Бум в расшифровке геномов привел к увеличению числа прочитанных геномов. В апрельском номере журнала Nature опубликована статья, вызвавшая дискуссию среди специалистов по чтению и расшифровке геномов живых организмов.
Проблема для дискуссии состоит в том, что 99% микроорганизмов, живущих в почве, не могут быть выращены в лабораторных условиях, а это является традиционным способом изучения микроорганизмов и их геномов в том числе. Мы мало что знаем о жизни почвенных микроорганизмов, и сейчас это является одним из новых направлений в биологической науке. Во-первых, это связано с открытием новых антибиотиков, во-вторых, это дает возможность получать промышленно важные ферменты, в - третьих, мы до сих пор не понимаем экологические связи и экологическую роль почвенных микроорганизмов, а без них наша планета напоминала бы просто пустыню, населенную, может быть, только небольшим количеством лишайников.
Проблема была частично решена с помощью метода «вылавливания» генов просто из окружающей среды, например, из почвы. Этот ген мог быть встроен в «рабочую лошадку» Escherichia coli, позволяющую анализировать отдельные гены различных организмов. Джо Хандельсман (Jo Handelsman) сотрудник из Университета Висконсина (University of Wisconsin) назвал подобные исследования фрагментов ДНК некультивируемых организмов «метагеномикой».
Большинство антибиотиков и промышленно важных ферментов были выделены из известных культивируемых микроорганизмов. Теперь с помощью метагеномики в лаборатории Хандельсмана были открыты антибиотики, названные турбомицин А и турбомицин B. Пионер в исследовании почвенных микроорганизмов Юлиан Дэвис (Julian Davies) из Канадского Университета Британской Колумбии (University of British Columbia in Canada) таким же способом открыл антибиотик террагин. Многие коммерческие компании заинтересовались таким скринингом (поиском) полезных для промышленности и медицины веществ. По словам Дэвиса, если мы поймем, что происходит в почве, под нашими ногами, то это окажется удивительнее, чем то, что происходит наверху. «Если когда-нибудь будет создан каталог всех микроорганизмов, то астрономия будет выглядеть жалко», - заявил он.
Сложные физические, химические и биологические взаимосвязи в почве делают ее исследование несколько пугающим даже для такого человека, как Крейг Вентер (Craig Venter), который руководил проектом секвенирования (чтения) человеческого генома. Теперь он считает передним краем науки и новым вызовом секвенирование ДНК тех микроорганизмов, о которых мы может быть даже и вообще не знаем. Он считает, что сегодня развитие технологий позволяет выделить не просто геном отдельного организма, но и геномы всех микроорганизмов сразу и получить в итоге смесь множества геномов, собственно, «геном почвы».
Вместо того, чтобы клонировать неизвестные гены в «рабочие» бактерии типа Escherichia coli, а затем изучать эти гены и белки, с которых они синтезируются, можно провести тотальный сиквенс ДНК всех микроорганизмов, встречающихся в почве. Можно создать библиотеку фрагментов ДНК, не зная какому именно виду бактерии они принадлежат, а потом читать их с помощью секвенирования.
Несколько экологических групп из Европы и Соединенных Штатов пытаются в настоящее время объединиться, чтобы создать большие мощности для такого огромного проекта. И это то, к чему сейчас пришел Вентер. Одним из его проектов был похожий проект тотального секвенирования всей ДНК из воды, взятой из Саргассового моря. В результате были найдены 1.2 миллиона новых генов и доказательства существования 148 новых видов. Сфокусироваться необходимо не на изучении отдельных генов, а на изучении геномов – это подход Вентера, в отличие от подхода метагеномики. «Собрать геномы из окружающей среды – намного более сложная задача, чем секвенирование человеческого генома»,- говорит Вентер. Чтобы прочесть человеческий геном полностью было необходимо чтение 3 биллионов нуклеотидных пар. Подобная работа с почвенными организмами, проведенная даже с меньшей точностью, может потребовать таких же усилий, как чтение 40 тысяч человеческих геномов одновременно.
