Наши знания об общем количестве уникальных клеток и клеточных типов постоянно расширяются. По предыдущим оценкам, в человеческом организме насчитывалось около 300 типов клеток, но новые данные проекта «Атлас человеческих клеток» показывают, что у нас могут быть тысячи типов и подтипов клеток, каждый из которых имеет уникальную функцию, реализующую конкретное физиологическое состояние или реакцию на стимул. Но даже клетки одного и того же типа не идентичны. Сигнатура «это я» – как клетка представляет себя организму через набор молекул на своей поверхности – может радикально изменяться в зависимости от внутренних факторов, например генетических мутаций или изменения состояния эпигенома, транскриптома и протеома данной клетки, а также в зависимости от внешних стимулов. Такие стимулы могут быть обусловлены приемом лекарств и взаимодействиями с другими клетками. Данное инновационное представление особенно ярко выражено в случае с неоантигеном, когда раковая клетка создает у себя на поверхности совершенно новую молекулу. Получается уникальная сигнатура, которая не встречается у нормальных клеток, и такая сигнатура может служить отличной мишенью для щадящей противораковой терапии.
В человеческом теле насчитывается примерно 30 трлн собственных клеток плюс 30–40 трлн бактериальных клеток – всего около 70 трлн. Если бы у нас в организме была демократия, то человеческие клетки зачастую оставались бы в меньшинстве или на равных позициях с другими. Вы (человек) никогда не выиграли бы «выборы». На вашем теле, внутри него и вокруг огромное количество микробов. Их так много, что именно на них приходится основная масса клеток на Земле.
Хотя бактериальные геномы гораздо меньше по размеру (2–10 мегабаз у бактерий против 3,1 гигабазы у человека), биохимическая активность бактерий не менее, а зачастую более важна, чем соответствующий вклад человека. По оценкам Ли Худа, 36 % мелких молекул в организме человека либо синтезируются, либо перерабатываются микробиомом. Примерно 25 % всех лекарств, предназначенных для лечения человека, также могут влиять на рост и биологию бактериальных клеток, живущих в организме. Таким образом, лечение болезни никогда не ограничивается одним лишь человеком, а распространяется на клетки, относящиеся к разным царствам/сферам живой природы.
Но это лишь одна грань сложного процесса изучения заболеваний и предсказания реакции организма на лечение. Углубление понимания истинной сложности биологии позволило создать предиктивное моделирование и методы персонализированной терапии. Центры «точной медицины» и «персонализированной медицины» – новое и пока не слишком развитое направление. Их цель – подобрать правильное лечение для конкретного пациента, рассчитать правильную дозу лекарства и вводить ее в точно подобранное время. Точная медицина привела к поразительным прорывам в лечении рака (в особенности это касается лейкемии и рака легких), где можно найти ахиллесову пяту онкологической болезни и ударить прямо в нее. Например, можно убивать только раковые клетки, а незлокачественные не трогать. Кроме того, исследование инфекционных заболеваний и метагеномики, или изучения всей ДНК независимо от вида, привело к рождению точной метагеномики. Точная метагеномика позволяет подбирать антибиотики под конкретного пациента и выявлять патогены, из-за которых у человека развилась болезнь. Также работа в области метагеномики позволила совершенно случайно обнаружить микробов, живущих внутри злокачественных опухолей. Эти микроорганизмы способны обрабатывать и расщеплять химиопрепараты, в результате чего развивается резистентность к лечению. Таким образом, при некоторых опухолях пациенту сначала показан курс антибиотиков, чтобы истребить бактериальные клетки, и лишь потом можно принимать противораковые препараты. Такие схемы лечения – результат пересмотра основ медицины и зарождения новых представлений о «трансграничной биологии». Сегодня, чтобы быть хорошим специалистом по генетике человека, нужно смотреть дальше человеческой ДНК, поскольку в жизнедеятельности организма участвуют клетки, относящиеся к разным царствам, и на человека может влиять ДНК чужеродных клеток.
Действительно, если вы специализируетесь на генетике человека, но исследовали только человеческую ДНК, то это плохо. Сегодня недостаточно ограничиваться изучением всего одной дисциплины, будь то микробиология или онкология, и считать, что этого хватит. Хотя в большинстве книг по биологии три царства живых организмов изображаются как отдельные ветви с эволюционной и исторической точки зрения, такая трактовка ошибочна как в клиническом, так и в биологическом контексте. Люди – это организмы, в жизнедеятельность которых вовлечены представители разных царств (бактерии, вирусы, грибы, прочие клетки и ДНК), и между этими царствами непрекращающимся потоком течет информация. В целом человека нужно рассматривать, измерять и моделировать как динамическую живую сеть, в которой пересекается биология нескольких царств. Следовательно, правильное моделирование болезни, здоровья и биологии в целом должно идти без привязки к клетке, виду или царству происхождения. Основное внимание нужно уделять молекулам, производимым любой клеткой системы. Эти молекулы неизбежно взаимодействуют с другими молекулами. Такой подход принципиально важен при принятии решения о том, как проектировать геномы и как отправлять их носителей на другие планеты.
