Микробиом ( micro — «маленький», bios — «жизнь») — сообщество микроорганизмов , населяющих конкретную среду обитания, или совокупность генов микроорганизмов такого сообщества . Термин часто используется как синоним «микробиоты» или « микрофлоры » , впервые был употреблён в статье 1952 года, посвящённой загрязнению воды стоками из канализации . Собственным микробным сообществом (микробиомом) обладают все экосистемы , начиная от тканей и органов отдельных организмов и заканчивая целыми средами обитания . Микробиом участвует в важнейших экосистемных процессах, способствуя как метаболизму хозяина в локальном масштабе , так и биогеохимическому круговороту питательных веществ в глобальном .

Самыми генетически разнообразными являются почвенные микробиомы, которые влияют на взаимодействие между наземными и подземными биомами, водными экосистемами и земной атмосферой. Микробиом океана оказывает влияние на климат планеты, участвует в круговороте азота и других питательных веществ.

Микробиомы сред обитания

Микробиомы почв

Почвенные микробиомы — самые генетически разнообразные экосистемы на Земле, включающие сложные комплексы бактерий , архей и эукариот . Почва содержит около 10 ⁸ —10 ¹⁰ клеток микроорганизмов на грамм , что многократно превышает их содержание на миллилитр (10 ⁴ —10 ⁷ клеток) в Мировом океане . Почвенные микроорганизмы играют важнейшую роль в поддержании геохимического состава биосферы . Они ответственны за циркуляцию биогенных элементов ( азота , углерода и фосфора и других), их преобразование в доступный для растений вид, поддержание структуры почвы . Микроорганизмы фиксируют атмосферный азот и углерод, производят органические вещества и иммобилизуют достаточное количество азота и других питательных веществ , чтобы инициировать процессы круговорота азота в молодой почве . Почва представляет собой резервуар видов микроорганизмов, которые напрямую поддерживают (полезные симбионты ) или препятствуют ( патогены ) росту растений, а также изменяют биодоступность питательных веществ и токсинов . Микробиом почв влияет на взаимодействие между наземными и подземными биомами, водными экосистемами и земной атмосферой, обеспечивает обмен между геологическими запасами и биосферой .

Среди наиболее важных представителей почвенного микробиома, вносящих наибольший вклад в формирование почвенного микробного сообщества — бактерии родов Pseudomonas (производят различные антибиотики , литические ферменты , гормоны растений , этилен , ауксины и гиббереллины ), Azotobacter , Clostridium , Rhizobium и Bradyrhizobium (усваивают атмосферный азот) , а также актиномицеты ( Streptomyces ) и грибы — Mycorrhizae .

Микробиомы вод

Океаны и моря

Океанический микробиом — это сильно разбавленная микробная система, которая покрывает большую часть поверхности Земли. Его границы простираются от полярных регионов Арктики и Антарктики до кипящих гидротермальных источников в морских глубинах и известковых илов . В совокупности на океанический микробиом приходится ~ 0,0001 % объёма морской воды . Микробиом океана оказывает влияние на климат нашей планеты, участвует в круговороте азота и других питательных веществ. Одно из важнейших свойств океанической микробиоты — наличие в ней первичных продуцентов . В отличие от других микробиомов, в океаническом присутствуют организмы, способные к преобразованию световой энергии, что вносит существенный вклад в циркуляцию энергии по земной экосистеме . Примерное содержание микроорганизмов в Мировом океане варьирует от 10 ⁴ до 10 ⁷ клеток на миллилитр в зависимости от глубины, а в озёрах в среднем 10 ⁶ клеток на миллилитр .

Наиболее распространённые представители микробиома океана — бактерии Vibrio , Pelagibacter ubique , Prochlorococcus , Cyanobacteria ; а также археи Halobacteria , Haloquadratum walsbyi , .

Реки

Отличительной чертой экосистемы реки является изменчивость из-за течений. В связи с этим, вдоль течения реки наблюдаются изменения в разнообразии микробиома, которые могут быть постепенными в местах со слабыми движениями водных масс, или резкими, происходящими на стыках с другими экосистемами . Разложение органических веществ , продуцирование парниковых газов , эвтрофикация , усвоение металлических загрязнителей, разложение ксенобиотических соединений — это лишь малая часть процессов, осуществляемых речным микробиомом . Особое практическое значение имеет, что у членов микробиома загрязнённых рек выявляются гены, способные расщеплять различные токсины и ксенобиотики. Учитывая, что реки являются источниками питьевой воды, данные изменения могут отражаться на человеке и животных .

Наиболее распространённые представители микробиомов рек — бактерии Actinobacteria , , .

