Эволюционные биологи Хассан Салем и Айлин Берасатеги задались вопросом, что делать с белым восковым веществом, которое накапливается на молодых черепаховых жуках(Chelymorpha alternans). Наиболее распространенная гипотеза предполагала, что это некая секреция, похожая на ту, которую производят чешуекрылые насекомые, но "она появлялась там, где ее не должно быть", - говорит Салем из Института биологии Макса Планка в Тюбингене(Германия).

В итоге, они и их коллеги решили провести исследование. "Это было так удивительно, когда мы поместили белое вещество в чашку Петри, а затем оно выросло", - говорит Берасатеги из Тюбингенского университета. Этот тест, который они провели в 2020 году, показал, что вещество было микробным, но они еще не знали, что это был за микроб и влияет ли он на жуков.

Куколка жука Chelymorpha alternans, покрытая белым грибком Fusarium oxysporum

Последующий анализ команды, опубликованный 19 августа в журнале Current Biology, показал, что это вещество - грибок Fusarium oxysporum, и документально подтвердил его сложные симбиотические отношения с жуком. Во время уязвимой стадии куколки жуков грибок каким-то образом отпугивает насекомых-хищников. Затем, когда взрослые жуки выходят из куколок во взрослом состоянии, они распространяют грибок на свои взаимные виды растений-хозяев, такие как сладкий картофель(Ipomoea batatas). Дополнительной сложностью в этой многовидовой динамике является то, что грибковый симбионт вызывает болезнь увядания у растения-хозяина.

"Я думаю, что исследование действительно интересно тем, что в нем описывается симбионт, полезный для одного хозяина, но патогенный для другого", - говорит Ким Хоанг, эволюционный биолог из Оксфордского университета, который не участвовал в исследовании, но помогал одному из рецензентов журнала комментировать статью.

Используя сканирующую электронную микроскопию и генетическое секвенирование, исследователи сначала определили виновника: нитчатый грибок Fusarium oxysporum, известный патоген растений. Грибок обнаруживается на жуке на протяжении всего его жизненного цикла, что позволяет предположить наличие пожизненных симбиотических отношений, пишут авторы. Но исследователи сосредоточили свой анализ на стадии куколки, поскольку они наблюдали 1000-кратное увеличение роста грибка вскоре после начала окукливания.
Члены команды предположили, что грибок может быть необходим для отпугивания хищников, таких как муравьи, в течение шестидневного периода окукливания жуков, поскольку они не плетут защитные коконы, как некоторые другие насекомые.

Чтобы проверить это, исследователи измерили выживаемость 98 куколок жуков в различных условиях их естественной среды обитания - подлеска панамского тропического леса. Половина из них была очищена от грибка и помещена либо в герметичные клетки, которые не позволяли хищным насекомым проникнуть внутрь, либо в открытые клетки. Жуки, которые не были очищены от грибка, также были помещены в один из двух типов клеток. Все жуки в закрытых клетках выжили, но тем, кто находился в открытых клетках, не повезло. Однако те, у кого защитный грибок был цел, справились с задачей: 88 процентов выжили в течение четырехдневного периода испытаний, в то время как среди тех, у кого грибок отсутствовал, таких оказалось всего 43 процента.

"Таким образом, антихищническая или защитная функция куколки была очевидна", - говорит Салем о грибе. Пока неясно, как именно гриб отпугивает хищников-жуков, но, изучив геном гриба, исследователи обнаружили кластеры генов, ответственные за производство метаболитов, известных своими инсектицидными свойствами.

Поскольку известно, что Fusarium oxysporum обладает патогенными свойствами в отношении растений, исследователи задались вопросом, сохранил ли этот конкретный штамм, любящий жуков, эту разрушительную функцию даже при создании защитного симбиоза с жуком, говорит Берасатеги. Результаты показывают, что грибок ведет двойную жизнь, говорит она: один защитник жука, другой нападает на растение-хозяина, но, скорее всего, ему нужен жук, чтобы подвезти его.

Изображение сканирующей электронной микроскопии, показывающее нитевидный Fusarium oxysporum на поверхности куколки Chelymorpha alternans

Берасатеги и его коллеги обнаружили, что воздействие грибка на растения сладкого картофеля, являющегося местным хозяином жука-черепашки, в течение трех недель неизменно вызывало увядание растений. Более того, когда они поместили 10 свободных от грибка растений с двумя жуками, только что вышедшими из куколок, жуки распространили патоген почти на 80 процентов листьев растений в течение четырех недель.

Может показаться непродуктивным, что жук распространяет токсин, который может убить растение-хозяина, на котором насекомое живет в течение всего своего жизненного цикла. Но исследователи говорят, что история может быть более сложной.
Согласно одной из гипотез, жуки могут предпочитать растения, ослабленные грибковым увяданием, потому что болезнь ослабляет защитные силы растения против их травоядности. "Да, жук завершает весь жизненный цикл на растениях, но он также может легко перейти на новые растения после того, как это растение завянет", - отмечает Салем.

По словам Салем, одним из результатов, который сначала удивил исследователей, было то, насколько мал геном этого штамма Fusarium oxysporum по сравнению с большинством других штаммов этой видовой группы. Другие штаммы имеют массивные геномы, что помогает им применять различные стратегии для колонизации различных растений-хозяев, объясняет он. "Но если у вас есть жук, который переносит вас с одного растения на другое, возможно, вам не нужны эти наборы вспомогательных генов".

Хоанг говорит, что одним из следующих шагов может стать дальнейшее изучение конкретных механизмов защиты. Она высоко оценивает методику авторов исследования, сочетающую геномные исследования, стендовую работу и полевые эксперименты. "Они использовали различные подходы, чтобы рассказать более полную историю о симбиозе", - говорит Хоанг. "Они не только сосредоточились на хозяине и симбионте, но и рассмотрели, как их взаимодействие влияет на других членов экологического сообщества", - говорит она. "Я думаю, что это определенно то, чем должны заниматься другие исследователи".

Неужели грибы могут разговаривать друг с другом? Возможно, да. Анализ "языка" электрических шипов, используемых грибами для общения, о котором сообщается 6 апреля в журнале Royal Society Open Science, показал, что эти шипы поразительно похожи на человеческую речь.

Грибы посылают друг другу электрические сигналы через гифы - длинные нитевидные выросты, которые организмы используют для роста и изучения окружающей среды. Предыдущие исследования показали, что количество электрических импульсов, проходящих через гифы, которые иногда сравнивают с нейронами, увеличивается, когда грибы встречают новые источники пищи, и это позволяет предположить, что грибы используют этот "язык", чтобы сообщать друг другу о новых источниках пищи или повреждениях.

В новом исследовании Адам Адаматски, программист из Лаборатории нетрадиционных вычислений Университета Западной Англии, сосредоточил свое внимание на четырех видах грибов: эноки, щелелистник, гриб - призрак и гусеничный гриб. Он вставлял крошечные электроды в субстраты, колонизированные гифами грибов, и регистрировал их электрическую активность.

Щелелистник обыкновенный(Schizophyllum commune)

Данные показали, что электрические всплески часто происходили в кластерах, которые, по словам Адаматски, напоминают человеческий словарный запас, состоящий из 50 слов.
"Мы демонстрируем, что распределение длины слов грибов соответствует распределению слов в человеческих языках", - пишет он в статье. Грибы, растущие на гниющей древесине, имеют самые сложные речевые обороты, добавляет он.

Адаматски рассказал, что грибы в сети могут использовать эти шипы, чтобы обозначить свое присутствие, подобно волчьему вою. "Есть и другой вариант - они ничего не говорят", - говорит он, - то есть шипы могут быть бессмысленными побочными продуктами физических процессов. Но в противовес этой идее он добавляет, что "шипы" не выглядят случайными. Другие ученые скептически относятся к тому, что эти шипы являются формой языка грибов. Пульсирующее поведение было зарегистрировано ранее, когда грибы переносили питательные вещества, что могло вызвать шипы, наблюдаемые в новом исследовании.

"В новой работе обнаружены ритмические паттерны в электрических сигналах, схожие по частоте с импульсами питательных веществ, которые мы обнаружили", - сказал миколог из Эксетерского университета Дэн Беббер, соавтор предыдущих исследований этого феномена. Хотя это и интересно, но интерпретация как языка кажется несколько чрезмерной, и потребуется гораздо больше исследований и проверки критических гипотез, прежде чем мы увидим "Fungus" в Google Translate".

В отличие от растений, животные не могут осуществлять фотосинтез для получения собственного кислорода, однако наш мозг полагается на кислород для получения огромного количества энергии, необходимой для функционирования.
В исследовании, опубликованном в iScience, ученые нашли способ использовать фотосинтез для снабжения нейронов кислородом: они ввели цианобактерии(сине-зеленые водоросли) головастикам Xenopus laevis и лишили животных кислорода, в результате чего активность мозга прекратилась. Подвергая животных воздействию света, который позволял микробам производить кислород из CO₂, они восстанавливали нейронную активность.

"Авторы используют элегантный и легко воспроизводимый экспериментальный подход для изучения эффектов активации фотосинтезирующих организмов как способа прямого повышения уровня кислорода в мозге", - пишет в электронном письме The Scientist Диана Мартинес, невролог из Университета Роуэна(Нью-Джерси), которая не принимала участия в исследовании.
Она добавляет, что эта работа является доказательством принципа и "важным первым шагом в использовании природных ресурсов для борьбы с патологическими нарушениями", при которых кислород в мозге истощается, такими как сердечный приступ и инсульт.

Невролог Ханс Страка из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана(LMU) и его группа интересуются потреблением кислорода в мозге и используют хорошо зарекомендовавшую себя методику, при которой головастику удаляют голову и сохраняют его живым и функциональным в течение нескольких дней в жидкой среде, которая поставляет кислород и питательные вещества.
За обедом Страка и ботаник из LMU Йорг Никельсен заговорили о том, как они могли бы работать вместе над проектом. Их решение: изучить, возможно ли, чтобы фотосинтезирующие микроорганизмы снабжали мозг кислородом.

Тогдашний аспирант Никельсена Майра Чавес Росас, которая сейчас работает в Бернском университете(Швейцария), выращивала зеленые водоросли(Chlamydomonas reinhardtii) и цианобактерии(Synechocystis sp. PCC6803), которые при освещении выделяют кислород. А аспирантка Сюзан Озугур, которая уже окончила лабораторию Страки, ввела суспензию цианобактерий в сердца головастиков сразу после того, как у них появились передние конечности. Их сердца перекачивали микробы по сосудам животных, в том числе в сосудистую сеть мозга.

Команда обнаружила, что при освещении концентрация кислорода в желудочках мозга животных, которым делали инъекции, повышалась. У животных, не получавших лечения, или у тех, кто получал штаммы водорослей или цианобактерий, мутировавших так, что они не вырабатывали кислород, концентрация кислорода не увеличивалась.
Когда исследователи удалили кислород из воды, в которой плавали животные, активность нейронов, измеренная с помощью электрических записей основных нервов, прекратилась. Но они смогли возобновить активность в мозге, посветив светом на животных, получивших инъекции микроорганизмов. Когда они выключили свет, активность нейронов снова прекратилась.

Хотя эксперимент был успешным, Мартинес отмечает, что неясно, можно ли использовать полученные результаты для лечения заболеваний, при которых мозг испытывает кислородное голодание. "Первая проблема заключается в том, что головастики Xenopus laevis прозрачны, и свет легко проходит через кожу, чтобы активировать фотосинтетические механизмы для производства кислорода. Использование на более сложных животных будет затруднено, поскольку свет не так легко проходит через кожу и может не достичь сосудистой системы для активации фотосинтетических организмов", - пишет она.
Кроме того, хотя недостаток кислорода может быть проблемой, избыток кислорода также может усугубить травмы мозга. "Таким образом, неспособность правильно контролировать уровень кислорода с помощью этих фотосинтетических организмов будет столь же вредна, как и сама гипоксия". Она добавляет, что если сначала опробовать этот метод на органоидах и срезах мозга, то можно получить более полное представление о его физиологических эффектах.

Страка признает, что исследование все еще находится на ранней стадии и что до внедрения стратегии в клинику "еще очень далеко". В ближайшей перспективе его команда сосредоточится на нескольких вопросах, включая иммунологические последствия введения фотосинтезирующих микроорганизмов, а также на том, могут ли сахара, производимые микробами, использоваться мозгом головастиков.

