Исследование микробного сообщества в задней кишке термитов - Интервью

Термиты и микробы в их кишечнике представляют собой пример крайне увлекательного и сложного мутуалистического симбиоза. Я заинтересован в изучении термитов и этих микробов, чтобы лучше понять все те различные роли, которые играют отдельные компоненты при разложении очень сложного источника пищи — лигноцеллюлозы — до продуктов, которые могут использовать как насекомое, так и микробы. Я — Джаред Ледбеттер.

Я доцент кафедры экологической микробиологии в Калифорнийском технологическом институте и принимаю участие в нашей программе по экологическим наукам и инженерии. Я работаю в Caltech шесть с половиной лет, но на протяжении последних 17 лет мои основные исследовательские интересы сосредоточены на изучении микробных сообществ, обитающих в заднем кишечнике различных видов термитов. С тех пор как я впервые познакомился с микробиологией кишечника термитов в качестве студента летнего курса по микробному разнообразию в Вудс-Хоул, штат Массачусетс, меня очень интересует определение видового состава и функций различных микроорганизмов, обитающих в заднем кишечнике термитов.

Сообщества микроорганизмов в заднем кишечнике термитов состоят примерно из 250 уникальных видов, представляющих все три домена жизни. Можно выделить метагенные Archaea, анаэробные целлюлозоразлагающие протозои — одноклеточные эукариоты, а также широкое разнообразие бактерий, включая множество новых видов группы бактерий, называемых спирохетами. Несмотря на то, что в термитах обитает около 250 различных видов, которые не встречаются больше нигде в природе, даже после почти ста лет исследований мы имеем весьма ограниченное представление о функциях всех этих различных микробов в рамках этого удивительного мутуалистического симбиоза между насекомым-хозяином и микробным сообществом, которые совместно расщепляют целлюлозу до продуктов, служащих основным источником энергии для метаболизма как насекомого-хозяина, так и этих различных микробов.

Таким образом, на протяжении последних 16–17 лет меня очень интересовал вопрос: что это за виды и чем они занимаются? Как эти виды взаимодействуют друг с другом в задней кишке и какую пользу они приносят хозяину? Термиты и микробы в их кишечнике являются примером крайне захватывающего и сложного мутуалистического симбиоза.

Меня интересует изучение термитов и их микробиомов, чтобы лучше понять все многообразные роли, которые играют различные компоненты при разложении крайне сложного источника питания — лигноцеллюлозы — на продукты, которые могут использовать как само насекомое, так и микроорганизмы. Другая причина изучения микробиома кишечника термитов заключается в том, что термиты являются глобально очень важной группой животных, играющих критическую роль в глобальных циклах углерода и азота в тропиках и субтропиках; термиты чрезвычайно разнообразны. То есть существует множество различных видов термитов, и они очень многочисленны.

В качестве примера того, насколько успешны эти насекомые, стоит отметить, что они являются небольшими, но значимыми источниками глобальных выбросов CO2 и метана. Благодаря объему переработанной ими древесины в эти продукты, термиты обеспечивают около 2% глобального объема CO2 и около 4% глобального объема метана, что весьма существенно для какой-либо одной группы животных. Таким образом, изучая микробов и их активность в этих насекомых, мы лучше понимаем самих этих насекомых и основы их глобального успеха.

Изучение термитов и микробов в их кишечнике также представляет интерес с точки зрения масштаба и воспроизводимости. В некотором смысле я изучаю термитов и их кишечные микробы, поскольку это крайне захватывающая и сложная среда. Однако среда задней кишки — эта экосистема задней кишки — значительно отличается от многих других сред.

Задняя кишка термита очень мала, ее объем составляет около одного микролитра, и она имеет четко ограниченные пределы, так как выстлана эпителием кишечника или ограничена самим телом насекомого. Таким образом, мы можем очень конкретно определить границы этой среды. Эта среда крайне мала, и мы можем собрать коробку с термитами, в которой будет 200 особей, что в среднем даст нам многократное повторение одной и той же среды.

Если сравнивать среду кишечника термита, например, с Саргассовым морем, то Саргассово море кажется огромным и колоссальным. Его ширина составляет тысячи миль. Его границы определены, но, возможно, только операционально.