Микробиомы живых организмов

Микробиомы растений

Микроорганизмы различаются по типу взаимоотношений с растением, например, встречаются патогены, эндофиты и симбионты . Потребности растений в азоте, фосфоре и железе удовлетворяются за счёт активности микроорганизмов в почве, на её поверхности и в непосредственной близости от неё . В свою очередь, источником углерода для представителей растительного микробиома могут служить как исключительно корневые экссудаты растений (например, род Myxococcus ), так и органическое вещество почвы (например, отряд ) . Почвенные микроорганизмы колонизируют корни растений. Комменсальные , симбиотические или патогенные бактерии и грибы надземных частей растений, также частично происходят из корней и почвы. На формирование микробного сообщества в ризосфере оказывают влияние генотип растения-хозяина, тип почвы и методы выращивания , изменяют фенологию и время цветения , влияют на выработку сухого вещества побегов растений и вызывают системную устойчивость к болезням . Также вероятно, что микробиомы влияют на качество смол , фруктов, мёда и эфирных масел .

Микробиомы животных

Микробиомами обладают практически все живые организмы: начиная от губок и заканчивая человеком . Наличие и состав резидентных микробных сообществ в организме животного напрямую влияет на его физиологическое состояние . Микробные сообщества наиболее часто заселяют пищеварительную систему и внешнюю поверхность тела животных , а также репродуктивные органы и ротовую полость человека. Помимо этого, микроорганизмы можно обнаружить и в кровеносной системе человека и даже в гемолимфе насекомых . У некоторых животных есть специализированные органы, в которых обитают определённые группы микроорганизмов . При этом ассоциации между животными и конкретными видами не случайны . В организме хозяина формируются комплексные приспособления для обеспечения полезных микроорганизмов пищей, подходящей средой обитания и защитой от других представителей .

Хорошо известно, что микробиом может участвовать в процессах пищеварения , расщепляя соединения, недоступные для собственных ферментативных систем хозяина, что расширяет животным кормовую базу . Микроорганизмы способны нейтрализовать токсины , синтезировать различные молекулы, необходимые для метаболизма хозяина ( витамины и др.) . Микробы , населяющие поверхность тела, защищают хозяина от патогенов. Возможно, микроорганизмы оказывают влияние не только на физиологическое состояние животного, но и на его поведение, путём синтеза сигнальных молекул .

Методы изучения микробиома

Таргетное секвенирование ампликонов

Для определения таксономического разнообразия в изучаемом образце используется секвенирование гена 16S рибосомальной РНК (16S рРНК), присутствующей во всех живых организмах. Вместе с тем, использование 16S рРНК в качестве индикатора разнообразия зачастую не позволяет различить виды из-за отсутствия у них различий в этом гене . Микробное сообщество часто определяется стабильным видовым составом, но такая стабильность не всегда соблюдается при многократном заборе проб (микробное сообщество не гомогенно на всём своём протяжении, его состав также может колебаться с течением времени) .

После секвенирования ампликонов для определения состава микробного сообщества используются методы молекулярной филогении . Это делается путём кластеризации ампликонов в оперативные таксономические единицы ( ) и выведения филогенетических связей между последовательностями ДНК .

Метагеномное секвенирование

Альтернативой исследованиям маркерных генов (16S рРНК) является метагеномный анализ с помощью секвенирования методом дробовика . Получаемый набор последовательностей может охватить весь геном отобранных микроорганизмов, а не только отдельный маркерный ген. Такой подход может выявить функциональную комплиментарность внутри изучаемого образца и на основе этого предложить взаимодействия между его членами. Однако сборка и присвоение функции и таксономии метагеномным последовательностям — сложная задача, которая часто порождает множество предсказаний с низкой достоверностью . Часто также возникает неоднозначность относительно того, каким именно организмам принадлежит конкретно взятая последовательность, так как не всегда доступен полный геном организма .

Метапротеомика и метатранскриптомика

Помимо изучения геномов, особый интерес представляют транскриптомы и протеомы микроорганизмов в составе сообществ. Комплексное изучение молекул белка и молекул РНК в составе образца, содержащего в себе представителей различных видов бактерий, называются соответственно метапротеомикой и метатранскриптомикой. Эти подходы, в отличие от описанных выше, позволяют не просто оценить генетический потенциал сообщества, а получить представление об активных генах и синтезируемых молекулах белка и метаболитах .

Для метатранскриптомных исследований обычно проводится пиросеквенирование РНК, выделенной из всего сообщества . Данные для метапротеомики получают выделением белков из клеток сообщества с их последующим анализом методом масс-спектрометрии .

Определение взаимодействий внутри микробиома

Существует трёхфазный подход для выявления причин и последствий микробных взаимодействий . Он основан на поиске паттернов в видовом составе микробных сообществ, изучении роли отдельных видов в функционировании всего сообщества, поиске конкретных механизмов, обуславливающих эту роль.

Для выявления совместной встречаемости видов в составе сообществ, которые могут быть объяснены взаимодействиями внутри них, используются метагеномные исследования in situ . Для изучения межвидовых взаимодействий в составе сообществ, используются экспериментальные микробные сообщества: изучается изменение фенотипа сообщества в попарных скринингах или при удалении отдельного вида из сообщества для установлении его роли в нём. Для идентификации генетических и молекулярных механизмов, лежащих в основе этих микробных взаимодействий, используются транскриптомные, метаболомные и скрининги, а также исследуются генетически модифицированные микроорганизмы .