"За последнее десятилетие появилось довольно много проектов, в которых люди пытались создать искусственные симбиотические ассоциации с водорослями, чтобы каким-то образом дополнить или манипулировать физиологией позвоночных, что действительно радикально", - говорит Райан Керни, биолог, изучающий симбиозы между водорослями и саламандрами в Геттисбургском колледже (Пенсильвания), который не принимал участия в новой работе.

"Подходы, при которых микробы искусственно внедряются в клетки или ткани для изменения их функций, в значительной степени не регулируются и недостаточно изучены по сравнению с широко используемыми методами генетической модификации, такими как CRISPR, которые направлены на один ген", добавляет Керни. Неизвестность, а также примеры патогенных водорослей делают эту стратегию немного рискованной, отмечает он. "Но потенциальные последствия также просто захватывают воображение: Можем ли мы отказаться от дыхания как способа поддержания работы мозга?".

Когда бактерии, вызывающие акне, поражают кожу, иммунная система может дать им отпор, превращая некоторые из окружающих клеток в жировые клетки, выделяющие антимикробные вещества, говорится в исследовании, опубликованном 16 февраля в журнале Science Translational Medicine. Ученые, стоящие за проектом, говорят, что это открытие может привести к новым, целенаправленным методам лечения.

Cutibacterium acnes обычно вызывает прыщи после того, как заражает волосяной фолликул, питается попавшими в него остатками и провоцирует воспаление, выделяя пищеварительные ферменты, которые повреждают близлежащие клетки. Однако исследователи обнаружили, что инфекция C. acnes может запускать адипогенез - превращение клеток в жировые клетки, или адипоциты - в клетках кожи, называемых фибробластами, окружающих инфицированный волосяной фолликул.

В то время как липиды, которые начинают накапливать эти клетки, могут способствовать развитию повреждений - проще говоря, прыщей - данные также свидетельствуют о том, что адипогенез вызывает повышенную экспрессию гена CAMP, который кодирует антимикробный пептид кателицидин, помогающий сдерживать бактериальную инфекцию.

Вывод о том, что фибробласты трансформируются и играют активную роль в иммунном ответе, стал неожиданностью для Саломеи Мураввей, дерматолога из Момбасы(Кения), которая не работала над исследованием. Она рассказала The Scientist по электронной почте, что "фибробласты в основном рассматриваются как клетки, обеспечивающие структурную поддержку, особенно для более глубоких слоев кожи, поэтому это не первый тип клеток, который приходит на ум при мысли о непосредственной борьбе с кожными инфекциями".

Исследовательская группа под руководством дерматолога Ричарда Галло из Калифорнийского университета(Сан-Диего) также узнала, что ретиноиды, которые уже используются в качестве лечения тяжелых форм акне благодаря их известной способности предотвращать накопление липидов и вычищать отложения из инфицированных пор, также способствуют выработке кателицидина фибробластами, что намекает на перспективу разработки новых методов лечения, направленных на иммунный ответ на акне.

"Преобладающая теория о действии системных ретиноидов, таких как изотретиноин(Accutane), заключалась в том, что они работают за счет снижения синтеза липидов в сальных железах и изменения роста эпидермальных клеток", - сказал Галло в письме The Scientist. "Наши данные показывают, что это не вся история".

Соавтор исследования Алан О'Нил, микробиолог из лаборатории Галло, рассказал, что в работе "представлен новый механизм действия очень важного препарата для лечения акне.
Этот препарат действует дополнительным, ранее неизвестным способом, нацеливаясь на эти фибробласты и специфически воздействуя на их патогенную антимикробную экспрессию".

"Это было очень интересное и удивительное открытие", - говорит Мураввей. Она добавляет, что это "также разумный вывод, потому что реактивный адипогенез, как показали предыдущие исследования, происходит в ответ на вторжение золотистого стафилококка в кожу, а также в кишечнике в ответ на травму(для подавления проникновения микробных продуктов в кровоток)".

Зонды от прыщей
Чтобы определить, как фибробласты реагируют на инфекции C. acnes, исследователи взяли биопсию образцов кожи у шести пациентов с акне и исследовали транскриптомы фибробластов с помощью секвенирования одноклеточной РНК. Они обнаружили, что два подмножества фибробластов имели сигнатуры экспрессии генов, указывающие на то, что они готовы к дифференцировке жировых клеток - как сказал Галло, они стали "преадипоцитами". Исследователи также окрасили образцы кожи для поиска маркера под названием PREF1, который экспрессируется в фибробластах, проходящих адипогенез, в дополнение к кателицидину. Они обнаружили высокий уровень обоих маркеров в тканях, окружающих инфицированные волосяные фолликулы, что указывает на локализованный иммунный ответ.

Затем группа воссоздала эксперимент на мышиной модели, введя мышам C. acnes и проведя почти идентичный эксперимент по секвенированию РНК в биопсированной ткани поражения кожи. Исследователи обнаружили повышенное окрашивание PREF1 и антимикробного пептида, кодируемого CRAMP, мышиной версией CAMP, в клетках, расположенных ближе всего к очагу поражения.
Когда они подавили реактивный адипогенез, обработав мышей диглицидилом бисфенола А, исследователи обнаружили значительно меньшее накопление липидов и значительно меньшие поражения, чем в контрольной группе, предполагая, что накопление липидов, которое происходит при адипогенезе, благоприятствует бактериям, даже в присутствии повышенной антимикробной активности.

"Модель на животных была действительно мощной, потому что по сути она подтвердила многое из того, что мы делали на человеческих прыщах", - говорит О'Нил в интервью The Scientist, приводя очень похожие результаты.
Галло говорит, что животная модель была "критически важна". "Человеческое акне очень сложное", - говорит он. "Это многофакторное заболевание. Но тот факт, что мы увидели аналогичные транскрипционные программы у мышей, которым вводили всего один вид бактерий, был очень сильным и сказал нам, что бактерия C. acnes, вероятно, является движущей силой многих реакций в фибробластах при акне у человека".

Затем команда исследовала, как клетки мыши общаются друг с другом во время инфекции C. acnes, анализируя взаимодействие клеток и поверхностных белков, чтобы определить активные сигнальные пути. Они обнаружили, что фибробласты служат коммуникационными центрами, говорится в статье, и О'Нил предполагает, что эти клетки играют важную роль в координации иммунного ответа на инфекцию C. acnes и развитие акне.

"Мы хотели бы знать, как макрофаги, миелоидные клетки и другие иммунные клетки реагируют на эти фибробласты, которые подвергаются реактивному адипогенезу, и что это означает для общей воспалительной среды акне", - сказал О'Нил, добавив, что он надеется провести эксперименты, направленные на выявление этих связей в ближайшем будущем.

Тестирование методов лечения
Галло, О'Нил и остальные члены команды также хотели узнать, как ретиноиды, класс соединений, которые уже более 50 лет используются для профилактики и лечения тяжелых форм акне, влияют на реактивный адипогенез. Вначале они лечили мышей ретиноевой кислотой на третий день после первоначального заражения C. acnes. Через три дня после этого исследователи наблюдали уменьшение размера и тяжести поражения, что совпало с увеличением экспрессии мРНК CAMP и уменьшением окрашивания липидов, говорится в статье.

Однако, когда они воссоздали эксперимент на мышах, в генах которых были отключены гены CRAMP, исследователи обнаружили, что ретиноиды не оказывают никакого эффекта. У этих мышей поражения были больше, чем у мышей дикого типа, несмотря на то, что образование липидов в адипоцитах было подавлено. Галло объясняет, что команда заметила изменения в реакции мышиной модели на бактерии после целенаправленного удаления пептида - свидетельство связи между пептидом и иммунным ответом на инфекцию C. acnes.

Это последнее открытие позволяет собрать воедино части, на которые впервые намекнули в исследовании, опубликованном Галло и его коллегами в журнале Journal of Immunology в 2019 году, которое продемонстрировало увеличение экспрессии кателицидина после лечения ретиноидами, и теперь показать, что ретиноиды лечат и предотвращают акне, частично влияя на поведение и функции фибробластов. В частности, они подавляли образование липидов в фибробластах, подвергающихся адипогенезу, не препятствуя при этом повышенной экспрессии связанных с адипогенезом антимикробных пептидов - ранее не обнаруженный терапевтический механизм.
Исследование позволяет предположить, что мы упустили из виду важную мишень для лечения акне" - говорит Галло в интервью The Scientist,.

Эти новые результаты представляют интерес с клинической точки зрения, говорит Мураввей, поскольку они расширяют анатомическую область, которая может иметь значение для лечения акне. Обычно, объясняет она, врачи и исследователи сосредотачивают свое внимание именно на инфицированном волосяном фолликуле, который она называет "основным анатомическим местом для акне", и не изучают окружающие ткани, о которых идет речь в новом исследовании.

Марк Бласкович, исследователь инфекционных заболеваний из Университета Квинсленда, который не работал над исследованием, считает, что "нет никаких прямых потенциальных терапевтических результатов" этой работы, "просто больше понимания того, почему существующая терапия ретиноидами может работать". Однако он добавляет, что ретиноиды могут вызывать серьезные побочные эффекты, включая нарушение развития плода, поэтому "улучшение нашего фундаментального понимания может привести к идеям о том, как воздействовать на эти пути, чтобы придумать альтернативные методы лечения".

Множество исследований последних лет свидетельствуют о том, что бактериальный состав микробиома кишечника оказывает заметное влияние на работу мозга и неврологическое здоровье. Однако новое исследование показывает, что при изучении микробиома был упущен один из ключевых факторов: состав и распространенность вирусов. В частности, исследование, опубликованное 16 февраля в журнале Cell Host & Microbe, показывает, что присутствие бактериофагов коррелирует с показателями тестов на память и исполнительные функции у мышей и плодовых мушек.

Исследование, в котором рассматривались бактериофаги порядка Caudovirales(в частности, семейство Siphoviridae) и неродственное семейство Microviridae, лишь поверхностно изучает роль, которую виром может играть в неврологическом здоровье и работоспособности, утверждают авторы. Они обнаружили отрицательную корреляцию между уровнем Microviridae и исполнительной функцией, в частности, способностью к обучению и запоминанию новой информации, но положительную корреляцию между Caudovirales - в основном Siphoviridae - и теми же когнитивными способностями. Ассоциации слабые, и вопросы остаются, но исследователи говорят, что они надеются на клинические испытания и другие последующие исследования, чтобы определить, существует ли причинно-следственная связь между составом вирома кишечника и функцией мозга.

"Концепция оси микробиота кишечника-мозг появилась в последнее десятилетие", - рассказал The Scientist соавтор исследования, исследователь питания и метаболизма из Университета Жироны Хосе Мануэль Фернандес-Реаль. "Почти все работы посвящены основным компонентам микробиоты кишечника - бактериям. Возможная роль вирусов не изучалась".
"Это первая работа, связывающая бактериофаги в микробиоме кишечника с познанием у млекопитающих и плодовых мушек", - добавляет Фернандес-Реал.

Исследование включало ряд экспериментов, направленных на определение взаимосвязи между микробиомом кишечника и исполнительной функцией. Большая часть экспериментов была проведена на мышах и плодовых мушках(Drosophila melanogaster), но ученые также соотнесли результаты когнитивных тестов групп людей с составом их микробиома.

Людей просили провести линию, соединяющую ряд кругов, обозначенных цифрами и буквами, в правильном порядке. Тем, у кого в кишечнике было больше Microviridae, потребовалось больше времени на выполнение теста, в то время как те, у кого было больше Caudovirales, выполнили его быстрее. Аналогичные корреляции были обнаружены после того, как добровольцы прошли тест на память, включающий перечисление списка цифр в обратном порядке.

В попытке выявить причинно-следственную связь между познанием и составом кишечных бактериофагов исследователи пересадили мышам фекалии человеческих доноров, после чего измерили их производительность в серии задач на память, а также провели секвенирование РНК из префронтальной коры головного мозга каждой мыши для измерения изменений в экспрессии генов. Помимо улучшения результатов тестов после процедуры, исследователи заметили, что в префронтальной коре головного мозга животных были повышены гены, связанные с формированием памяти, синаптической пластичностью и развитием нейронов.