Границы Саргассова моря не являются четко определенными, и оно представлено в единственном экземпляре. Таким образом, изучение Саргассова моря позволяет многое узнать о морских науках, и такие исследования крайне важны. Однако существуют определенные сложности: для этого необходимо иметь возможность арендовать судно и отправиться туда.

Если вы обнаружили какие-либо микробы в этой среде, вы можете не знать, где именно они находятся в любой конкретный момент времени; они могут быть разнесены на многие мили, и, разумеется, каждый из них представлен в единственном экземпляре. Таким образом, крайне сложно изучать Саргассово море, воздействовать на него определенным образом и иметь контрольное Саргассово море для сравнения. Поэтому, изучая микробиоту их кишечника, мы фактически получаем пример среды, которая доступна для применения лабораторных методов.

Мы можем воспроизвести эту среду, вносить в нее определенные изменения и сравнивать результаты с контрольными группами. При этом мы всегда знаем с точностью примерно до одного миллиметра, где именно взаимодействуют все эти различные микробные группы и виды, причем взаимодействие происходит в этом одном микролитре кишечной среды. Поэтому в моей лаборатории мы стремимся изучать это микробное сообщество с помощью любых доступных методов, которые могли бы помочь нам раскрыть секреты данного сообщества.

Безусловно, одним из аспектов этой работы стала попытка вырастить виды, являющиеся резидентными в данном микробном сообществе. In vitro в лабораторных условиях работа с 250 видами крайне сложна, и интерпретация исследований становится намного точнее и яснее, если удается изучать чистую культуру бактерии. Часть наших усилий была сосредоточена на анализе этого кишечного сообщества с целью культивирования и выращивания отдельных видов из него, чтобы затем детально изучить физиологию, генетику и геномику этих видов и на основе полученных данных сделать выводы о функции данного вида в составе сообщества.

Примером этого является наше исследование кишечника термитов. Спирохеты — это организмы спиралевидной формы, которые в большом количестве встречаются почти у всех термитов. У термитов присутствуют спирохеты, которые на самом деле довольно близки к возбудителю сифилиса, однако у всех здоровых термитов обнаруживаются именно эти спирохеты.

Таким образом, на протяжении многих лет мы знали, что эти спирохеты, вероятно, являются симбионтами и оказывают положительное воздействие на хозяина, но мы не знали, в чем именно заключается их роль. Около 10 лет назад мне удалось вырастить некоторые из этих спирохет in vitro, и теперь мы можем изучать их; мы многое узнали об их физиологии и о том, какова, вероятно, роль этих спирохет в окружающей среде. До этого периода мы совершенно не представляли, чем занимаются эти спирохеты в своей среде обитания.

Таким образом, изучение чистых культур позволило нам сделать множество открытий. Мы также используем генно-ориентированные методы для изучения этого микробного сообщества. Определенный тип гена может соответствовать конкретной физиологической функции, и, анализируя данное сообщество, мы можем выяснить, сколько вариаций этого гена в нем присутствует и какие организмы кодируют эти ключевые гены.

Таким образом, мы можем приступить к функциональному анализу процессов, происходящих в задней кишке, изучая разнообразие генов, участвующих в метаболизме азота и ключевых аспектах метаболизма углерода. Мы также можем использовать генные механизмы или генно-ориентированные подходы для оценки разнообразия организмов в термитах. Мы можем использовать гены рибосомальной РНК в качестве маркерных генов или штрихкодов, чтобы точно определить, сколько видов присутствует в этом сообществе, возможно, в каком количестве и насколько наши чистые культуры на самом деле отражают это разнообразие. Поэтому в моей лаборатории мы используем ряд методов на основе анализа генов.

Мы также занимались метагеномикой, целью которой было изучение всего геномного состава этой микробной экосистемы, чтобы попытаться понять, какие именно метаболические процессы протекают в данном сообществе. Таким образом, в моей лаборатории мы изучаем чистые культуры, применяем методы на основе анализа генов с использованием ПЦР, используем метагеномику, а также исследуем ферментативную активность, присутствующую в кишечнике hin.

