Знание-сила, 2009 № 04 (982)

Метагеномическое исследование таких организмов, как правило, начинается с «шрапнельного» раздробления их ДНК, затем во всех этих (перекрывающихся) фрагментах распознается последовательность нуклеотидов, эта процедура повторяется несколько раз и по ее результатам с помощью компьютера делается попытка «сшить» фрагменты в какое-то подобие целого. В отличие от геномных исследований, где такое «сшивание» всегда удается (потому что все фрагменты в конечном счете принадлежат геному одного и того же объекта), в метагеномике объект — просто «зачерпнутая ложка» множества микроорганизмов, и «сшивка» удается далеко не всегда. Чаще всего исследователи получают «на выходе» части геномов различных организмов, живущих в исследуемом образце, но иногда — и цельные геномы каких-то доселе неизвестных науке существ. Но даже подобное приблизительное исследование дает то, чего не может дать обычная геномика — знание о микроорганизмах реальной среды в их живом взаимодействии.

Не стоит, пожалуй, объяснять, какое значение для науки — да и для практики — имеет открытие новых видов микроорганизмов и изучение особенностей сосуществования в природных экологических сообществах. Вентер надеется таким путем найти еще микроорганизмы (или их гены), которые откроют путь к альтернативным источникам энергии.

Группа микробиолога Джойнта исследует влияние, которое может оказать предлагаемая некоторыми учеными закачка углекислого газа в океаническое дно, на живущие там донные сообщества микроорганизмов — ведь на самом деле они составляют одно из важнейших звеньев планетарной экологической цепи.

Все эти непрерывно увеличивающиеся по размаху и задачам исследования в совокупности и составляют современную метагеномику, которая выросла из работ, начатых более двадцати лет назад американским микробиологом Норманном Пэйсом в университете штата Индиана. Пэйс тогда предложил изучать геномы не в культурах, а прямо в среде существования исследуемых организмов и первым разработал методы подобных исследований.

Эти идеи были развиты другими учеными, а сам термин «метагеномика» впервые появился в печати в 1998 году, где был строго научно определен как «приложение методов современной геномики к исследованию сообществ микроорганизмов непосредственно в среде их обитания, минуя необходимость изолировать и культивировать в лабораторных условиях каждый отдельный их вид». Так что метагеномика отнюдь не новинка, просто раньше ее затмевала обычная геномика с сенсационными прочтениями отдельных геномов — человека, шимпанзе, кошки, собаки и так далее вплоть до (едва ли не самой недавней) лобковой вши, которая, кстати, рассказала о некоторых подробностях взаимоотношений древних людей и горилл. Теперь же метагеномика взяла реванш даже у геномики, потому что одним из ее последних по времени приложений стала своя сенсация — первая расшифровка геномов вымерших существ. В том числе и неандертальцев.

Шимпанзе

Раньше такая задача считалась неразрешимой, потому что ДНК в ископаемых костях присутствует не в цельном виде, а в виде отдельных фрагментов (в совсем древних останках возрастом миллион лет, и больше она вообще распадается). Но, как мы уже говорили, предмет метагеномики как раз и составляют методы восстановления возможного вида цельного генома по результатам анализа смесей разных невесть кому принадлежащих «кусков». И вот, пользуясь этими методами, палеоантропологи генетического толка начали медленно, но неуклонно продвигаться к заветной реконструкции «вымерших геномов». Первыми, в 2005 году, были реконструированы большой кусок (13 миллионов пар оснований) генома мохнатого мамонта, замерзший труп которого был найден в Сибири (работа канадских исследователей Шустера и Пойнара), и несколько меньший кусок (27 тысяч звеньев) генома вымершего пещерного медведя. Последнюю работу провел Джеймс Нооан из группы калифорнийского ученого Эдварда Рубина — одного из двух исследователей, возглавляющих сейчас изучение генома неандертальца (второй — известный палеогенетик Сванте Пээбо из института Макса Планка в Лейпциге).

Вооруженные методами метагеномики, группы Пээбо и Рубина сосредоточили усилия на расшифровке ядерных ДНК неандертальцев. При этом они предварили свои исследования предельно тщательной и придирчивой проверкой образцов на принадлежность именно неандертальцам, а не современному или древнему человеку. Выделенные из костей образцы ДНК разделялись на фрагменты, и каждый из них был внесен в какую-либо бактерию, которая, размножаясь, многократно его воспроизводила. Полученная таким образом библиотека хранящихся в бактериях фрагментов подвергалась изучению соответствующими метагеномическими методами.

Мохнатый мамонт

Группа Рубина сумела таким образом реконструировать 65 тысяч звеньев неандертальской ядерной ДНК, а группа Пээбо — около миллиона. Первые результаты сравнения этой ДНК с человеческой показали, что их отличия очень малы (лишь 0,5 %), но тем не менее несомненны, так что люди и неандертальцы представляют собой действительно разные виды.