Однако фекальные трансплантаты включали не только бактериофаги: мыши, получившие фекальные трансплантаты, поделились с человеческими донорами 1385 таксонами микробиоты кишечника, 216 из которых не были обнаружены в контрольной группе. Это говорит о том, что мышам были переданы не только вирусы, но и другие микробы, поэтому неясно, связано ли измеренное улучшение памяти именно с Caudovirales.

Чтобы определить, оказывают ли бактериофаги прямое влияние на физиологию, исследователи перешли к дрозофилам, что, по их словам, логически упростило эксперимент по сравнению с использованием мышей. Они кормили дрозофил диетой, богатой сухой молочной сывороткой, которая содержит бактериофаги Siphoviridae, а затем подвергли мух тесту на память, в котором они учились избегать горькой пищи. Те мухи, которых кормили сывороткой, избегали горькой пищи дольше, что указывает на то, что они сохранили воспоминания о своем отвращении лучше, чем те, которых не кормили диетой, богатой фагами.
Как и в случае с мышами, анализ транскрипции показал повышение уровня генов, участвующих в формировании памяти, пластичности и нейроразвитии. Улучшение когнитивных способностей и повышение уровня генов не наблюдалось у мух, которых кормили сывороткой, подвергнутой нагреванию для уничтожения фагов.

Для дальнейшего изучения роли фагов в этих результатах мухи были разделены на несколько групп: одних кормили стандартной диетой, других - сывороткой, обе группы служили контрольными. Других кормили либо стандартным рационом, либо сывороткой, прошедшей термическую обработку для удаления загрязнений и дополненной фагом Lactococcus lactis phage 936, который относится к группе Siphoviridae. Обе группы, дополненные фагом, продемонстрировали значительно лучшее сохранение памяти по сравнению с соответствующими контрольными группами. Автор исследования, исследователь питания и метаболизма из Института биомедицинских исследований Жироны Анна Кастельс-Нобау сказала The Scientist, что этот результат "является одним из самых больших открытий в нашей публикации".

"Это действительно интересное исследование, но также и исследование, которое подчеркивает, насколько сложно разграничить сбивающие эффекты, такие как потребление бактериофагов и потребление ферментированных молочных продуктов(таких как сыворотка)", - сказал The Scientist исследователь микробиологии и ферментации Деннис Нильсен из Университета Копенгагена, который не работал над исследованием. "Однако, несмотря на эти ограничения, это и другие исследования подчеркивают потенциальную важность бактериофагов, обитающих в кишечнике, для здоровья и болезней человека".

Фернандес-Реал говорит, что для установления причинно-следственной связи у людей "нам крайне необходимы рандомизированные двойные слепые исследования, в которых эти вирусы добавлялись бы в рацион по сравнению с плацебо или по сравнению с нагретыми(инактивированными) вирусами".

Ху Шаохуа, нейробиолог и директор отделения психиатрии в Медицинской школе Чжэцзянского университета(Китай), который не работал над новым исследованием, сообщил The Scientist, что в целом он был очень впечатлен "фантастической исследовательской работой". Однако он добавляет, что, хотя исследование "дало нам новое представление о "микробиомно-кишечно-мозговой оси", ключевой молекулярный путь "все еще неизвестен", и исследователям необходимо продолжить изучение механизмов, с помощью которых микробиота может регулировать функции мозга.

"На данный момент мы можем только предполагать возможные механизмы", - говорит Фернандес-Реал в интервью The Scientist. Исследователи обнаружили, что высокий уровень бактериофагов Caudovirales коррелирует с различными молочнокислыми бактериями у людей, мышей и мух, например, - вывод, который исследователи затем подтвердили, используя данные из других, более крупных человеческих групп. Это может говорить о том, что вирусный микробиом помогает формировать и модулировать бактериальный микробиом с помощью таких механизмов, как горизонтальный перенос генов, и что измененный бактериальный микробиом может затем влиять на познание.

Но могут быть задействованы и другие механизмы. "Бактериофаги, как известно, пересекают гематоэнцефалический барьер(ГЭБ). Мы не можем исключить, что повышенная проницаемость кишечника, связанная с метаболическими заболеваниями(например, ожирением), в сочетании с проницаемостью гематоэнцефалического барьера может опосредовать некоторые эффекты трансплантации кала, что приведет к повышению экспрессии некоторых генов, участвующих в памяти", - говорит Фернандес-Реал. Тем не менее, он добавляет, что команда считает, что "наши результаты связаны с диетой", отмечая, что Siphoviridae, как известно, присутствуют в молочных продуктах, и что потребление этих продуктов "было связано с улучшением познания в некоторых исследованиях".

В конечном итоге, Фернандес-Реал говорит, что статья показывает, что "вирусы - это не подозреваемые компоненты нашего рациона, которые мы отвергали. Возможные взаимодействия внутри микробиома кишечника, вероятно, гораздо сложнее, чем считалось ранее".

В течение многих лет исследователи искали в ядах животных антибиотики нового поколения. Это связано с тем, что эти химические коктейли обладают мощной антимикробной активностью в дополнение к опасной физиологической - что также привело к распространенному представлению о том, что, несмотря на связь с внешним миром, ядовитые железы являются стерильной средой.

Новое исследование проводилось под руководством РНК - биолога Университета Нортумбрии Стергиоса Мошоса и венолога Стива Трима, основателя биотехнологической компании Venomtech, целью которой является разработка исследовательских инструментов и фармацевтических препаратов на основе яда. В работе представлены генетические и культуральные доказательства того, что бактерии не только живут в ядах нескольких видов пауков и змей, но и активно адаптируются к среде ядовитых желез, что может иметь значение для эволюции ядов и клинического лечения укусов.

Черношейная плюющаяся кобра(Naja nigricollis) - один из изученных видов - из Ватаму, Кения

Отказ от стерильной догмы
Идея о том, что яды животных не содержат микробов, вероятно, возникла где-то в середине 20 века, когда исследователи начали документировать противомикробную активность ядов и их компонентов. Эти лабораторные исследования были затем перенесены в клиническую практику, так как и по сей день укусы змей часто не лечат, чтобы предотвратить заражение.

Однако, Себастьен Ларреше, клинический микробиолог из госпиталя Инструктажа вооруженных сил Бегин(Франция), указывает в своем электронном письме в The Scientist, что "новые бескультуральные методы позволяют предположить, что ни одна анатомическая область у человека не является действительно стерильной. Поэтому, экстраполируя, мы можем предположить, что ядовитый аппарат имеет свою собственную микробиоту". Действительно, исследования обнаружили микробы в ядовитых железах кальмаров, улиток и других животных, хотя исследования микробиома ядовитых желез в настоящее время немногочисленны, отмечается в статье Toxicon: X в соавторстве с Тримом и Мошосом.

Увидев пробел в литературе, Мошос, Трим и их коллеги в новом исследовании использовали как культуральные, так и бескультуральные методы для поиска микробов в ядах пяти видов змей и двух видов пауков. Для сравнения они также взяли мазки изо рта и клыков животных. Они получили бактериальные 16S-последовательности из всех образцов и культивируемые микробы из большинства из них, хотя культивируемые виды составляли лишь малую часть того, что было обнаружено с помощью ДНК. Микробы, обнаруженные в образцах яда, заметно отличались от общей флоры ротовой полости для каждого вида, причем около 20 процентов микробов, обнаруженных в образцах яда, не встречались во рту. Кроме того, авторы обнаружили, что некоторые из культивируемых микроорганизмов - например, штаммы Enterococcus faecalis - размножаются в яде черношейной плюющей кобры(Naja nigricollis), вероятно, благодаря мутациям в генах, связанных с целостностью мембран.

Предполагаемые микробы яда, которые удалось вырастить команде, оказались удивительно устойчивыми к токсинам животных. "Обычно вы добавляете 15 миллиграммов на миллилитр любого противомикробного вещества в среду роста, и интересующая вас бактерия не только не вырастет, но и вообще ничего не вырастет", - объясняет Мошос. "В данном случае наши бактерии росли вполне благополучно в этой и более высоких концентрациях яда. Их рост не был подавлен вообще". В статье отмечается, что один штамм не проявил никаких негативных последствий воздействия яда даже при концентрации белка яда 50 мг/мл, в то время как устойчивый к ванкомицину клинический изолят того же вида был уничтожен примерно в одну пятую от этого количества.

Ларреше, который не участвовал в исследовании, называет микробиологические методы, использованные командой, "надежными", отмечая при этом, что "остается риск заражения бактериями, присутствующими на клыках при выбросе яда". Он признает, что этот риск трудно устранить, поскольку "трудно(и, прежде всего, опасно для оператора и для змеи) тщательно дезинфицировать клыки перед отбором проб".

Гонка вооружений или функция?
Мошос и Трим говорят, что эти бактерии, вероятно, так долго оставались незамеченными, несмотря на обширные исследования ядов змей и пауков, из-за того, как эти яды обычно готовятся. Вскоре после сбора большинство ядов подвергаются лиофилизации - своего рода сублимационной сушке, чтобы продлить срок их хранения. Но этот процесс уничтожает любые живые бактерии, поэтому культуральные методы обнаружения микробов не подходят. Остаются методы на основе ДНК, которые также оказываются сложными из-за наличия в яде ферментов и других химических веществ, которые могут мешать ПЦР.

По словам команды, одной из главных проблем исследования было выяснение того, как извлечь ДНК из яда. "Я никогда не видел ничего подобного", - говорит Мошос, чьи исследования в основном сосредоточены на получении генетического материала из сложных образцов, таких как выдыхаемый воздух. "Нам пришлось немного повозиться", - говорит он, чтобы заставить протоколы извлечения работать.

Мошос и Трим надеются, что другие исследователи возьмут их методы и опробуют их на других видах ядовитых животных. По их мнению, в используемых ими видах нет ничего особенного; просто микробы способны эволюционировать и жить где угодно, даже в железах, вырабатывающих яды с высоким антимикробным действием. Теперь они и их коллеги хотят знать: Откуда берутся бактерии и что они там делают?

Poecilotheria regalis, один из пауков, изученных в ходе исследования

Бактерии, скорее всего, являются условно-патогенными, предполагают Мошос и Трим. По выражению Джона Данбара, биолога Национального университета Ирландии(Голуэй), который не участвовал в работе, яд - это "идеальный питательный бульон" благодаря наличию в нем всех белков и других биомолекул. Все, что нужно сделать микробу, чтобы воспользоваться этим ресурсом, - это выжить.
Трим говорит, что возможность пребывания бактерий может быть причиной того, что антимикробные препараты находятся в яде в первую очередь - чтобы гарантировать, что его биохимический состав остается достаточно мощным для охоты или защиты от хищников в течение дней, недель или даже месяцев, пока он хранится в железах до использования.
"Если бактерии метаболизируют ваш арсенал, вы можете увидеть потенциал для деактивации ядов", - говорит он. Вполне возможно, что между микробами и ядовитыми животными идет гонка вооружений, объясняет Трим. Животные эволюционируют, производя большее количество и более мощные противомикробные препараты, чтобы их токсичный коктейль сохранялся достаточно долго для использования, в то время как микробы развивают способы борьбы с этими соединениями.

В поддержку этой идеи Мошос говорит, что команда обнаружила "статистически значимое обогащение мутаций, которые указывают на то, что бактерии активно развиваются, постоянно пытаясь попасть в яд". Это включало мутации в генах, связанных с устойчивостью к противомикробным препаратам и целостностью мембран, которые могут быть необходимы для того, чтобы противостоять токсинам яда, разрушающим липиды.

Клинические вопросы остаются
Какую бы роль они ни играли в организме ядовитых животных, если бактерии, обитающие в яде, могут инфицировать кожу и другие ткани, они могут нанести прямой вред укушенным существам, включая человека. Мошос подозревает, что бактерии, обитающие в яде, особенно патогенны. "В тот момент, когда яд попадает в ткань, происходит массовый лизис, массовая гибель клеток хозяина - это создает суп из питательных веществ, которым бактерии очень рады. В ране от змеиного укуса они могут сидеть и просто питаться, жить, размножаться, расти".