Мы также используем микроскопию, чтобы выяснить, где именно в кишечнике локализованы организмы и с какими другими клетками они взаимодействуют. В целом, наша цель — понять, сколько видов присутствует в задней кишке, чем они занимаются и как взаимодействуют друг с другом. Изучение микробных сообществ сопряжено с рядом проблем, которые отличают их от других сообществ в природе.

Знаете, довольно просто отправиться на прогулку в лес или в саванну и наблюдать за различными видами растений и животных, которые встречаются вам на пути. Безусловно, в экологии сообществ за последние сто лет было разработано множество методов и подходов, позволяющих ставить вопросы о том, сколько видов растений и животных присутствует в определенном сообществе и с какой частотой они там встречаются. А также о фактическом наблюдении за некоторыми из этих организмов в их сообществе с течением времени, чтобы понять, какие адаптации они имеют к динамике окружающей среды и воздействиям внешней среды, с которыми им приходится сталкиваться.

Знаете, вы можете наблюдать за слоном или львом в саванне и изучать некоторые особенности их поведения, адаптации, способы получения энергии и пищи, а также то, как они взаимодействуют друг с другом. Все это довольно просто наблюдать, когда вы изучаете микробы — организмы, которые видны невооруженным глазом. Также довольно просто определить, имеете ли вы дело с растением или животным.

Я имею в виду не виды как таковые, а то, чем они занимаются. Можно посмотреть на организм и с почти полной уверенностью сказать: это фототроф, это организм, который поглощает солнечную радиацию и превращает эту энергию в нечто полезное. Или я смотрю на животное-посредника и вижу, что это животное использует преимущественно белки в качестве источника энергии.

Существует множество наблюдений, которые можно сделать, прогуливаясь по сообществу Гаваны или по лесному сообществу. Гораздо сложнее делать подобные наблюдения и выводы при изучении микробных сообществ. Организмы очень малы, и даже при наличии очень хорошего микроскопа не всегда очевидно, чем именно отличаются друг от друга разные организмы.

То есть, если рассматривать микробное сообщество как таковое, может быть очень сложно определить количество присутствующих в нем видов и их относительное распределение. Также может быть затруднительно, изучая это микробное сообщество под микроскопом, ответить на вопрос: каковы функции этих организмов? Таким образом, основной проблемой при изучении микробных сообществ является установление того, кто в них присутствует и какую роль они играют.

Таким образом, для изучения микробных сообществ необходимо использовать различные методы, чтобы получить информацию о составе сообщества, об активных организмах, их функциях, а также о том, как они реагируют на изменения в окружающей среде и каковы их адаптации. С тех пор как я впервые заинтересовался изучением микробных сообществ кишечника термитов 17 лет назад, примерно в 1990 году, в моей области в целом произошел ряд технологических прорывов, которые позволили мне и другим исследователям узнать гораздо больше о микробных сообществах, а мне, в частности, о сообществах кишечника термитов. В значительной степени это методы, основанные на анализе генов.

Когда я только начал изучать термитов, можно было использовать микроскопию: изучать микробное сообщество, например, сообщество термита, оценивать различные формы, присутствующие в нем, и получить приблизительное представление о том, сколько различных видов в этом сообществе может находиться. Однако за последние 15–17 лет стало доступно так много методов на основе анализа генов и геномных технологий, что наши возможности по извлечению информации из микробных сообществ, таких как задняя кишка термита, очень быстро изменились. Теперь мы можем использовать гены почти как штрихкоды-маркеры для идентификации различных организмов и сред.

Мы можем изучить микробное сообщество, например, заднюю кишку термита, и определить количество присутствующих в нем различных видов, используя определенные гены в качестве индикаторов этого разнообразия. Мы можем использовать этот ген как штрихкод, чтобы отследить наличие этих организмов в культуре или использовать этот штрихкод для мониторинга колебаний численности различных видов в данном сообществе. С помощью других методов на основе анализа генов мы можем выяснить, присутствуют ли в этом сообществе гены, кодирующие ферменты для конкретного процесса.

И сколько существует вариаций, то есть сколько видов организмов, которые катализируют этот процесс, и есть ли у нас эти организмы в культуре? Существует целый ряд подходов на основе анализа генов и ПЦР (полимеразной цепной реакции) для изучения микробных сообществ, которые радикально изменили наше представление о них. Все эти изменения произошли за последние 20 лет.

