Виртуальная микробиология

В конце XX в. изменились не только методы, но и концептуальные подходы, с помощью которых изучаются природное разнообразие бактерий и их распределение по нишам.

Классическая стратегия изучения биоразнообразия — «охота за микробами», выращивание культур и комплексный фенотипический анализ накопленного материала постепенно отходит на задний план. В качестве альтернативы исследуется полиморфизм определенных участков генома, прежде всего генов рРНК. Попросту говоря, ищут удостоверения личности, а не их владельцев.

С этой целью из воды, почвы или другого субстрата выделяют ДНК, принадлежащую фенотипически не охарактеризованным объектам. Для начала достаточно всего 10-8 г ДНК. Затем в полимеразной цепной реакции с помощью специфических праймеров амплифицируют гены 16S рРНК. Полученные амплификоны при необходимости дополнительно клонируют в бактериальных плазмидах, после чего проводят автоматическое секвенирование. В заключение сравнивают реконструированную нуклеотидную последовательность с банком генетических данных.

С помощью данного метода можно обнаружить «фантомные» бактерии, которые не выявляются при микроскопировании природных образцов и ничем не проявляют себя в лабораторных условиях.

Преимущество данного подхода состоит в том, что не нужно тратить время и технические средства для накопления, очистки и выращивания бактериальных культур, а также для комплексного анализа их фенотипических свойств.

Но далеко не всех бактерий, которых мы наблюдаем с помощью микроскопа в природных образцах, можно заставить размножаться в лаборатории. Речь идет о так называемых «некультивируемых» бактериях (англ, viable but nonculturable, VBNC). Такое латентное состояние возникает из-за стресса при попадании в искусственную нишу.

Есть еще одна проблема, связанная с культивированием — это использование чистых культур, постоянных физико-химических условий и относительно богатых питательных сред. За возможность быстро и без помех изучать свойства отдельных объектов современный исследователь платит тем, что анализирует монстрозные фенотипы, адаптированные к искусственному гомеостазу.

Условия в «тепличной» нише резко отличаются от природных условий. В отсутствии межвидовой конкуренции и при заданном режиме питания усиливается дрейф генов, что приводит к накоплению геномных различий между музейными штаммами и природными популяциями.

Будущее экспериментальной микробиологии — за смешанными культурами и моделированием природной среды, где существует трофическая сеть, а также устанавливаются градиенты питательных субстратов и продуктов микробного метаболизма.