Научная армия мобилизуется для картирования почвенного микробиома США

Генетики из Университета Джонса Хопкинса и небольшая армия исследователей по всей стране, включая студентов, работают над каталогизацией обширного и в значительной степени неизвестного почвенного микробиома США.

Этот проект, одно из крупнейших исследований микробиома из когда-либо предпринимавшихся, использует новейшие технологии анализа ДНК. Он уже привел к открытию более 1000 новых штаммов бактерий и ранее невиданных микробов — и это лишь крошечная доля микробной "темной материи".

"Научный вакуум, который мы пытаемся заполнить в отношении микробного разнообразия, можно было восполнить только благодаря этой сети ученых и студентов по всей территории Соединенных Штатов", — сказал старший автор Майкл Шатц, ведущий эксперт по геномике. "Почва — это самая биологически активная среда на Земле, однако мы отобрали лишь крошечную часть жизни, которая в ней обитает".

Проект описан в Nature Genetics.

Почва — самое биоразнообразное место обитания на планете, дом для более чем половины всех существующих видов, включая позвоночных, членистоногих, кольчатых червей, нематод, растений и грибов, а также миллионов бактерий, архей, бактериофагов и других микробных видов.

Определенные микроорганизмы в почве являются ключевыми для экологических функций, от которых зависит жизнь человека, животных и растений. Другие способствуют развитию антимикробной резистентности, что угрожает здоровью человека, позволяя бактериям и вирусам становиться невосприимчивыми к антибиотикам и другим лекарствам.

По оценкам, 99% почвенных микроорганизмов остаются не изученными или являются частью того, что ученые называют микробной "темной материей". Команда, состоящая из десятков исследователей в большинстве штатов страны и вооруженная новейшими технологиями анализа ДНК, надеется добиться прогресса.

Консорциум BioDiversity and Informatics for Genomics Scholars (BioDIGS) охватывает более 40 площадок по всей стране. Команда из примерно 150 человек включает исследователей из десятков учреждений, в том числе многих студентов.

Проект был частично вдохновлен консорциумом MetaSUB, исследованием, запущенным в 2010 году для сбора и изучения микробов на каждой станции метро Нью-Йорка, которое в конечном итоге переросло в глобальную инициативу.

Обширная команда собирает образцы почвы в городских и сельских районах, а затем анализирует их, выявляя генетические взаимосвязи и закономерности между почвой, окружающей средой и здоровьем человека. Это стало возможным благодаря недавним достижениям в технологиях изучения ДНК, в частности, секвенированию длинных прочтений. Команда использует ту же сложную технологию, которая позволила расшифровать последние участки человеческого генома.

BioDIGS собрал образцы со всех уголков страны, из самых разных типов местности. В районе Балтимора команды собирали образцы с детских площадок, лесных ручьев и популярных пешеходных маршрутов. Команда из колледжа Спелмана в Атланте собирала образцы возле объекта Суперфонда (участка захоронения опасных отходов). Другие исследовали всё: от ферм и газонов до диких лугов, лесов и парков.

Эмили Биггейн, которая руководит сбором образцов в Техническом колледже Объединенных племен в Северной Дакоте, заявила, что BioDIGS "расширил охват науки". Студенты UTTC собрали образцы на открытой части своего кампуса, которая может быть застроена.

"Наши студенты имеют глубокую связь с землей, и этот проект предоставил возможность изучить свойства того, что почитается и уважается", — сказала Биггейн, научный сотрудник. "Студенты узнали о микроскопических живых существах, которые называют почву своим домом, и это был целостный опыт для лучшего понимания почвы, которая нас поддерживает".

Помимо работы над заполнением пробелов в знаниях о биоразнообразии почв, BioDIGS также поощряет следующее поколение генетиков и укрепляет учебные материалы по генетике в участвующих учебных заведениях. На сегодняшний день более 100 студентов-исследователей внесли свой вклад в проект, и организаторы ожидают привлечения еще большего числа по мере расширения работы.

"Студенты могут быть очень продвинутыми специалистами по данным", — сказал Шатц. "Они участвовали в сборе образцов, а теперь мы полагаемся на них в помощи по созданию референсных геномов микробов, сканированию и идентификации генов — всему. Мы знали, что не сможем сделать это в одиночку".

Авторы-корреспонденты включают Эмили Биггейн из Технического колледжа Объединенных племен в Северной Дакоте; Ментеваб Аялев из колледжа Спелман; Карлу Фуллер из Городского университета Нью-Йорка; Аву М. Хоффман из лаборатории наук о данных Фреда Хатча; и Сяньфа Се из Университета штата Вирджиния. Есть десятки дополнительных авторов.