"Подавление ядом внезапно снимается, и они могут свободно переходить к полному экспоненциальному росту", - добавляет Трим. Действительно, обнаружение Мошосом, Тримом и их коллегами Enterococcus faecalis в яде плюющейся кобры особенно интригует, поскольку этот вид известен как виновник многих инфекций, вызываемых укусами змей. Однако исследование не позволило напрямую оценить клиническую значимость этого или любого другого потенциально переносимого ядом микроба.

Данбар говорит, что преобладающее предположение о том, что все инфекции при ядовитых укусах вызываются условно-патогенными микробами, живущими на коже или в окружающей среде, никогда не имело для него смысла, особенно когда речь шла об укусах пауков.
"По роду своей деятельности я порезался и поцарапался, проходя через болота Южной Америки, азиатские джунгли и африканские пустыни, и ни разу не столкнулся с бактериальной инфекцией", - отмечает он, поэтому он скептически относится к тому, что укус "крошечного паука с такими маленькими клыками, что даже не видно прокола" может быть инфицирован микробами, живущими на коже. "Кажется гораздо более правдоподобным, что патогенные и устойчивые к антибиотикам бактерии в яде или на клыках, проникшие через кожные барьеры, с гораздо большей вероятностью будут ответственны за возникновение инфекции".

Данбар и его коллеги исследовали эту идею для укусов ложной вдовы(Steatoda nobilis), обнаружив, что бактерии на клыках пауков отличаются от бактерий на их теле и включают устойчивые к антибиотикам человеческие патогены. Однако в исследовании не изучался яд или ядовитые железы пауков - это исследование находится в стадии разработки, говорит Данбар. Он добавляет, что команда обнаружила, что яд "не оказывает ингибирующего действия на бактерии, что позволяет предположить, что бактерии, которые могут быть перенесены во время укуса, не будут подавлены непосредственно активностью яда".

Ларреше высказывает аналогичные сомнения и говорит, что необходимы дальнейшие исследования на различных видах змей, поскольку "авторы использовали только виды опидий, укусы которых, как известно, являются регулярными источниками инфекций". Он добавляет: "На мой взгляд, было бы уместно добавить в эту группу такие виды, как представители родов гадюк Vipera или Echis, укус которых, напротив, почти никогда не осложняется инфекцией".

На данный момент, по его словам, исследование не изменило его мнения - он по-прежнему считает, что в инфекциях, связанных с укусами, виноваты оппортунистические микробы кожи или окружающей среды, а не микробы, выделяемые ядом.

Пищеварительные инфекции могут разрушить нервную систему кишечника, что приводит к постоянным проблемам с пищеварением. Но если в них и есть плюс, то он заключается в том, что они могут защитить кишечник от будущих нападений: нейроны кишечника мышей, ранее зараженных либо кишечными червями, либо патогенными бактериями, были более устойчивы к инфекциям Salmonella, сообщают исследователи 11 ноября в журнале Cell.

В отличие от эпителиальных клеток кишечника, чья быстрая смена помогает кишечнику быстро восстанавливаться после разрушения тканей, нейроны кишечника обычно получают длительные повреждения во время инфекций и воспалительных заболеваний, таких как синдром раздраженного кишечника(СРК) или болезнь Крона. Поскольку эти нейроны важны для всего, начиная от контроля подвижности кишечника и заканчивая секрецией гормонов, такое повреждение имеет длительные и часто болезненные последствия.

Ведущий автор исследования Дэниел Мусида, иммунолог из Университета Рокфеллера и исследователь HHMI, и его коллеги недавно заметили, что инфекция сальмонеллы вызывает длительную гибель кишечных нейронов у мышей. Однако они также увидели, что макрофаги в кишечнике предотвращают часть этой гибели клеток, хотя они не убивают бактерии напрямую.
"Это классический пример толерантности к болезни, эффект, который не контролирует количество патогенов в организме, а скорее то, как организм справляется с воспалением и повреждением тканей, вызванным патогенами", объясняет Мусида.

Поскольку предотвращение гибели нейронов во время кишечных инфекций может помочь людям с воспалительными заболеваниями кишечника, такими как СРК(синдром раздраженного кишечника), Мусида говорит, что его команда хотела продолжить исследование того, как работает эта защита. Поэтому исследователи вернулись к модели бактериальной инфекции Salmonella, которую они использовали в своей предыдущей работе, но с особенностью: на этот раз они заразили мышей другим типом кишечных бактерий, подождали три недели, пока инфекция пройдет, а затем заразили мышей Salmonella.

У мышей, которые были предварительно инфицированы, было меньше гибели нейронов, больше защитных макрофагов и улучшена моторика кишечника по сравнению с теми мышами, которые были инфицированы только сальмонеллой, хотя в обеих группах мышей было одинаковое количество бактерий в кишечнике во время второй инфекции, что позволяет предположить, что первоначальная инфекция вызвала стойкую защиту тканей.
"Главное достижение этой работы - показать, что существует длительный эффект устойчивости к болезни, вызванный инфекцией", - говорит Мусида. И это явление, похожее на память, было характерно не только для бактериальных инфекций. К своему удивлению, исследователи обнаружили, что предварительное заражение мышей кишечными червями - совершенно другим патогеном - вызвало "почти идентичную" защиту нейронов макрофагами во время последующего заражения сальмонеллой, даже когда бактерии были введены через шесть месяцев после очищения от червей.

В ходе опытов по инфицированию червями группа Мусиды обнаружила, что еще один тип иммунных клеток имеет решающее значение для защиты нейронов - эозинофилы(названные так из-за восприимчивости клеток к поглощению розового красителя эозина в своих крапчатых гранулах при традиционных методах окрашивания клеток).
Эксперименты команды показали, что эозинофилы помогают координировать работу макрофагов, защищающих нейроны, которые они наблюдали в своей предыдущей работе: когда эозинофилы истощались, защитных макрофагов становилось меньше.
Далее исследователи показали, что два ключевых цитокина, вырабатываемых эозинофилами - IL-4 и IL-13 - необходимы для организации работы нейропротекторных макрофагов, и что добавление этих цитокинов во время инфекции Salmonella было достаточно, чтобы вызвать защиту нейронов в отсутствие предварительной инфекции.

Макрофаги(голубой) среди редких нейронов(пурпурный) в ткани кишечника мыши через 10 дней после заражения сальмонеллой.

"Также удивительно", - говорит первый автор исследования и иммунолог из Университета Рокфеллера Томаш Арендс, "что заражение червями в кишечнике фактически перепрограммировало костный мозг на выработку большего количества эозинофилов в течение нескольких недель после заражения. Однако, одних изменений в костном мозге было недостаточно для защиты нейронов в кишечнике, они должны были происходить в сочетании с локальными изменениями в окружающей среде кишечника".
Арендс говорит, что сейчас он проводит эксперименты, чтобы выяснить, достаточно ли одних только местных изменений в тканях для длительной защиты.

"Тот факт, что инфекция может быть очищена в течение нескольких месяцев, и вы все еще видите тот защитный эффект, который имела эта инфекция, противоречит догме об отсутствии памяти у клеток врожденного иммунитета", - говорит Арендс. Он отмечает, что эта догма уже перевернута с ног на голову работой по обученному врожденному иммунитету; в ходе научного наблюдения было показано, что предыдущие инфекции могут вызывать эпигенетические изменения в предшественниках клеток врожденного иммунитета в костном мозге, что приводит к улучшению контроля патогенов при последующих инфекциях.

Мусида отмечает, что обнаруженный ими фенотип немного отличается от тренированного врожденного иммунитета, поскольку они не знают, происходят ли эпигенетические изменения в костном мозге, и поскольку долгосрочные эффекты являются защитными для тканей, а не уничтожающими патогены. По словам Арендса, эта работа подтверждает смену парадигмы в том, как исследователи рассматривают иммунную систему.
"Главная цель - не борьба с патогенами", - говорит он. "Скорее, иммунная система существует для поддержания гомеостаза".

По словам Мусиды, обнаружение устойчивости к болезням у лабораторных мышей заставило команду задуматься, не происходит ли это явление и за пределами лаборатории. Поэтому исследователи повторили свои эксперименты, используя подопытных мышей с гораздо большим реальным опытом, чем их выращенные в искусственных условиях собратья: домашних мышей, продающихся в местном зоомагазине.
"Когда я проанализировал этих мышей, я увидел тонны червей", - говорит Арендс. "Соответственно, у этих мышей был более высокий уровень эозинофилов и макрофагов, и они потеряли меньше нейронов, чем лабораторные мыши после заражения сальмонеллой, что говорит о том, что в результате пожизненного контакта с кишечными патогенами их кишечник был полностью готов к нападению кишечных паразитов".

Мусида и Арендс говорят, что в настоящее время они работают над определением того, как изменения в костном мозге и кишечнике способствуют длительной устойчивости к болезни, а также изучают, вызывают ли энтеральные(кишечные) вирусные инфекции подобные фенотипы защиты тканей.

Международная группа ученых утверждает, что выявила две группы глубоководных микробов, которые производят аморфный углерод - разновидность элементарного углерода. "Это первое сообщение о производстве аморфного углерода каким-либо организмом на Земле", - говорит биохимик из Virginia Tech и соавтор статьи Роберт Уайт в пресс-релизе, добавляя, что команда "очень заинтересована в возможных последствиях этого открытия для углеродного цикла".
"Мы никогда не думали, что аморфный углерод может быть произведен живыми организмами из-за обычно экстремальных химических реакций, которые необходимы для его образования", - добавляет он.

Элементарный углерод содержит только атомы углерода, в отличие от молекул, связанных с жизнью, в которых углерод соединен с другими элементами, такими как водород и кислород. Он существует во множестве различных форм, от кристаллических алмазов, образующихся при высоком давлении и температуре, до черного, порошкообразного аморфного углерода в саже. Во всех ранее известных случаях его синтез был абиотическим, сообщает Chemistry World. Однако в статье, опубликованной 27 октября в журнале Science Advances, описывается элементарный углерод, который был получен микробами, выращенными из глубоководных морских отложений.

Первоначально микробы были собраны в период с 2003 по 2009 год и культивировались в течение нескольких лет, чтобы лучше понять биохимические процессы организмов, живущих в морских глубинах. Среди изученных организмов были представители двух групп микроорганизмов: метаногены, которые в процессе дыхания вырабатывают метан вместо углекислого газа, и анаэробные метанотрофы, которые потребляют метан в качестве источника углерода. Оба вида процветают в среде с низким содержанием кислорода, такой как гидротермальные источники в Калифорнийском заливе и глубоководные грязевые вулканы в Средиземном море, откуда исследователи взяли свои образцы.

Когда они культивировали микробы, то заметили, что организмы производят черные вкрапления, которые, как они сначала подумали, могли быть металлическими отложениями. Однако, рамановская спектроскопия показала, что этот материал является чистым углеродом, что подтвердили последующие анализы.

Ведущий автор работы, биохимик из Virginia Tech Кайли Аллен, отмечает, что пока неясно, зачем организмы производят аморфный углерод. "Они могут синтезировать его непосредственно для каких-то целей или как побочный продукт жизненно важного процесса; мы пока не знаем, что именно. Это то, что мы действительно хотим выяснить в будущем", - говорит она.

Авторы статьи предполагают, что аморфный углерод может играть роль в защите микробов от токсинов или служить проводящим элементом для переноса электронов. "Элементарный углерод - хороший проводник электричества. Углерод может быть ключом к симбиозу между археями и их партнерами", - предполагает соавтор работы, морской микробиолог Гюнтер Вегенер в пресс-релизе Бременского университета.
"Также совершенно неясно, сколько элементарного углерода образуется микроорганизмами в природе и где он находится", - отмечает он в релизе Virginia Tech.

Ответы на такие вопросы о природе и объеме производства углерода могут помочь прояснить, оказывают ли эти организмы заметное влияние на глобальный углеродный цикл. Возможно, учитывая относительно не реактивную природу аморфного углерода и расположение этих микробов на дне моря, большая часть производимого ими углерода остается в глубинах океана, выступая в качестве поглотителя углерода. Но, подчеркивает Аллен, любые выводы такого рода еще очень далеки.