Криста Шлепер (Crista Schleper) из Норвежского Университета Бергена (University of Bergen) уже создала три библиотеки, содержащие 3 биллиона нуклеотидных пар, использовав для этого образцы песчаной почвы и лесной. Но она не секвенировала свои библиотеки, она объявила о том, что ждет помощи от научного сообщества.
Но даже если привлечь все необходимые деньги и средства для секвенирования подобных библиотек, созданных из геномов различных организмов, возникают довольно сложные проблемы. Одна из них связана с тем, что существует «горизонтальный» перенос генов, то есть один и тот же ген может передаваться друг другу представителями разных видов микроорганизмов. Вторая проблема состоит в том, как отличить один геном от другого? Так, например, при чтении генома мушки дрозофилы (Drosophila melanogaster) возникала проблема присутствия в библиотеке генов дрозофилы генов ее симбионта бактерии Wolbachia. Оказалось, что очень нелегко отличить геномы даже таких далеких и таких разных организмов, как насекомое и бактерия.
Но некоторые исследователи, Шлепер, например, полагают, что собирать полные геномы не является самой важной и необходимой задачей. Так как между микроорганизмами часто происходит обмен генетическим материалом, можно считать саму почву как бы живым организмом, и такой подход, возможно, более плодотворен. Этот подход используется в настоящее время в сотрудничестве между корпорацией «Диверса» (Diversa) и Департаментом США Института объединения геномов (US Departament of Energy’s Joint Genome Institute). Они классифицируют отдельные гены не по принципу принадлежности к какому-либо организму, а по принципу функции, которую выполняет данный ген, то есть, не по принципу организма, а по принципу метаболизма. Они провели сравнение микробиологических сообществ в окультуренной почве с такими же сообществами в морской воде и с сообществами, образующимися на дне океана, где скапливаются отмершие растения и погибшие животные. Сравнение показало, что даже неполное определение ДНК из взятых образцов позволяет охарактеризовать данную окружающую среду и предполагать их экологическую роль в данной экологической нише.
Удастся или нет собрать полные геномы микроорганизмов, в любом случае, знание «общего генома» почвы даст множество фактов, позволяющих предполагать механизмы экологических процессов в различных средах. Существует также и другое мнение, разделяемое многими микробиологами, говорящее о том, что даже если прочесть все геномы всех микроорганизмов, то мы будем все также далеки от понимания экологических процессов, как и до этого. Тем не менее, многие считают, что общее направление исследований выбрано правильно.
«Я думаю, что исследования в этой области будет иметь большее влияние на науку, чем секвенирование генома человека», - сказал Вентер. Не все с ним согласны, но есть и те, кто считает так же – возможно, теперь наступает новая эра в микробиологической экологии.
Справка. Создание генетических библиотек (банков).
Библиотека (банк) генов — полный набор генов данного организма, полученный в составе рекомбинантных ДНК.
Рекомбинантные ДНК для создания библиотек сконструированы следующим образом. Они находятся в легко культивируемом организме, например, в E.coli. Такие молекулы ДНК часто называют векторами, так как они могут «жить» в E.coli сами по себе, но также в них можно вставить кусок «чужой» ДНК, а потом его изучать, например его можно секвенировать (прочесть его последовательность нуклеотидных пар). Такие куски ДНК не могут быть слишком большими, поэтому «чужую» ДНК, которую хотят прочесть, обычно режут на куски с помощью специальных ферментов и вставляют в вектор. Получается набор векторов, несущих самые разные фрагменты изучаемой ДНК, это и есть библиотека или банк генов изучаемого организма.
Далее необходимо секвенировать все эти фрагменты и объединить друг с другом. Объединение происходит, если удается прочесть фрагменты, частично перекрывающиеся на своих концах. Если удается проделать эту операцию со всеми кусками ДНК некоторого организма, то можно сказать, что его геном нам известен, то есть прочитан.
Яна Войцеховская
