Мікробіологія Про життя в бруді - медицина; Харчування - FAZ
Глибоко в південній частині Тихого океану, глибиною в тисячі метрів, дно океану вважається одним з найбільш ворожих регіонів на нашій планеті. Більше мертвих, ніж мертвих - так біологи називають територію між Південною Америкою та Австралією. Але межу між життям тут слід перекроїти.Міжнародна група вчених лише в середині березня повідомила, що вони виявили киснево-дихаючі мікроби в суглинистих відкладах. Одноклітинні організми процвітають не тільки безпосередньо на морському дні, але й до 75 метрів нижче.
Будь то в глибокому морі, на гірських вершинах висотою 3000 метрів, у кишечнику людини чи у вічному льоду: мікроорганізми поширюються по всьому світу. Маси мікроорганізмів. В одному грамі лісового грунту знаходиться до 100 мільярдів клітин з понад 10 000 різних видів. Деякі з них є енергозберігаючими чудесами, як, мабуть, мікроби з дна океану. Деякі, наприклад, деякі види Streptomyces, виробляють важливі антибіотики - приблизно половина всіх препаратів заснована на продуктах обміну бактерій. Одні розщеплюють токсини, інші знищують шкідників рослин. Можна припустити, що вони мають інші великі здібності. Але ми знаємо лише їх частину, може, п’ять відсотків - деякі мікробіологи вважають, що менше одного відсотка. У них можна було б багато чому навчитися, але більшість мікробів не піддаються методам дослідження вчених, не можуть бути виявлені і не можуть розмножуватися в лабораторії.
Це зараз змінюється. Деякі нові, деякі вдосконалені методи певною мірою відкривають двері у всесвіт мікроорганізмів. "Питання про те, хто там? Зараз можна підійти зовсім по-іншому, ніж у минулому завдяки незалежним від культури технологіям", - говорить Пол Іллмер, мікробіолог з Університету Інсбрука. Фрагменти генетичного матеріалу тепер можна витягти із зразка ґрунту, і порівняння їх із відомими послідовностями ДНК у базах даних вказує кількість наявних видів. Таким чином, дослідникам вдається відкривати нові види майже щотижня.
Як пошук у копиці сіна
Двадцять років тому шматочок послідовності ДНК одного організму був предметом докторської дисертації; сьогодні часто недостатньо повністю послідувати сотні нових видів, щоб висадити їх у шанованому науковому журналі. Все більш чутливі методи також дозволяють швидше проводити аналіз та класифікацію стосунків у сімейному дереві. І відкриття організмів лише на дні південної частини Тихого океану є невеликою сенсацією: їх відкриття приблизно еквівалентно виявленню сотні бліх у 50-метровому басейні. Концентрація, яку раніше не можна було виявити. Вони дихають киснем із немислимою повільністю, з пропускною здатністю менше одного електрона на клітинку в секунду - тобто на кілька потужностей в десять нижче частоти дихання, що в лабораторії вважається надзвичайно обмеженим енергією.
"Ми, біологи, вражені різноманітністю та масштабами, з якими маємо справу", - пояснює Антьє Бетіус, глибоководний еколог з Інституту морської біології моря Макса Планка в Бремені. Для дослідників мережа мікроорганізмів схожа на головоломку з мільярдами шматочків. Одноклітинні організми в деяких випадках стали настільки спеціалізованими, що вони можуть існувати лише в компанії інших мікробів, оскільки вони живуть на своїх відходах.
Враховуючи таку складність, ДНК-аналіз лише подряплює поверхню. Тим не менше, мікробіологи вже виявили численні факти, які відповідають на фундаментальні питання. Однак і тривожні речі виявились. Наприклад, в Ецтальських Альпах вони спостерігали, що зміни клімату за останні сім років вплинули не лише на флору. На висоті від 2700 до 3500 метрів змінювалася як кількість мікроорганізмів у грунті, так і склад спільноти. Мікроби, які виробляють метан - потужний парниковий газ - отримують від цього вигоду. Цей ефект може ще більше прискорити кліматичні зміни.