Растения используют различные механизмы для общения с другими организмами, включая друг друга. Например, летучие соединения могут сигнализировать о цветении и привлекать опылителей, а микоризные грибковые сети могут передавать предупреждения или передавать ресурсы.
Микро РНК входят в этот список коммуникационных молекул, и новые результаты подтверждают их потенциал: согласно статье, опубликованной 14 октября в журнале Nature Plants, растение Arabidopsis thaliana выделяет микроРНК(миРНК) - тип малых одноцепочечных РНК - в жидкую среду роста. Затем соседние особи поглощают эти РНК, которые изменяют экспрессию их генов, связываясь с информационными РНК(иРНК) и предотвращая перевод определенных генов в белки(процесс, известный как РНК-интерференция).

Хайлинг Джин, молекулярный генетик растений из Калифорнийского университета в Риверсайде, который не принимал участия в исследовании, говорит, что очень интересно видеть, что растения могут принимать микроРНК из окружающей среды, включая те, которые "выделяются другими растениями через корни".

То, что микро РНК могут обмениваться между различными организмами, не является чем-то новым. В дополнение к их роли регуляторов экспрессии генов внутри особи(в процессе развития или в ответ на стресс), в последние годы их стали использовать для защиты от патогенов. Например, клетки арабидопсиса, зараженные патогенным грибом Botrytis cinerea, выделяют малые РНК, упакованные во внеклеточные везикулы, которые, попадая в атакующий организм, подавляют его вирулентность.
Растения также способны поглощать распыленные молекулы РНК, нацеленные на гены патогенов. Последние результаты являются первым свидетельством того, что растения поглощают РНК, выделяемую другими растениями в окружающую среду.
"Результаты оказались совершенно неожиданными", - пишет в электронном письме The Scientist Пьердоменико Перата, физиолог растений из Школы передовых исследований Сант-Анна в Пизе(Италия) и соавтор исследования. Учитывая репутацию РНК как "крайне нестабильных" молекул вне клетки, он пишет, что его команда "ожидала, что микроРНК будет несовместима с нестерильной средой, такой как питательная среда".

Перата рассказывает, что его команда работала "над совершенно несвязанной темой" - изучением роли РНК-интерференции в условиях ограниченного доступа кислорода, и именно с этой целью они выращивали в гидропонных условиях растения арабидопсиса, созданные для производства большого количества определенных микроРНК.
Поскольку они просто хотели, чтобы растения производили семена, добавляет он, исследователи "не заботились о размещении различных линий растений в отдельных лотках". Но затем они заметили, что у растений дикого типа, питающихся гидропонным раствором мутантов, фенотипы отличались от ожидаемых - например, у растений, растущих рядом с мутантами, сверхэкспрессирующими микроРНК, нацеленные на гены развития, изменялось время цветения. По словам Ператы, именно тогда он и его коллеги задались вопросом, "могут ли микроРНК высвобождаться в жидкой среде роста, тем самым влияя на фенотип растений дикого типа".

Исследователи протестировали гидропонный раствор, и, они обнаружили миРНК. Эти РНК присутствовали независимо от того, были ли растения, растущие в растворе, дикого типа или мутировавшие для их сверхэкспрессии, хотя в растворе мутантов было обнаружено больше РНК. Более того, культивирование обеих линий в одном и том же растворе приводило к появлению растений дикого типа с заметно более низким уровнем экспрессии генов, на которые нацелены усиленные молекулы миРНК мутантов. Применение микроРНК, выделенных из мутантов или химически синтезированных эквивалентов, также снижало экспрессию генов.

Зачем растению влиять на экспрессию генов другого растения? По мнению Ператы, одна из возможностей заключается в том, что "обмен информацией посредством РНК позволяет растениям, испытывающим стресс, предупредить соседние растения, еще не затронутые стрессом". Другим объяснением может быть конкуренция, пишет он; например, если растение, выделяющее микроРНК, "может подавлять физиологические функции соседнего растения", оно может получить "конкурентное преимущество в использовании ресурсов".

Один из вопросов, на который пока нет ответа, заключается в том, как растения забирают эти крошечные молекулы из окружающей среды. Предыдущая работа по изучению обмена РНК между растениями и патогенами предполагает, что в этом процессе могут участвовать экзосомы - тип везикул, которые могут выступать в качестве транспортных средств доставки. Однако исследователи обнаружили, что применение извлеченных, предположительно голых микроРНК или синтетических РНК оказывает влияние на экспрессию генов, что говорит о том, что экзосомы не нужны для поглощения.
Хуэй-Шань Го, микробиолог растений из Института микробиологии при Китайской академии наук, говорит, что данные исследования о поглощении голой РНК подтверждают предыдущие сообщения о глушении генов с помощью распыленной РНК. В своем письме в The Scientist она предполагает, что, как и в случае с питательными веществами, растения могут активно усваивать малые РНК из окружающей среды. Но в отличие от веществ, которые, как известно, растения импортируют, молекулы голой РНК "считались нестабильными", говорит она, поэтому "поглощение РНК игнорировалось или недооценивалось".

Го отмечает, что, поскольку этот механизм был изучен только на гидропонных растениях, пока неясно, "будут ли проростки, растущие в почве, влиять на регуляцию экспрессии генов в соседних растениях", что можно будет изучить в будущих исследованиях.

Многим видам клещей необходимо питаться кровью, чтобы расти, развиваться и размножаться. Во время такого питания они могут передавать болезни своим хозяевам. Исследователи уже несколько лет знают, что лечение клещей антибиотиками, чтобы избавиться от бактерий, живущих внутри них, влияет на потребление крови, но было не ясно, почему так происходит.
Теперь исследование, опубликованное 14 сентября в журнале Cell Host & Microbe, показывает, что один из таких бактериальных симбионтов, Coxiella, влияет на потребление крови азиатским длиннорогим клещом(Haemaphysalis longicornis), участвуя в метаболизме триптофана, тем самым регулируя выработку серотонина.

Биолог Цзинвэнь Ванг и его команда из Университета Фудань в Китае первоначально поставили перед собой задачу понять влияние симбионтов на способность клещей передавать патогены. Исследователи сместили акценты, когда они обработали клещей антибиотиками, чтобы уменьшить популяцию их основного симбионта(Coxiella), и обнаружили, что большинство клещей перестали питаться.
"Поскольку питание кровью делает клещей компетентным переносчиком болезней, мы изменили свою направленность, чтобы понять влияние симбионта на регуляцию аппетита клещей", - пишет Ванг в электронном письме в The Scientist.

Команда сравнила экспрессию генов у необработанных клещей, и у тех, кого лечили тетрациклином, который истощает Coxiella, и обнаружила, что потеря симбионта изменяет активность генов, участвующих в метаболизме аминокислот. Они также определили, что геном Coxiella кодирует белки, необходимые для пути, который не встречается у животных и приводит к производству молекулы хоризмата, которая затем может быть использована для получения ароматических аминокислот, таких как триптофан.

Исследователи предположили, что нарушение синтеза триптофана может также повлиять на гормон серотонин(также известный как 5-HT), который производится из триптофана, и действительно обнаружили, что клещи, обработанные тетрациклином, имели более низкий уровень серотонина. Они также показали, что нарушение выработки и передачи серотонина у клещей с нормальной популяцией симбионтов вызывало падение уровня серотонина в крови. И наоборот, обработанные тетрациклином клещи, которым добавляли хоризмат, триптофан или серотонин, снова питались нормально.

Коксиелла(Coxiella) в основном обитает в выделительных органах и яичниках клещей, но команда обнаружила, что лечение антибиотиками не повлияло на уровень серотонина в этих тканях. Вместо этого препарат снижал уровень серотонина в средней кишке клеща и синганглионе - пучке нервов, расположенном рядом с пищеводом. Исследователи определили, что симбионт регулирует биосинтез серотонина дистанционно, выделяя хоризмат в кровеносную систему клеща.

"Из предыдущих работ мы знаем, что симбионты важны во время высокой метаболической активности, которая включает кормление и производство яиц клещей", - говорит Юваль Готлиб-Дрор, энтомолог из Еврейского университета в Иерусалиме, которая не принимала участия в новом исследовании. "Из статьи мы понимаем часть механизма: симбионт производит метаболит, который влияет на биосинтез 5-HT хозяина, - добавляет она, - но мы не знаем точного процесса".

"Серотонин на самом деле вырабатывается клещами, а не только симбионтами, потому что когда симбионт уничтожен, вы все равно видите 5-HT, только на более низком уровне", добавляет Готлиб-Дрор, "так что вопрос в том, каков реальный механизм, который делает симбионт необходимым? Кроме того, у некоторых видов клещей нет специфического симбионта", добавляет она, "так как же им удается преодолеть этот симбионтный прекурсор производства серотонина и, следовательно, питаться кровью?"

Предыдущие работы показали, что если симбиотическая бактерия обеспечивает какую-то функцию, которая критически важна для насекомого-хозяина, бактерия затем поддерживается в специальном типе клеток или ткани. "Хозяин следит за тем, чтобы бактерия не была потеряна, потому что если она будет потеряна, то хозяин не сможет выжить", - говорит эволюционный биолог Рахул Рагхаван из Техасского университета в Сан-Антонио, - "но у клещей, похоже, нет подобных структур". И по сравнению с насекомыми, которые обычно формируют долгосрочные отношения с полезными эндосимбионтами, большинство отношений клещей с ними недолговечны с точки зрения эволюционного времени, добавляет он. "Вопрос в том, что если это так важно для их питания кровью, то почему Coxiella не связана с клещами на постоянной основе".

У мышей диета с высоким содержанием соли подавляет рост опухолей, но только в том случае, если микробы в кишечнике стимулируют иммунные клетки, сообщается в исследовании, опубликованном 10 сентября в журнале Science Advances. Результаты исследования поднимают волнующие вопросы о роли диеты и микробов кишечника в раковых заболеваниях человека и могут указать на новые пути для разработки терапии.
"Хотя исследование не является первым, связавшим высокосолевую диету с уменьшением размеров опухолей, авторы показали уникальную механическую роль изменений микробиома кишечника, вызванных высоким содержанием соли, как центрального явления, лежащего в основе наблюдаемого противоракового эффекта", - пишет в электронном письме The Scientist Венкатасваруп Тиривиди, биолог из Университета штата Теннесси, который изучал влияние соли на развитие рака, но не участвовал в исследовании.

Амит Авасти, иммунолог из Института трансляционных медицинских наук и технологий(Индия) и автор-корреспондент исследования, говорит, что он и его коллеги занялись этим вопросом, поскольку предыдущие исследования связывали высокое потребление соли с аутоиммунными заболеваниями, предполагая, что повышенное содержание соли стимулирует иммунные клетки. Между тем, хорошо известно, что опухоли растут в иммуноподавляющей среде.
Авасти вспоминает, как вместе со своей командой он задался вопросом: если мы включим соль в рацион мышей, возможно, иммунная система в опухолевой среде активизируется, подавляя раковый рост.

В опубликованном в 2019 году в журнале Frontiers in Immunology исследовании европейской группы под руководством иммунолога из Университета Хасселта Маркуса Кляйневитфельда, сообщалось, что диета с высоким содержанием соли подавляет рост опухоли у мышей. Когда Авасти и его коллеги провели аналогичные эксперименты, имплантировав мышам клетки меланомы кожи B16F10, а затем скармливая мышам с трансплантированной опухолью диету с разным содержанием соли, они получили аналогичные результаты: опухоли росли медленнее у мышей, которых кормили диетой с высоким содержанием соли.

Это привело к тому, что Авасти назвал "очевидным вопросом": как иммунная система реагирует на пищевую соль? Чтобы ответить на него, команда исследователей проанализировала участки опухолей и обнаружила, что иммунные клетки, известные как естественные клетки-киллеры(NK), были обогащены у мышей, которых кормили высокосолевой диетой, по сравнению с мышами, которых кормили диетой с нормальным или слегка повышенным уровнем соли. Когда NK-клетки были удалены, высокосолевая диета больше не приводила к регрессии опухоли(тот эффект, который не наблюдался после истощения Т- и В-клеток).

