Как микробы управляют нами. Тайные властители жизни на Земле - Эд Йонг

Разумеется, без шумной критики не обошлось, причем даже от других ученых-бунтарей. Журнал Science позже окрестил его «покрытым шрамами эволюционером микробиологии», и шрамы эти остались у него до конца жизни, завершившейся в 2012 году[68]. Сегодня его наследие не вызывает сомнений. Он оказался прав: археи действительно не являются бактериями. И что еще более важно, разработанный им подход – сравнение генов для выяснения степени родства между видами – в современной биологии является одним из главных[69]. Его методы позволили другим ученым – например, его давнему другу Норману Пейсу – начать исследовать мир микробов по-настоящему.

В 1980-х годах Пейс принялся изучать рРНК архей, населяющих места с чрезвычайно высокой температурой. Особенно ему понравилась Октопус Спрингс, глубокая котловина с голубой водой, температура которой достигала аж 91 градуса по Цельсию. В этом источнике было очень много неизвестных микробов, предпочитающих погорячее, – настолько много, что их скопления образовывали видимые розовые волокна. Пейс вспоминает, как прочел об этом источнике и кинулся в лабораторию с криком: «Эй, ребята, вы только взгляните! Их же там килограммы! Хватайте ведро и поехали за ними». Один из коллег возразил: «Ты ведь даже не знаешь, что это за организм».

И Пейс ответил: «Ничего. Просеквенируем и узнаем».

Он мог бы вполне прокричать: «Эврика!» До Пейса дошло: благодаря методам Везе больше не нужно было выращивать микробов, чтобы их изучать! Да чего уж там, даже видеть их было необязательно. Можно было просто вытащить из среды ДНК и РНК и секвенировать их. Так Пейс мог узнать, что там обитает и где оно находится на микробиологическом древе жизни, – биогеография и эволюционная биология в одной пробирке. «Так мы и отправились с ведерком в Йеллоустон», – рассказывает он. В водах этого «спокойного, прекрасного и смертельного» места команда Пейса нашла два вида бактерий и один вид архей, неизвестных до этого науке. Результаты исследования увидели свет в 1984 году[70] – впервые ученым удалось открыть новый организм только по его генам. И тот первый раз был не последним.

В 1991 году Пейс и его ученик Эд Делонг исследовали образцы выуженного в Тихом океане планктона. Сообщество микробов, которое они там нашли, оказалось еще более разнообразным, чем в Йеллоустоне: 15 новых видов бактерий, два из которых явно отличались от всех известных тогда групп. На скудном древе жизни бактерий потихоньку вырастали новые листья, ветви и даже стволы. В 1980-х годах все известные науке бактерии входили в дюжину основных таксономических групп. К 1998 году их уже стало около 40. Пейс во время нашего разговора сказал, что сейчас их примерно сотня, причем около 80 из них так и не культивировали. Спустя месяц Джилл Бэнфилд известила мир об открытии 35 новых таксономических групп – и это лишь в одном месторождении подземных вод в Колорадо[71].

Теперь микробиологи, освобожденные от необходимости выращивать микробов и разглядывать их в микроскоп, имели возможность провести более полную перепись микробного населения планеты. «Наша цель в этом всегда и заключалась, – утверждает Пейс. – Микробная экология, казалось, отжила свой век. Кто-то заглянул под камень, нашел там бактерию и решил, что у остальных все так же. Это же глупо! Мы с первых дней исследований распахнули ворота в настоящий микробный мир. Пусть в моем некрологе так и напишут. Это прекрасное ощущение, таким оно и останется».

Одной лишь 16S рРНК они не ограничивались. Пейс, Делонг и другие скоро научились секвенировать каждый микробный ген в горстке земли или ковшике с водой[72]. Нужно было извлечь ДНК из всех находящихся там микробов, покромсать ее на небольшие фрагменты и сразу все секвенировать. «Да мы, черт возьми, могли так любой ген достать!» – хвастается Пейс. С помощью 16S рРНК они могли узнать, кто там был, но еще у них была возможность выяснить, на что местные виды бактерий были способны. Для этого нужно было поискать гены, отвечающие за синтез витаминов, переваривание клетчатки или невосприимчивость к антибиотикам.