Картирование метагенома
Каков же необходимый объем той информации для модели, которая должна включать в себя молекулы всех биологических видов? Оценки разнятся, но ученые считают, что общее количество видов на нашей планете может исчисляться триллионами, а мы только начали картировать их представителей и взаимодействия этих организмов. Существуют масштабные проекты по картированию бактериальной ДНК и вообще нуклеиновых кислот, встречающихся в природе, они ведутся во многих точках земного шара. В частности, отметим проект Earth Microbiome, в рамках которого поиск новых организмов ведется во всевозможных средах обитаниях с целью картирования их биоразнообразия и жизненных функций. Также известен проект Extreme Microbiome, нацеленный на исследование организмов-экстремофилов и анализ их ДНК с точки зрения показателей адаптивности (подробнее см. главу 5). Кроме того, интересен проект Metagenomics and Metadesign of the Subways and Urban Biomes (MetaSUB), в рамках которого секвенированы тысячи биологических образцов более чем из 100 городов мира. Первые данные по этому проекту опубликованы в 2020 г. благодаря работе Дэвида Данко, Даниэлы Бездан и консорциума, объединяющего свыше 150 городов. Хотя на момент публикации результатов в подборку входили лишь данные по городам Земли, все равно удалось выявить 4,3 млн новых генов и открыть более 10 000 новых видов вирусов. Эти результаты подчеркивают масштабы чисто биологических исследований, которые предстоит выполнить на втором и третьем этапах 500-летнего плана.
Эта система клеток и молекул, принадлежащих бактериям, вирусам, грибам, простейшим, человеку и пр., а также варианты их физиологической и биологической интеграции составляет обширный метагеном (совокупность всех геномов). Конструирование микробиома и метагенома является одним из приоритетов NASA и других космических агентств. Соответствующий проект называется «Микробиология искусственной среды» (MoBE), и одним из первопроходцев в таких исследованиях является Пола Олсевски из Фонда Альфреда Слоуна. Все объекты изучения в рамках MoBE – от домов и метро до космических станций – представляют собой в настоящее время «случайно» сложившуюся экосистему, к которой приспособились ее обитатели. Картировать и описывать ее очень сложно.
В 2018 г. был запущен проект Earth BioGenome, цель которого – секвенировать и аннотировать примерно 1,5 млн геномов сложных организмов, обитающих на Земле. В Великобритании также стартовал еще один проект – Darwin Tree of Life – в рамках подобных европейских инициатив. Группы, занятые в этом проекте, планируют вместе секвенировать и аннотировать геномы всех 66 000 эукариотических видов, обитающих на Британских островах. Институт Сенгера вместе с партнерами из различных британских организаций, музеев и университетов служит хабом для секвенирования. Это позволит впервые в истории создать карту геномов планетарного масштаба. Но она будет охватывать только те организмы, которые существуют рядом с нами, а как быть с теми, что над нами, которые от нас отделяет космос?
Многое из того, что нам известно о метагеноме МКС, – это результат работы доктора Кастхури Венкатесварана из Лаборатории реактивного движения NASA. Свидетельства быстрой адаптации организмов к космическим условиям, включая устойчивость к антибиотикам, наблюдаются с начала 2000-х гг. и имеют прямое отношение к здоровью и безопасности экипажа. Хотя другие исследования показали, что организмы адаптируются, они необязательно становятся опасными. Как и в большинстве биологических процессов, влияние зависит от ситуации и момента. Вплоть до 2015 г. мониторинг этих изменений на МКС в реальном времени был невозможен, но затем родилась идея эксперимента.
ДНК в космосе
Идеально было бы прямо на МКС секвенировать ДНК или РНК любого интересующего нас живого существа, но аппаратура для выполнения таких задач была слишком громоздкой. Большинство секвенаторов ДНК, характеризующихся высокой скоростью работы и производительностью (например, Illumina) также были слишком тяжелыми, из-за чего их доставка в космос обошлась бы слишком дорого. Но в 2012 г. компания Nanopore Technologies из Оксфорда анонсировала разработку миниатюрного секвенатора под названием MinION, который вполне умещается на ладони и весит всего 0,3 кг. В 2014 г. наша лаборатория в Корнеллском университете и некоторые другие получили доступ к этому прибору. В 2015-м секвенирование генома в космосе уже было реалистичным. Оказывается, все, что для этого требуется, – реактивы, компьютер (или даже планшет), MinION и немного смелости.