Чтобы выяснить, почему соль так влияет на NK-клетки, Авасти и его коллеги обратились к ранним источникам и нашли исследования, в которых сообщалось, что высокосолевая диета изменяет микробиом кишечника, а также другие работы, в которых было установлено, что микробиом кишечника модулирует реакцию пациентов на иммунотерапию рака. Чтобы проверить роль кишечных бактерий в воздействии высокосолевой диеты на рост рака, исследователи давали мышам антибиотики, прежде чем кормить их различными диетами.
Конечно, высокосолевая диета больше не подавляла рост опухоли; однако, когда команда пересадила фекалии мышей, которых кормили высокосолевой диетой, мышам без микробов, они с удивлением обнаружили, что опухоли уменьшились, вспоминает Авасти.

Исследователи изучили разнообразие видов в кишечнике мышей и обнаружили увеличение количества видов Bifidobacterium у мышей, получавших пищу с высоким содержанием соли. Более того, опухоли этих мышей показали шестикратное увеличение численности Bifidobacterium по сравнению с опухолями мышей, соблюдающих нормальную диету. По словам Авасти, это говорит о том, что "бифидобактерии просачиваются из кишечника и фактически достигают места опухоли", что, вероятно, является результатом проницаемости кишечника, вызванной солью.
У мышей, которых кормили обычной диетой, введение бифидобактерий в опухоли приводило к ее регрессии, и этот эффект исчезал, если исследователи удаляли у животных NK-клетки, сообщают они. По словам Авасти, это может означать, что существует способ использовать противоопухолевые свойства диеты с высоким содержанием соли, избегая при этом потенциальных негативных последствий, таких как аутоиммунные проблемы или гипертония: "Мы можем заменить соль бифидобактериями".

По словам Тиривиди, "недоумевание вызывает проблема двойственной природы воздействия соли на твердые опухоли". Хотя соль может подавлять рак, усиливая противоопухолевые иммунные реакции, Тиривиди указывает на исследования его группы, которые показали, что соль также может провоцировать распространение рака. Эти результаты "предполагают временную роль соли в прогрессировании рака".
В краткосрочной перспективе соль может запускать противораковые механизмы, говорит он, но "в течение длительного периода времени соль может сменить сторону и оказывать противораковое действие".
Даже несмотря на такие вопросы, Авасти говорит, что результаты его группы могут стать основой для новой формы лечения рака, и команда уже планирует клинические испытания в сотрудничестве с онкологами. Подтвердят ли эти испытания противоопухолевую активность соли или Bifidobacterium, пока неизвестно.

В последние годы исследователи обнаружили, что бактерии в кишечнике необходимы для устойчивого ответа на химиотерапию и иммунотерапию, но их влияние на лучевую терапию оставалось неизвестным. Исследование, опубликованное 29 июля в «Cancer Cell», демонстрирует, что не только кишечные бактерии жизненно важны для способности радиации бороться с опухолями, но и грибки - менее известные члены кишечного микробиома - могут выступать в качестве дополнительных ключевых регуляторов противоопухолевого иммунного ответа.

«Эта статья представляет собой первую демонстрацию того, что кишечные грибы могут влиять на противораковую лучевую терапию», - пишет Джорджио Тринкьери, исследователь рака и иммунологии из Национального института рака(NIH), который не участвовал в работе.
«Я считаю эту статью важным вкладом в область изучения раковых заболеваний».

Исследователи знают, что кишечные бактерии и грибы влияют на функцию иммунной системы, и недавние исследования показали, что они также играют роль в развитии рака. Поскольку определенные методы лечения рака вызывают противоопухолевый иммунный ответ, имеет смысл, что кишечные бактерии также изменяют эффективность этих препаратов: в доклинических моделях и предыдущих исследованиях на людях для эффективной химиотерапии и иммунотерапии требовались интактные кишечные бактериальные сообщества. Когда исследователи устраняли бактерии с помощью антибиотиков на мышах, эффективность химиотерапевтических препаратов и иммунотерапии значительно снижалась.

Никто ранее не изучал взаимодействие между микробиомом и лучевой терапией. Поэтому два исследователя из медицинского центра Cedars-Sinai в Лос-Анджелесе объединили свои усилия - Стивен Шиао, онколог-радиолог, иммунолог и исследователь рака, и Дэвид Андерхилл, исследователь микробиома и воспаления, - чтобы изучить эту связь на мышах. «Интересно то, что эффективность облучения, химиотерапия или иммунотерапия напрямую зависят от бактерий», - сказал Шиао.

Команда также увидела, что когда мыши получали антибиотики, вместо бактерий росли грибы. «Это был наш момент истины», - говорит он, добавляя, что это привело к гипотезе о том, что, возможно, чрезмерный рост грибка был одной из причин, почему после уничтожения кишечных бактерий лечение рака становится менее эффективным.

Недавно было показано, что грибы в микробиоме регулируют воспалительные реакции. Чтобы узнать больше об их роли во время лучевой терапии, Шиао и его команда использовали мышиную модель рака молочной железы, позволяя опухолям расти, а затем облучая их. Когда мыши с опухолями получали антибиотики, опухоли росли быстрее после облучения по сравнению с контрольной группой, не получавшей антибиотики, без снижения пролиферации опухолевых клеток по сравнению с контрольной группой, которая не получала радиацию, и меньшей гибелью опухолевых клеток.

Количественная ПЦР(полимеразная цепная реакция) микробной рибосомной ДНК, полученной из фекалий мышей, показала, что антибиотики истребили бактерии более чем в 2000 раз, а количество грибков увеличилось более чем в 2000 раз. Введение противогрибкового препарата мышам с опухолями молочной железы или меланомой увеличивало способность излучения задерживать рост опухоли и улучшало выживаемость, по-видимому, за счет увеличения уровня гибели опухолевых клеток после лучевой терапии. Ученые также создали мышей без грибков и показали, что лучевая терапия у них была намного эффективнее, чем у обычных мышей.

Чтобы точно определить, как грибы снижают эффективность лучевой терапии, исследователи изучили состав иммунных клеток опухолей мышей, получавших различные виды лечения. По сравнению с мышами, получавшими только облучение, у мышей, получавших облучение в сочетании с противогрибковым лечением, наблюдалось увеличение убивающих клетки CD8+ Т-клеток. А те мыши, которые получали антибиотики и облучение, показывали увеличение связанных с опухолью макрофагов, которые атакуют Т-клетки, убивающих опухолевые клетки(убийство бактерий приводит к увеличению количества грибков). Когда команда удалила у мышей эти Т-клетки или макрофаги, противогрибковое средство потеряло свой эффект замедления опухоли и продления жизни.

В своей статье исследователи пишут, что это, вероятно, означает, что бактерии важны для генерации активированных Т-клеток после лучевой терапии, в то время как грибы способствуют развитию макрофагов, которые разрушают эти Т-клетки, которые убивают опухоль. Если это верно, это может означать, что ограничение грибков при обеспечении здорового бактериального сообщества кишечника может повысить противоопухолевую активность иммунной системы. В настоящее время группа проводит небольшие испытания на пациентах с ранней стадией рака груди, посвященные влиянию длительного применения противогрибковых препаратов на результаты лучевой терапии.

Шиао говорит, что долгосрочной целью этого исследования является «разработка оптимального состава микробиома - смеси некоторых бактерий и некоторых грибов, которые являются идеальным балансом, - но мы пытаемся выяснить, что это такое», отмечая, что он может быть разным в зависимости от ситуации и человека. «Вмешательства в микробиом известны и безопасны, поэтому их можно экстраполировать на людях довольно быстро», - добавляет он.

Клинические испытания двух лабораторий Израиля и Питтсбурга показывают, что у некоторых пациентов с меланомой наблюдается улучшение состояния после трансплантации фекалий от донора, который прошел лечение иммунотерапией. Полученные данные дополняют свидетельства того, что микробиом кишечника влияет на эффективность этого метода.

"Оба исследования были действительно убедительным доказательством потенциальной возможности использования FMT (трансплантации фекальной микробиоты) для усиления ответной рейкции на иммунотерапию онкологических пациентов", - говорит Дженнифер Маккуэйд из Онкологического центра доктора медицинских наук Андерсона, изучающая факторы, влияющие на успех иммунотерапии при меланоме и не участвовавшая ни в одном исследовании. Хотя в обоих испытаниях первой фазы участвовала небольшая группа пациентов, добавляет она, результаты подтверждают переход к более крупным исследованиям.

Результаты двух исследований были опубликованы одновременно 5 февраля в журнале Science; первое испытание проводилось в Медицинском центре Шиба в Израиле и включает результаты 10 пациентов, другое исследование проводилось в Национальном институте здравоохранения (NIH) и в Медицинском центре Университета Питтсбурга (UPMC), куда входила группа состоящая из 15 пациентов.

Все участники были пациентами с меланомой, на которых не подействовала иммунотерапия, известная как анти-PD-1, и следовательно, они получили трансплантаты фекалий от пациентов, которым терапия в той или иной степени принесла пользу.
Доноры в израильском исследовании показывали полноценный иммунный ответ на терапию, что обуславливает отсутствие рака, в то время как доноры в исследовании NIH/UPMC представляли собой смесь респондентов и пациентов, опухоли которых сократились, но не исчезли.
На первой фазе прежде всего проверяется безопасность испытания и авторы не обнаружили никаких серьезных проблем при лечении FMT.

Прошлые исследования показали связь между определенными типами бактерий в кишечнике пациентов и эффективностью иммунотерапии. Ранее проведенные исследования на животных указывали на очевидную связь, но это первые клинические испытания, которые предполагают, что изменение микробиома может повлиять на реакцию иммунотерапии у людей.

Фекальные трансплантаты уже являются общепринятым методом лечения желудочно-кишечного заболевания, называемого колитом, вызванным Clostridioides difficile, и были протестированы для других патологических состояний, включающих нарушение микробиома кишечника. "Тем не менее, поначалу было трудно убедить коллег направить пациентов на это исследование", говорит Гал Маркель, соавтор израильского исследования, который работает в Медицинском центре Рабина и Тель-Авивском университете. "Это звучит немного странно, очень низкотехнологично, с очевидно безумным обоснованием", - объясняет он.

Отношение к FMT изменилось после того, как у третьего пациента в исследовании произошло поразительное улучшение. "Прямо на наших глазах произошел положительный эффект иммунотерапии - улучшение состояния пациента", - говорит Маркель, когда метастатические опухоли на коже пациента уменьшились. В целом, из первых 10 пациентов, включенных в исследование, у одного наступила ремиссия, а у двух других проявился частичный ответ на реакцию, сообщают Маркел и его коллеги.

По словам Маккуэйд, без FMT у пациентов может наблюдаться запоздалый ответ на иммунотерапию, но это случается редко; как правило, если пациенты с метастатической меланомой не реагируют на иммунотерапию, их болезнь продолжает прогрессировать, если их врачи не найдут другого лечения. А в исследовании NIH/UPMC опубликовали результаты, в которых указано, что 6 из 15 пациентов показали полный или частичный иммунный ответ на лечение.

"Следует ожидать, что не все пациенты получат пользу от фекальной иммунотерапии", говорит Маккуэйд. Она добавляет, что один из вопросов, на который следует обратить внимание в более крупных исследованиях, заключается в следующем: "Как нам научиться лучше выбирать, каким пациентам будет полезен FMT, так как пациенты не реагируют на иммунотерапию по разным причинам".

Исследователи планируют выявить наиболее важные виды бактерий, которые реагируют на иммунотерапию, чтобы точно проводить испытания по трансплантации в дальнейшем. "Поле работы было запутанным, мы все еще много работаем над этим, чтобы попытаться понять, какие виды бактерий важны и каков их механизм", - говорит Джорджио Тринкьери из Центра исследований рака NIH, который был соавтором исследования NIH/UPMC.

В конечном итоге, как сообщили исследователи The Scientist, эти знания могут привести к другим методам лечения, которые увеличат потенциальные преимущества фекальной трансплантации без необходимости использования донорского стула. В дополнение к своему «неприятному фактору» фекальные трансплантаты должны быть проверены на наличие патогенов перед пересадкой (что может происходить либо с помощью таблеток, либо с помощью колоноскопии), и, как правило, только академические медицинские центры проводят эту процедуру.

Для улья(мишени) атака может обернуться катастрофой - пчелы могут быть убиты, пытаясь защитить пищу колонии, в то время как кража меда оставляет колонию под угрозой голода в течение зимы.