Влияние взаимодействий внутри микробиома на эволюцию микроорганизмов

Эволюционные исследования показали, что некоторые характеристики микроорганизмов, включая метаболизм , стрессоустойчивость и вирулентность , могут быстро эволюционировать в популяции по мере последовательной смены поколений . Взаимодействия между микроорганизмами могут ингибировать фенотипическую и генетическую эволюцию конкретного вида путём сокращения размеров популяции и уменьшения потенциальной генетической изменчивости для отбора , или могут способствовать адаптации , когда результатом взаимодействия является смена экологической ниши эволюционирующего вида. Исследования нескольких представителей рода Pseudomonas показали, что конкуренция со стороны других видов может как ингибировать , так и стимулировать их эволюцию . Ещё одним примером может служить появление в микробиоме функциональной специализации у микроорганизмов, часто являющейся результатом эндосимбиоза . Так, ассоциация между бактериями Candidatus «Moranella endobia» и Candidatus «Tremblaya princeps» , живущими внутри клеток червеца цитрусового ( Planococcus citri ), привела к разделению между ними промежуточных звеньев путей синтеза фенилаланина , аргинина и изолейцина .

Экологическое перекрывание или эквивалентность могут лежать в основе часто наблюдаемых таксономических различий между образцами, взятыми из одних и тех же или похожих мест обитания . Наиболее убедительным примером этого является отсутствие постоянного «основного» микробиома во многих органах человека . Так, S.M. Huse et al. (2012) в исследовании, проведённом в рамках международного проекта « Микробиом человека » , показали, что чёткая категоризация микробиоты фактически невозможна и правильнее говорить не о существовании , а о наличии непрерывного градиента микробных сообществ . Проект «Микробиом человека» появился в 2007 году, и исследования в этой сфере проводились Национальными институтами здравоохранения США вплоть до 2016 года. Его целью было получить наиболее полную картину разнообразия микрофлоры различных органов человека .

Хотя не представляется возможным выявить «основной кишечный» микробиом человека, все же при более точном определении можно охарактеризовать основной микробом «здорового толстого кишечника с высоким содержанием белка и жиров животного происхождения». Преемственность может также играть роль, например, при детерминировании зубного налёта: один и тот же участок может быть занят «ранними» или «поздними» сообществами, которые возникают после нарушения . Также при исследовании распределения в микробиомах почвы, озёрной воды и солёных отложений было выявлено отсутствие перекрывания между ними даже при уменьшении порога идентичности последовательностей до 89 % .

Модифицирование микробиома

В последние годы изучение микробиома быстро прогрессировало от поиска взаимосвязей между хозяином и микробиомом до понимания его роли в развитии заболеваний. Манипулирование естественной микробной флорой человека открыло уникальную возможность для повышения эффективности комменсальной флоры и снижения рисков возникновения связанных с ней заболеваний. Появились микробно-центрированные терапевтические стратегии, которые обеспечивают или воссоздают желаемую функцию интересующего микробного сообщества, либо подавляют или устраняют определённый нежелательный или патогенный элемент . Например, была успешно использована при инфекциях Clostridium difficile за счёт пересадки фекальных микробиомов от здоровых доноров пациенту, что привело к восстановлению нормальной микробиоты . В других случаях, благодаря методам системной биологии идентифицировали отдельных микроорганизмов и некоторые их консорциумы, которые могут, в значительной степени, повторять эффекты пересадки фекальных микробиомов .

Также существуют экспериментальные методики модификации микробиома in situ . Для этих целей используются CRISPR/Cas9 системы. Они способные узнавать определённые участки генома патогенов, отвечающие за устойчивость к антибиотикам, и приводить к их деградации. Для доставки этих систем в бактериальные клетки используются бактериофаги . При этом CRISPR/Cas9 нуклеазы , благодаря специфичности своего устройства, поражают только определённые штаммы потенциально опасных бактерий. В связи с этим, их использование безопасно для нормальной микрофлоры и может предотвращать развитие дисбактериоза .

Проекты

Помимо выше затронутого проекта « Микробиом человека », существует также созданный в 2010 году проект « Микробиом Земли » — это инициатива по сбору природных образцов и анализу микробного сообщества по всему миру. Микроорганизмы очень распространены, разнообразны и играют важную роль в экологической системе . Тем не менее, по состоянию на 2010 г. было подсчитано, что в окружающей среде отсеквенировано менее 1 % от общей ДНК , обнаруженной в литрах морской воды или грамме почвы . А конкретные взаимодействия между микроорганизмами остаются неизвестными. Цель проекта «Микробиом Земли» состоит в том, чтобы обработать до 200 000 образцов в различных биомах , создав полную базу данных микроорганизмов на Земле, чтобы охарактеризовать окружающую среду и экосистемы по микробному составу и взаимодействию. Используя эти данные, можно предложить и протестировать новые экологические и эволюционные теории .

Примечания

Эта статья входит в число хороших статей русскоязычного раздела Википедии.