Изучение термитов и микробов их кишечника представляет интерес как с точки зрения фундаментальных академических исследований, так и с позиций биотехнологий и прикладных разработок. Термиты питаются древесиной и разлагают ее. Для меня очень важно попытаться понять, с помощью каких механизмов термиты и микробы их кишечника воздействуют на древесину, которая, по сути, является первым в природе композитным материалом.

Это трехслойный композитный ламинат, и это очень прочный материал. Мне крайне интересно понять, как это насекомое и микробы в его кишечнике дезаминируют этот композит, а затем разлагают все его компоненты на продукты, которые могут быть использованы в качестве топлива как самим насекомым, так и этими микробами. Кроме того, это имеет фундаментальное значение для биотехнологии и промышленности.

Как общество, мы до сих пор не до конца понимаем эти процессы. На самом деле мы очень мало знаем о том, как именно происходит разложение древесины. В настоящее время существует значительный интерес к более глубокому изучению того, как разлагается растительная лигноцеллюлоза, будь то рисовая шелуха, кукурузные початки или остатки сахарного тростника после экстракции сахара.

Существует большой интерес к изучению того, как можно переработать низкоценные лигноцеллюлозные сырьевые товары в более ценные продукты, такие как этанол, водород, метан или любые другие вещества. Важно понимать, что термиты постоянно разлагают лигноцеллюлозу древесины, превращая ее в собственное биотопливо. В промышленном масштабе наблюдается значительный интерес к определению того, какие ферменты участвуют в этом первоначальном воздействии на древесину.

И, возможно, тогда можно будет взять эти ферменты и объединить их с другими последующими процессами, чтобы создать новый метод, который будет отличаться от того, что используется сейчас в промышленности или происходит в природе, но который действительно объединит в себе лучшие решения для создания чего-то нового, позволяя преобразовывать древесину в интересующий продукт. Будь то этанол, водород, метан или что-либо еще. В моей лаборатории основное внимание уделяется достижению фундаментального понимания этого микробного сообщества, его взаимодействия с хозяином и той роли, которую хозяин в микробном сообществе играет в деградации лигноцеллюлозы.

Однако существует значительный интерес к попыткам использовать эту информацию при разработке новых промышленных процессов. Я полагаю, что за последние два года велось много дискуссий о биотопливе, и это привлекло внимание к необходимости и даже перспективности исследований в области биотоплива. Однако, честно говоря, я считаю, что уровень финансирования данных инициатив не соответствует тому интересу, который они вызвали.

«Манхэттенского проекта» для биотоплива не существует. До сих пор не было никаких масштабных драматических инвестиций в фундаментальные исследования, которые касались бы разработки биотоплива. И поскольку наше фундаментальное понимание деградации лигноцеллюлозы на данный момент крайне ограничено, я считаю, что любая инициатива в области биотоплива должна включать целенаправленные инвестиции на всех уровнях — от фундаментальных академических исследований до промышленного внедрения, чтобы сделать это возможным.

И если мы хотим, чтобы это произошло через два, пять или десять лет, нам также потребуется инвестировать средства, чтобы люди вкладывали свое время и усилия в достижение этой цели. За последние 20 лет наши возможности использования методов на основе анализа генов для изучения микробных сообществ прогрессировали очень стремительно. Думаю, мы все можем немного помечтать о том, что произойдет в ближайшие пять-десять лет, и я считаю, что существует очень большая вероятность того, что через 10 лет мы будем обладать возможностью определять, секвенировать и анализировать полный геном каждого отдельного вида.

В задней кишке термитов насчитывается как минимум 250 видов, и я полагаю, что у нас появится возможность создать своего рода «картотеку» информации, в которой будет известно содержание генома каждого из этих видов. И это станет очень значимым открытием, ведь всего 10 лет назад мы впервые начали секвенировать геномы очень хорошо изученных микроорганизмов. Думаю, еще через 10 лет мы сможем анализировать сложные микробные сообщества, получать доступ к геномной информации об организмах, которые никогда ранее не изучались детально, и использовать эти данные для проведения первых полноценных исследований этих организмов.