Колонии пытаются предотвратить эти вторжения, размещая пчел-охранников за пределами улья, чтобы следить за тысячами пчел, входящих и выходящих из улья. Пчелы-охранники используют запах кутикулярных углеводородов других пчел (КУ) для идентификации особей, которые пытаются проникнуть из разных семей.

Считалось, что различия в составе КУ зависят от генетики, но исследователи показали, что дневные пчелы могут быть интегрированы в чужой улей с малым процентом отторжения со стороны другой колонии.

Кэсси Вернье, бывшая аспирантка Вашингтонского университета в Сент-Луисе, пыталась найти ответы в микробиоте пчел на загадку способностей насекомых распознавать химические знаки.
«Геном человека состоит не только из собственных генов, но и из геномов всех микроорганизмов, живущих в этом теле», - говорит она. Чтобы узнать, может ли микробиота пчел влиять на состав кутикулярных углеводородов, Вернье и ее коллеги из Вашингтонского университета провели эксперименты по культивированию перекрестных ульев, в которых молодые пчелы выращивались как в своих собственных, так и в чужих колониях.

Чашка Петри с бактериями, выращенными в кишечнике медоносной пчелы.

Команда секвенировала образцы кишечника пчел и проанализировала экстракты КУ в обеих группах, обнаружив, что и родной улей пчелы, и улей, в котором она выросла, влияют на микробиом кишечника насекомого, который, в свою очередь, влиял на состав кутикулярных углеводородов.

Ученые идентифицировали у испытуемых 14 видов бактерий, различающихся по численности и вариациям в зависимости от места выращивания пчелы, шесть из которых были одинаковыми среди пчел, которые выросли в одном улье, независимо от генетической связи.
Исследователи также скармливали различные смеси микробов отдельной группе только что вылупившихся пчел и обнаружили, что у этих пчел также развиваются разные микробные сообщества, что, в свою очередь, приводит к многочисленным разновидностям КУ.

Как оказалось, пчелы с родственным микробиомом принимают чужих в свою колонию, а своих, зараженных теми же бактериями - не идентифицируют, при этом кусают, жалят и выталкивают из улья. «Это первый случай, когда показано, что микробиом играет роль в основной социальной биологии насекомого, а не в аспектах, которые связанны со здоровьем», - говорит Вернье. «В данном случае, похоже, это стимулирует базовое социальное поведение, которое помогает колонии выжить».

Нэнси Моран, биолог из Техасского университета в Остине, которая не участвовала в исследовании Вернье и помогала в исследовании микробиоты пчел, считает новое исследование «очень убедительным», добавляя, что оно указывает на еще одну важную роль, которую играет микробиологическая популяция у пчел.

Моран говорит, что изменения в микробиоме будут важным фактором сокращения численности колоний, отмечая, что пестициды, которые пчеловоды используют для уничтожения клещей в своих колониях, а также средства для уничтожения сорняков, такие как глифосат, могут уничтожить микробные сообщества пчел и сделать насекомых уязвимыми перед инфекциями.

Пчелы-охранники осматривают возможного злоумышленника у входа в их улей.

Лаборатория Нэнси Моран обнаружила, что микробиомы кишечника медоносных пчел по всему миру различаются по химическому составу, и эволюция микробиома длится уже около 80 миллионов лет.

«У каждой рабочей пчелы в любой точке мира есть один и тот же набор бактерий» с точки зрения микробных таксонов, - объясняет она, хотя, как показывает исследование Вернье, вариации на уровне штаммов в этом микробном сообществе играют решающую роль для распознавания "соседа по колонии".

Микробиолог Ирен Ньютон из Индианского университета в Блумингтоне, которая не участвовала в исследовании Вернье, также обнаружила новые роли микробиома в метаболизме, поведении и здоровье пчел.
Она была поражена предыдущими исследованиями, которые показали, что пчелы могут определять, когда их пчелиная матка была оплодотворена, и различать большие и низкие объемы семенной жидкости в ней, основываясь на ее запахе, и в результате могут изменять свое поведение по отношению к ней.

Ньютон хотела узнать больше о биологии матки и с тех пор обнаружила, что одна бактерия - Bombella apis особенно распространена в микробиомах маток, однако, рабочие пчелы и хранилища нектара также содержат небольшие количества этих бактерий. Она говорит, что это единственный обнаруженный ею микроб, который может расти в «сильнодействующей антимикробной» среде маточного молочка, которым рабочие пчелы кормят королеву.

В прошлом году лаборатория Ньютон опубликовала исследование на сервере препринтов bioRxiv, показывающее, что Bombella apis продуцирует противогрибковые метаболиты, с помощью которых микроб помогает предотвратить проникновение грибковых патогенов в организмы пчел. «Поражает тот факт, что пчелы приносят пыльцу обратно в колонию, и мы не видим грибов в качестве основных частей каких-либо компонентов микробиома пчел», - говорит она, отмечая, что пчелы могут взаимодействовать с тысячами цветов в день, но при этом устойчивы ко многим грибковым патогенам, поражающих растения.

Ньютон добавляет, что пчелы представляют собой нечто вроде принципа Златовласки для изучения функций микробиома у насекомых.
"Они - золотая середина между не слишком сложными и не слишком простыми насекомыми". Другие известные модели животных, такие как Drosophila melanogaster, обычно имеют только несколько типов бактерий, и состав микробиома гораздо более подвержен воздействию окружающей среды, потому что, в отличие от пчел, мухи не имеют центральной колонии, где они могут обмениваться бактериями друг с другом. Что касается Вернье, изучение микробиомов пчел изменило ее взгляд на пчел, говорит она. «Когда я вижу пчелу, я сразу думаю о том, что внутри нее».

В исследовании, опубликованном в Cell Reports, учёные показывают, что плодовые мухи (Drosophila melanogaster) и комары (Aedes aegypti) передают иммунитет к вирусам своим потомкам на протяжении нескольких поколений.

"Авторы представляют очень тщательный набор экспериментов, которые детализируют существование этой передачи некой иммунологической памяти потомству из поколения в поколение", - говорит Барбара Милутинович, постдок из Института науки и технологий Австрии, которая не участвовала в работе.
Некоторые ученые до сих пор обсуждают иммунитет у дрозофилы, как будто он только врожденный и не адаптирован к определенным патогенам, добавляет она, но «это исследование показывает нам доказательства передачи иммунитета от родителей - потомкам».

Мария Карла Салех, иммунолог из Института Пастера в Париже, и ее коллеги задались целью понять иммунитет насекомых, потому что комары - переносчики опасных вирусов, вызывающих заболевания, сами не страдают от этих инфекций. "Вирус вызывает смертельную болезнь у людей, но комар будет очень счастлив», - говорит она.
Ученые сосредоточились на стойких вирусных инфекциях: инфекциях с высокой вирусной нагрузкой и высокой степенью заражаемости насекомых - переносчиков. "Исследование основ устойчивых инфекций может позволить управлять переносом патогенов комаром", - объясняет Салех.

Салех и ее группа часто работают с дрозофилами, потому что их иммунная система схожа с иммунной системой комаров, а с плодовыми мушками гораздо легче работать. В 2018 году команда показала, что Drosophila melanogaster, подвергшиеся воздействию вируса в виде личинок, успешно боролись с ним во взрослом возрасте, в то время как инвазия взрослых особей привела к развитию заболевания. Следующий вопрос заключался в том, может ли этот вид иммунного прайминга передаваться от родителей потомству.

В новом исследовании Салех и ее коллеги вводили самкам плодовых мушек рекомбинантный вирус Синдбис или имитирующую инъекцию того же объема, не содержащую вируса.

У дрозофил вирус Синдбис производит высокие титры вируса (вирусная нагрузка), но не вызывает у них болезней и не передается от матери к потомству. После инъекции самки спарились и отложили яйца. Когда следующее поколение достигло совершеннолетия, исследователи ввели новому поколению тот же рекомбинантный вирус лихорадки Синдбис.

Те мухи, матери которых были инфицированы вирусом, в конечном итоге имели более низкие титры вирусов и низкую активность репортерного гена, встроенного в вирус, чем потомство матерей, которые были ложно инфицированы перед спариванием. Исследователи определили, что защитные эффекты вирусной инфекции у поколения основателей сохраняются как минимум в пяти поколениях.
Они увидели аналогичный уровень трансгенерационной противовирусной защиты, когда повторили эксперименты с тремя другими вирусами с одноцепочечной РНК с положительной цепью.

Чтобы определить, был ли интактный вирус необходим для противовирусного иммунитета потомства, исследователи сконструировали двухцепочечную РНК, соответствующую двум разным частям вируса Синдбис, которая имитирует промежуточные формы вируса, созданные во время репликации вируса. При введении самкам мух этот фрагмент двухцепочечной РНК также защищает их потомство от последующих вирусных проблем.

Затем ученые либо вводили самкам комаров Aedes aegypti вирус чикунгунья - вирус с одноцепочечной РНК с положительной цепью, который может вызывать у людей головные боли, мышечные боли и отек суставов, либо кормили их зараженной кровью. Когда исследователи впоследствии подвергли потомство комаров воздействию вируса, у насекомых были более низкие показатели клеток вируса, чем у тех, чьи матери были ложно инфицированы.

В своем исследовании 2018 года Салех и ее коллеги показали, что вирусная ДНК, соответствующая некоторой части последовательности вирусной РНК, присутствовала у взрослых насекомых после того, как они подверглись воздействию вируса в виде личинок. Предполагая, что вирусная ДНК играет роль в трансгенерационном иммунитете, который они наблюдали в новой работе, специалисты изучили уровни как вирусной ДНК, так и РНК у мух, которые были инфицированы одним из двух одноцепочечных РНК - вирусов с положительной цепью и их потомства. Они обнаружили как вирусную РНК, как и ожидалось для текущей инфекции, так и вирусную ДНК у матерей, но у потомства не было никакой вирусной РНК, а только вирусная ДНК.

«Мы уверены, что информация определенно передается в виде ДНК», - говорит Салех. "Но результаты вызывают массу вопросов. Например, защиту и передачу противовирусного иммунитета мы могли наблюдать только для положительных одноцепочечных РНК - вирусов. Почему?"

"Предыдущая работа показала, что такие механизмы, которые обеспечивают некую память, существуют у беспозвоночных - или, по крайней мере, у некоторых беспозвоночных, и они выглядят совершенно иначе, чем то, что мы привыкли видеть в иммунной системе позвоночных", - говорит Мэтт Баллинджер, биолог из Государственного университета Миссисипи, не принимавший участия в исследовании.

"Есть несколько вирусов с геномами одноцепочечной РНК, которые передаются людям от комаров», в том числе вирусы денге, чикунгуньи, вирус Зика, желтой лихорадки и Западного Нила", - говорит Бриони Боннинг, энтомолог из Университета Флориды. "Понимание того, каким образом у комаров образуется иммунный механизм, подавляющий репликацию человеческих вирусов можно будет использовать для того, чтобы попытаться остановить передачу вирусов людям".

Микробиом кишечника человека - это мир в миниатюре, населенный различными бактериями, вирусами, грибками и простейшими, обитающими в различных частях желудочно-кишечного тракта.

За последнее десятилетие исследователи связали нарушения в этом сложном микробном обществе с различными заболеваниями. Большое депрессивное расстройство (БДР) является одним из таких состояний, но раньше исследования в области этого явления были небольшими, а результаты неточными.

Исследование, опубликованное 2 декабря в журнале Science Advances, меняет все благодаря яркому описанию отдельного микробиома, связанного с большим депрессивным расстройством, а также профиля молекул, которые производят эти организмы. Исследователи смогли использовать этот микробный «отпечаток пальца», чтобы различать людей с БДР и здоровых людей из контрольной группы исключительно по составу нескольких микробов и соединений в их фекалиях.

«Эта статья делает акцент на сложности экологии микробиома. Это долгожданное дополнение к этой области», - говорит нейробиолог Джон Крайан из Университетского колледжа Корка, который не входил в исследовательскую группу.

«Важность статьи заключается в двойном подходе как к метагеномике, так и к идентификации ключевых таксонов, а также метаболитов, потому что, в конце концов, нам нужно связать биосигнатуру таксонов с хозяином», - поделилась Джейн Фостер из Университета Макмастера, которая не участвовала в исследовании, рассказывает The Scientist. Она добавляет, что это одно из первых исследований по метагеномике и метаболомике депрессии на одной и той же выборке.

