывали с оттаявшим телом оленя. Поэтому нужны базовые данные о том, что именно содержится в мерзлоте, и наши результаты описывают такую «точку отсчета» для будущего мониторинга.

— Проект реализован в рамках гранта в форме субсидии на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития (2024–2026) «Эмерджентные биологические угрозы для сельского хозяйства России и стран СНГ в условиях глобальных изменений». В рамках запланированного продления проекта предполагается создать открытый каталог не только сибирских геномов, но и геномов, полученных из почв других исследованных регионов.

— Я считаю, что это важный инструмент, но не единственный и не волшебный. Большинство известных антибиотиков вышли из почвенных микроорганизмов, а «микробная темная материя» — это организмы, которых не удается вырастить в лаборатории, и они лишь расширяют поле поиска: мы можем искать новые соединения по геномам, не выращивая их продуцентов. От находки гена до работающего лекарства, однако, лежит долгий путь, и сама по себе новая молекула кризис не решит. Кризис антибиотикорезистентности порождает не недостаток открытий, а то, как мы используем антибиотики. Поэтому нужны разумное их использование в медицине и сельском хозяйстве, быстрая диагностика, профилактика инфекций и альтернативные подходы вроде фагов, а поиск новых соединений в «темной материи» должен идти параллельно с ними. У метагеномики большие возможности, но «спасением человечества» они станут только вместе с остальными мерами.