Отслеживание могущественных микробов
Джиллиан Бэнфилд изучает очень, очень маленькие объекты, но её работа огромна по масштабу и влиянию. Настолько огромна, что её открытия имеют значение для космоса, человеческого тела и почти всего, что между ними.
Бэнфилд, биогеохимик, геомикробиолог и профессор материаловедения и инженерии, изучает микробы — их функции и потенциал как по отдельности, так и в группах. «Если представить кубический сантиметр почвы, размером с кончик пальца, в нём может содержаться миллиард микроорганизмов», — говорит Бэнфилд. «Микроорганизмы есть практически везде, и они осуществляют все действительно важные преобразования, которые управляют биогеохимическими циклами Земли».
Микроскопические организмы настолько разнообразны и многочисленны, что до сих пор открываются целые новые генетические ветви. Что делают эти крошечные микробы? Какую роль они играют в своих сообществах? Поиск ответов на эти вопросы и разработка методов использования микробов для решения неотложных экологических и медицинских проблем лежат в основе исследований Бэнфилд.
Осенью прошлого года Бэнфилд получила две самые престижные награды в своей области — Медаль Бенджамина Франклина в области наук о Земле и окружающей среде и премию L’Oréal-UNESCO «Для женщин в науке» — за новаторскую работу о том, как микробы изменяют горные породы и взаимодействуют с природным миром.
В 2004 году она помогла создать исследовательский инструмент под названием «шотган-метагеномика», который восстанавливает геномы из микробной ДНК, извлечённой непосредственно из образцов окружающей среды. Последовательность бактериальной ДНК, которую им удалось создать из системы дренажа кислых шахтных вод, привела к получению почти полных геномов для бактерий, которые ранее не поддавались культивированию в лаборатории.
С этого момента стало возможным изучать целые геномы без барьеров и препятствий работы с лабораторными культурами. Есть и другие исследовательские преимущества. «Одна из реальных сил метагеномики в том, что нам не нужно знать, что мы ищем», — говорит она. «Там столько всего, чего мы не знаем. Некоторые микробы производят ферменты или молекулы, о которых мы даже не подозревали, используя пути, о существовании которых мы не знали. Всё это полезно для понимания жизнедеятельности на Земле».
Метагеномный инструмент имеет широкое применение, одинаково хорошо работая как с образцами, собранными во враждебных наземных средах, так и с образцами, взятыми из глубин человеческого тела. Один из текущих проектов изучает микробы в кишечнике недоношенных младенцев.
Кишечник недоношенных детей, уязвимый к часто смертельным инфекциям, также предлагает редкую стерильную среду при рождении. Бэнфилд и коллеги из Университета Питтсбурга и Стэнфордского университета секвенировали и восстановили геномы большинства кишечных микробов из кишечника младенца, а затем задокументировали, как со временем менялись популяции микробов. Дальнейшие исследования могут помочь учёным понять такие заболевания, как некротизирующий энтероколит — состояние, которое обычно поражает новорождённых и приводит к гибели ткани кишечника.
«Мы также хотим выяснить, откуда берутся организмы, которые колонизируют кишечник недоношенного ребёнка, особенно те, которые потенциально могут сделать детей больными», — говорит Бэнфилд. «Они попали из воздуха в больничной палате, с перчаток, из инкубатора?»
Бэнфилд увлечена адаптивностью своих исследований. Чтобы изучать младенцев, она и её команда использовали тот же подход, который они применяли при изучении загрязнённого водоносного горизонта в Рифле, Колорадо.
Подземные воды Рифла загрязнены в результате многолетней переработки урановой и ванадиевой руды. Бэнфилд и коллеги вносят вклад в крупный междисциплинарный проект на этом месте, избирательно вводя микробы в водоносный горизонт как способ разрушения загрязнителей. Например, органический углерод способствует росту бактерий, восстанавливающих железо и уран. Запуская этот процесс, исследователи могут изучать способы очистки токсичных грунтовых вод и предотвращения дальнейшего рассеивания урана.
«Мы можем заставить микробов делать то, что мы хотим, если поймём, как они работают», — говорит Бэнфилд. «Мы выясняем, что и в каких количествах добавлять. Интеллектуальным способом, подобно движению нитей марионетки на поверхности, мы можем стимулировать недра и осуществить преобразование».
Её исследовательская группа также изучает микробные сообщества в озере Тиррелл на юго-востоке Австралии. Ярко-розовое гиперсолёное озеро, образующее соляную корку летом, даёт учёным возможность понять, как ведут себя группы микроорганизмов в суровых условиях. Работая в составе международной коллаборативной группы, исследователи надеются узнать, как микробные сообщества справляются с одновременными проблемами высокой температуры и концентрации соли.
Это ещё один пример того, как исследования Бэнфилд мельчайших организмов однажды могут привести к значительным успехам в понимании нашего мира и улучшении нашей жизни.