Раз уж эта технология должна была стать для микробиологии революционной, нужно было придумать для нее название поинтереснее. Его придумала Джо Хэндельсман в 1998 году – метагеномика, то есть геномика сообществ[73]. Она как-то сказала, что «появление метагеномики, пожалуй, стало самым важным событием в микробиологии со времен изобретения микроскопа». Наконец-то появился ключ к пониманию того, каких масштабов достигла на Земле жизнь. Хэндельсман и другие начали изучать микробов, обитающих в почве Аляски, на полях Висконсина, в кислотных отходах шахт в Калифорнии, в водах Саргассова моря, в телах глубоководных червей и пищеварительных трактах насекомых. Разумеется, некоторые микробиологи, как и Левенгук в свое время, решили работать в одиночку.

Как и многие другие ученые, в конце концов пересмотревшие свое отношение к микробам, Дэвид Релман изначально собирался их уничтожать и даже стал для этого практикующим врачом, специализирующимся на инфекционных заболеваниях. В конце 1980-х годов он воспользовался методикой Пейса, чтобы выяснить, что за микробы становились причиной загадочных болезней у людей. Поначалу вся его работа казалась тщетной, ведь в каждом образце тканей, где мог потенциально находиться новый патоген, было полно микробов, составляющих нормальную микрофлору. Они лишь сбивали Релмана с толку, пока он не решил, что эти микробы сами по себе могут представлять для него интерес. Почему бы не заняться описанием этих микробов вместо поисков болезнетворного меньшинства?

Для начала Релман отправился к стоматологу и попросил его соскоблить немного налета с десны, а затем поместить образец в стерильную пробирку – так у микробиологов появилась традиция секвенировать собственный микробиом. Этот образец он отнес в свою лабораторию и расшифровал содержащуюся в нем ДНК, зная, что это вряд ли к чему-то приведет. Рот на предмет микробов к тому времени исследовали вдоль и поперек. Микробов полости рта разглядывал Левенгук и изучал Розбери. Микробиологам удалось вырастить почти 500 штаммов бактерий из различных уголков рта. Если и была часть тела, на которой было открыто все, что можно, то только рот. Тем не менее Релман выявил целый ряд новых бактерий на своих деснах – намного больше, чем он смог бы вырастить из тех же образцов[74]. Даже в самой тщательно исследованной среде в теле человека новые виды в огромном количестве сидели и ждали, пока их кто-нибудь откроет. В 2005 году Релман обнаружил то же самое в кишечнике. Он взял пробы с различных участков кишечника у трех добровольцев и обнаружил почти 400 видов бактерий и один вид архей, причем 80 % из них прежде не были известны науке[75]. Другими словами, догадки Дюбо оказались верны – все исследования человеческой микрофлоры в его время были только началом.

В начале 2000-х прогресс начал набирать обороты – исследователи провели секвенирование генов в образцах со всего тела человека. Джефф Гордон, микробиолог-новатор, с которым мы познакомимся позже, доказал, что микробы отвечают за накопление жира и создание новых кровеносных сосудов, а также что у людей, страдающих ожирением, микробы в кишечнике не такие, как у стройных[76]. Да и сам Релман назвал микрофлору «крайне важным органом». Эти первопроходцы привлекли как соратников из всех остальных областей биологии, так и внимание газет и журналов, а еще финансирование для крупных международных проектов, исчисляющееся миллионами долларов[77]. На протяжении столетий микробиом человека таился на задворках биологии, а отстаивать его необходимость пытались лишь бунтари и мятежники. Теперь же он стал частью истеблишмента. История микробиома – это рассказ о том, как представления о науке и организме перемещаются с периферии в центр внимания.

У входа в Королевский зоопарк «Артис» в Амстердаме стоит двухэтажное здание, на стене которого изображена огромная шагающая фигура человека. Человек этот составлен из маленьких пушистых шариков – оранжевых, бежевых, желтых и голубых – и символизирует микробиом человека. Он словно машет прохожим, приглашая их в «Микропию» – первый музей в мире, полностью посвященный микробам[78].

Этот музей открылся в сентябре 2014 года после двадцати лет разработок. Его стоимость – 10 миллионов евро. Логично, что его открыли именно в Нидерландах: всего в 65 километрах от этого места стоит город Делфт, где Левенгук впервые представил миру невидимое царство бактерий. Первое, что я вижу, проходя через турникет в «Микропии», – точная копия одного из его прекрасных микроскопов. Этот скромный и незамысловатый микроскоп помещен в стеклянную банку, а вокруг него разложены образцы того, что в свое время, должно быть, рассматривал Левенгук, – в том числе перцовые настойки, ряска из пруда неподалеку и зубной налет.