Нові антибіотики
Не менш важко охарактеризувати функціональні властивості нещодавно відкритого виду. Надзвичайно повільний ріст багатьох одноклітинних організмів робить їх аналіз звичайними методами настільки нудними, що вони виходять за рамки докторських дисертацій або часових меж дослідницьких проектів. До теперішнього часу від 90 до 99 відсотків організмів взагалі не могли культивуватися в лабораторії. Вони просто не ростуть у чашках Петрі, незалежно від того, якою комбінацією поживних речовин намагаються їх вигодувати. "Через суєту коштів та публікацій пацієнт, повільна мікробіологія культивування та спостереження за мікроорганізмами в навколишньому середовищі майже вимерла", - говорить Ант'є Боетіус.
Але в цій галузі є також досягнення, які залежать, наприклад, від медицини. На початку року Кім Льюїс та Слава Епштейн із Північно-Східного університету в Бостоні та їх команда викликали фурор, коли представили антибіотик із абсолютно нового класу діючих речовин - тейксобактину. Якщо ця речовина виявиться ефективною та безпечною для людини в майбутніх дослідженнях, це буде перший новий антибіотик з 1987 року. Однак сенсацією є те, що повідомлення переважно лише побіжно згадують, що тейксобактин походить від раніше не культивованої ґрунтової бактерії. Тепер його можна було отримати за допомогою дивовижно простого методу, розробленого в Бостоні; дослідники назвали крихітного виробника Eleftheria terrae.
Більше десяти років тому Епштейн розпочав спеціальні експерименти з вирощування в лабораторії, оскільки, очевидно, не вдалося виробити живильне середовище, яке відповідало б потребам непокірних мікробів. Тож вчені вирішили замість цього спробувати природне середовище. Вони розбавляли свої зразки ґрунту до тих пір, поки з чисто статистичної точки зору в них не залишилася лише одна клітина і не заповнили їх у невеликій камері, обмеженій мембранами. Мікроби не змогли вирватися через пори мембрани, але всередину могли потрапити всілякі поживні речовини. Дослідники повернули камеру назад у грунт, з якого був отриманий зразок. «Коли ми виявили, що можемо таким чином помножити сорок відсотків усіх клітин у вихідній пробі, ми довго не хотіли в це вірити. Тому що це було так просто », - каже Слава Епштейн. Інші також були скептично налаштовані; Пропозиції дослідників Епштейна часто відкидали на тій підставі, що "це не може працювати так легко", навіть після того, як він уже опублікував кілька статей про це.
Приборкання землерийки
Тим часом Епштейн розробив прості дифузійні камери в "iChip", розміром приблизно із сигаретний ящик, із 384 посудинами для зразків. Його співробітники спостерігали, що приблизно чверть мікробів, які ростуть у iChip, раптово також процвітають у штучному живильному середовищі. Якщо решту 75 відсотків піддавати подальшому циклу зростання в iChip, можна обробити чверть. "Ми перевірили, чи це не пов'язано з мутаціями, це не так", - говорить Епштейн. На сьогоднішній день - не доведена - робоча гіпотеза полягає в тому, що багато мікробів, які вважаються невирощуваними, просто перебувають у стані сну протягом тривалого періоду часу. Повністю незалежна від впливу навколишнього середовища, клітина іноді прокидається, щоб перевірити умови, як розвідник, і, якщо потрібно, розмножитися - тоді досить швидко і навіть у живильному середовищі. "Незалежно від того, як це в кінцевому підсумку працює, відкриття робить нас справді оптимістичними щодо того, що у нас величезна кількість організмів, деякі з яких можуть виробляти інші фармацевтично цікаві сполуки", - говорить Епштейн.
Інші дослідницькі групи зараз використовують такі майже природні носії; У крихітних, частково проникних сховищах з агарозою вирощування також, здається, має успіх. Капіляри на наномасштабі також демонструють успіх, і навіть культура взаємозалежних мікробів іноді здається успішною.
Після ґрунтових мікробів Слава Епштейн тепер також хоче приборкати інших неслухняних бактерій. Його цікавить так званий мікробіом, світ бактерій в організмі людини. Епштейн вже випробував мініатюру iChip на зубній емалі добровольців і вже виявив три раніше невідомі типи бактерій. Зараз він розробляє пристрій, який повинен працювати якомога поодинці та досліджувати мікроби - будь то в космосі, у глибокому морі чи в кишечнику. Епштейн оптимістично оцінює, що це спрацює.