Что такое модельный организм? Выходя за рамки E. coli
Бактерия Escherichia coli (E. coli) десятилетиями доминирует в списке «модельных организмов». Её быстрый рост и генетическая податливость позволили совершить ключевые открытия в области репликации ДНК, генетического кода и биотехнологий. Однако в эпоху стремительного развития технологий учёные всё чаще задаются вопросом: насколько наши знания об E. coli применимы к бесчисленному множеству других бактерий, населяющих планету?
E. coli: Первая супермодель микробиологии
Почти 150 лет назад врач Теодор Эшерих выделил эту палочковидную бактерию из кишечника младенца. Короткое время генерации, выносливость и генетическая гибкость сделали E. coli идеальным объектом для лабораторий. Изучение таких модельных организмов (как плодовых мух или мышей) позволяет получать знания, экстраполируемые на другие виды.
Чем больше E. coli изучали, тем больше создавали для этого инструментов, что породило самоподдерживающийся цикл. «Всё в науке ведёт к новым вопросам, [и знание] просто ветвится», — отмечает Пол Йенсен, профессор биомедицинской инженерии Мичиганского университета.
Доминирование в исследованиях, но не в природе
Однако есть загвоздка: «Практически все модельные организмы, наиболее изучаемые и публикуемые, редко бывают столь же распространены в окружающей среде», — говорит Бретт Бейкер, профессор интегративной биологии и морских наук Техасского университета в Остине. Несмотря на статус, E. coli обычно не является доминирующим членом природных сообществ и существует в низкой концентрации в микробиоме человека (за исключением, например, младенцев).
Омиксные технологии и секвенирование выявили огромное множество организмов с неисследованными ролями, но внимание по-прежнему сосредоточено на избранных.
Анализ Йенсена, опубликованный в препринте, показывает масштаб перекоса:
- Почти 74% из более чем 43 000 известных видов бактерий никогда не были предметом публикации.
- 50% всех статей относятся всего к 10 бактериальным видам.
- E. coli занимает первое место, фигурируя в 21% (более 300 000) всех статей.
- Далее идут Staphylococcus aureus (8.8%) и Pseudomonas aeruginosa (4.9%).
«Удивительно то, что мы движемся в неправильном направлении. Становится хуже», — констатирует Йенсен. Упор на проверенные организмы оставляет в тени уникальные бактериальные процессы и функции.
«Мы упускаем много интересной микробиологии, — отмечает Йенсен. — Есть всевозможные новые бактерии с интересной химией, живущие в невероятных условиях, которых мы просто никогда не увидим, потому что E. coli так себя не ведёт».
Переосмысление модельных организмов: Взгляд на неисследованные микробы и сообщества
Стоит пересмотреть саму концепцию модели. Ею может быть не только отдельный организм (как E. coli), но и сообщество взаимодействующих организмов в их естественной среде, что сложнее, но биологически релевантнее.
Для изучения некультивируемых микробов, возможно, нужно временно отойти от молекулярных деталей. «Может, нам нужно дать себе послабление и сказать, что можно вернуться к таким феноменологическим исследованиям», — предлагает Йенсен.
Проблема в том, что большинство бактерий сложно или невозможно культивировать. Однако метагеномика в сочетании с метаболомикой, транскриптомикой и протеомикой позволяет многое узнать о микробах, не выращивая их. Генетические исследования некultтивируемых микробов также возможны.
Технологии открывают новые пути. Например, проект некоммерческой организации Align to Innovate использует автоматизированную платформу для фенотипирования 1000 разнообразных штаммов в 1000 условий культивирования. Йенсен считает, что такая автоматизация станет широкодоступной и упростит изучение новых бактерий.
«Когда-нибудь мы просто поместим микроб [в систему], и его фенотипирование проведёт робот. Я думаю, это будет будущее», — говорит он.
Чем больше это будущее становится реальностью, тем больше тайн и потенциально полезных свойств микробного мира мы раскроем. Станет ли какой-то из этих микробов новой E. coli? Возможно, нет. Но, возможно, именно в этом и есть смысл.