Исследователи микробиома, изучающие БДР, раньше использовали неточный метод, называемый секвенированием рибосомной РНК 16S, который может идентифицировать бактерии только до уровня рода в группе микроорганизмов, при этом исключает вирусы. Но психиатр Шаохуа Ху из Медицинской школы Чжэцзянского университета в Китае и его группа хотели получить более точную картину присутствующих организмов, поэтому они собрали образцы фекалий у 236 человек, у половины из которых была диагностирована БДР и они не принимали лекарства, а другая половина была здорова.

Они секвенировали общую геномную ДНК всех бактерий и вирусов в образцах, а затем использовали статистические программы для анализа различий и сходств между людьми с большим депрессивным расстройством и здоровыми людьми из контрольной группы. Учёные обнаружили, что 18 видов бактерий были более многочисленны у людей с БДР (в основном принадлежали к роду Bacteroides) и 29 были менее распространены (в первую очередь роды Blautia и Eubacterium) по сравнению со здоровым контролем.

Ху и его команда также обнаружили три бактериофага (вирусы, поражающие бактерий), уровни которых были разными при БДР по сравнению со здоровыми людьми в контрольной группе, при этом виром (популяция вирусов организма) впервые был изучен при БДР.

«Секвенирование полных микробных геномов позволило команде различать организмы, которые генетически похожи, но функционально уникальны», пишет в электронном письме Карра Симпсон, ученый из Мельбурнского университета, Австралия.
«По сравнению с обычно используемыми подходами к секвенированию маркерных генов авторы этой работы имеют большую разрешающую способность для различения этих видов в пределах сравнительно большого размера выборки». Это помогает «выяснить функциональные последствия бактериальных изменений для хозяина» - говорит Симпсон.

Чтобы определить эффект этих изменений, Ху и его группа проанализировали так называемое "функциональное считывание" – анализ молекул, продуцируемых всеми представителями кишечного микробиома с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии (GC-MS).

В результате исследования оказалось, что у пациентов с БДР содержалось на 16 метаболитов больше, по сравнению со здоровой группой людей при исследовании 34 соединений. Большинство этих молекул участвовало в метаболизме аминокислот. Три наиболее важных направления были связаны с метаболизмом гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), фенилаланина и триптофана.

Затем команда Ху создала панель биомаркеров, состоящую из двух видов бактерий, двух типов вирусов бактериофага и двух различных метаболитов.
В отдельной группе из 75 субъектов (половина с БДР, половина - здоровые) панель биомаркеров смогла точно выделить людей с депрессией примерно в 90% случаев.

Возможное микробное воздействие на депрессию и наоборот.

Исследователи отмечают, что ГАМК является нейротрансмиттером в головном мозге, но она также производится кишечными микробами. Уровни ГАМК и некоторых ее метаболитов в кале были снижены у пациентов с БДР, также команда обнаружила, что у пациентов с БДР были изменены гены микробов, связанных с ГАМК, что позволяет предположить, что микробы модулируют уровни ГАМК.

Ху и его команда предполагают, что это может нарушить регуляцию функции ГАМК в мозге и привести к депрессивным симптомам. Кроме того, ученые предполагают, что увеличение количества бактерий Bacteroides, которые вызывают выработку цитокинов, может усилить воспаление - состояние, связанное с депрессией. Также снижение количества бактерий рода Blautia, оказывающих противовоспалительный эффект, может способствовать развитию БДР.

Другие исследования также показали, что, когда исследователи трансплантируют всю микробиоту человека с БДР стерильной крысе, она начинает вести себя подавленно.

«Симптомы депрессии могут влиять на наше поведение в питании, вследствие, меняются характеристики и состав кишечника. С другой стороны, наши бактерии могут производить особые метаболиты и независимо влиять на работу нашего мозга», - говорит Шаохуа Ху.

"Это создает основу для гораздо большей работы по проверке того, действительно ли какой-либо из этих путей причинно связан с депрессией", - говорит Джон Крайан.
«Сейчас в пищевой психиатрии возникает целая новая область. Можем ли мы воздействовать на микробиом с помощью диеты, можем ли мы облегчить некоторые эффекты депрессии?»

На 23 января 18 человек умерли от вновь выявленного коронавируса, и более 630 были инфицированы. Аэропорты проверяют пассажиров, прибывающих из уязвимых регионов. Публичные празднования Лунного Нового года были отменены в нескольких городах Китая. Китай остановил поезда и другие транспортные средства, покидающие Ухань, где возникли инфекции, и ограничил поездки в пределах города и соседних районов.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) провела конференцию, чтобы обсудить запреты на поездки и другие меры предосторожности, связанные с новым заболеванием, которое в настоящее время называется 2019-nCoV, респираторный вирус с характеристиками, сходными с симптомами тяжелого острого респираторного синдрома (ТОРС) с 2003 года.

Как представители здравоохранения в реальном времени реагируют на вспышку, так и ученые. Спустя всего один месяц после того, как 8 декабря был зарегистрирован первый случай вызывающего пневмонию вируса, китайские ученые упорядочили вирусный геном и обнародовали его. Теперь исследователи по всему миру тщательно изучают генетическую последовательность для понимания этой загадочной болезни.

«Это на самом деле удивительный подвиг, что они (прим. Ученые) получили эти последовательности так быстро», - говорит Винеет Менахери, вирусолог из медицинского отделения Техасского университета, которая изучал новый геном. Эта скорость, отмечает он, отличается от вспышки атипичной пневмонии, при которой «в течение многих месяцев не было известно, что это вспышка».

Он вызывает гриппоподобные симптомы, такие как кашель и лихорадка, которые трудно отличить от других, более распространенных заболеваний.

«Кажется, что он может быть менее клинически тяжелым, чем SARS, хотя это еще очень рано утверждать», - говорит Алекс Гренингер, вирусолог из Вашингтонского университета. «Этот вирус распространился довольно быстро. И когда вы находитесь в этой точке эпидемической кривой, очень трудно понять, как идут дела».

Когда у одного человека в штате Вашингтон появились слабые симптомы через два дня после возвращения из Уханя 15 января, врачи на ночь отправили его образец в Центр по контролю и профилактике заболеваний в США, в которых использовалась полимеразная цепная реакция (ПЦР) с обратной транскрипцией в реальном времени (rRT-PCR), чтобы подтвердить, что образец соответствует генетической последовательности 2019-nCoV.

• Эта стратегия также может быть использована для определения наличия вируса у людей, у которых нет симптомов, но, тем не менее, они могут распространить его среди других. Без генома чиновники не смогли бы окончательно диагностировать заболевание.

Вирус чем-то похож на вирус SARS (severe acute respiratory syndrome - ТОРС), говорит Менахери. Он указывает, что почти все белки 2019-nCoV такие же, как и белки SARS, но «в них есть различия в ключевых областях, которые, как вы ожидаете, повлияют на его способность заражать людей».

Коронавирусы названы так потому, что у них есть поверхностные белки, которые торчат как кончики на короне. Эти шипы помогают им проникать в клетки. Область S1 белка сначала связывается с рецептором на клетке человека (или животного), а затем область S2 сливается и позволяет вирусу проникать в эту клетку.

Менахери говорит, что S2-часть белка спайка на коронавирусе совпадает с частью вируса SARS, но область S1 несколько отличается, то есть 2019-nCoV может использовать для входа другой клеточный рецептор, чем вирус SARS. Однако препринт, опубликованный 23 января учеными из Ухани, предполагает, что два вируса фактически используют один и тот же рецептор проникновения в клетку, ACE2.

• Вполне возможно, что антивирусные препараты, которые в настоящее время разрабатываются для лечения других вирусов, могут лечить этот новый вирус. Геномный анализ показал, что вирусная РНК - полимераза - мишень одного из таких препаратов, называемых ремдесивир, - сохраняется в 2019-nCoV.

"Мы ожидали, что они сработают. Но опять же, вы не знаете, что они будут работать, пока вы на самом деле не протестируете их. Природа умеет обходить все вокруг" , - говорит Менахери. Кроме того, лечение еще не было одобрено по каким-либо показаниям. Существует клиническое испытание, в ходе которого набираются пациенты для проверки способности препарата лечить Эболу, но другие работы по - прежнему носят доклинический характер.

• Некоторые из наиболее важных характеристик болезни нельзя понять только из одного генома вируса. Только на неделе исследователи определили, что вирус может распространяться между людьми и не требует прямого контакта с зараженными животными. Исследователи до сих пор не уверены, как это передается между людьми.

«Он передается только через дыхательные пути? Он найден в крови? Он найден в экскрементах? Что заразно? Как долго это заразно? Насколько высокой может быть вирусная нагрузка, - говорит Гренингер, - все это, конечно зависит от генома. Но вы не можете вывести это из генома" .

Кроме того, ученым известно, что вирус появился в Ухане, а так как Китай на рынке известен тем, что продавал все виды животных как с суши, так и с океана, поэтому неясно, от какого вида произошел вирус, и это невозможно определить по одному геному.

«Знание источника эпидемии атипичной пневмонии действительно помогло устранить проблему», - говорит Энтони Фер, изучающий коронавирусы в Университете Канзаса. «Мы не можем выяснить источник, просто зная генетическую последовательность».

Однако геном дает ученым некоторое представление. Например, было очень мало генетических различий между первыми 10 образцами пациентов, секвенированными различными командами по всему миру.

• Менахери говорит, что это признак недавно вирус подскочил от животных к человеку. “Не похоже, что эти вирусы были в человеческой популяции в течение длительного времени и просто не распознаны”, - говорит он. "Похоже, что они потенциально недавно появились либо из животного хозяина, либо из какого-то другого места.”

Ученым придется постоянно сравнивать новые образцы, чтобы определить, как вирус адаптируется, заражая все больше людей.

• "Еще одна вещь, которую последовательность позволяет нам сделать, - говорит Фер, - это посмотреть, развивается ли вирус в реальном времени. Есть ли мутации в вирусе, адаптирующемся к человеческой популяции; становится ли вирусу проще передаваться между людьми из-за определенных мутаций?”

22 января группа китайских ученых опубликовала статью, основанную на геноме вируса, в которой предполагалось, что коронавирус появился от змей.

Однако, «статья не предоставила прямых доказательств того, что этот вирус был передан человеку от змей, и косвенные доказательства в лучшем случае незначительны», - говорит Марк Стенглейн, вирусолог из Университета Колорадо, в электронном письме The Scientist.

«Ученые должны распространять только хорошо обоснованную информацию, особенно в контексте возможной чрезвычайной ситуации в области общественного здравоохранения».

• Только около 2 процентов зараженных новым коронавирусом умерли. До сих пор эти смерти были в основном у пожилых мужчин с уже существующими заболеваниями, но многие из них закончили свои дни тяжелобольными и все еще находятся в больницах, согласно официальным лицам на конференции ВОЗ.

«В ближайшие пару недель мы увидим все больше и больше случаев. Мы начинаем понимать, насколько это серьезно, - говорит Питер Гулик, специалист по инфекционным заболеваниям в Университете штата Мичиган. “Сейчас мы просто слышим цифры здесь, цифры там . . . числа, которые могут не иметь содержания, но просто могут заставить вас волноваться.”

Пустыня Атакама, которая простирается примерно на 1000 километров вдоль побережья северной части Чили, является самым сухим местом на Земле - в некоторых местах не было осадков в течение 400 лет - и ежедневно она подвергается воздействию ультрафиолетового излучения.

• Условия настолько суровы, что пустыня очень схожа с поверхностью Марса, и ученые отправляют туда для проверки вездеходы Красной планеты. Большую часть 20-го века ученые задавались вопросом, может ли выжить кто либо в этой среде.

Около 15 лет назад исследователи обнаружили следы бактериальной РНК - но не ДНК или клеток - на поверхности самой сухой части пустыни в то время, места под названием Юнгай. В следующем году эта команда и другие сообщили о том, что обнаружили микробную ДНК под землей в регионе, что показало, - организмы могут обойтись лишь небольшим количеством воды.

• Десять лет спустя Асуа-Бустос и его коллеги подтвердили эти результаты, показав, что микробы выживают под землей в южной части Марии-Елены, которая, как известно, в настоящее время еще суше, чем Юнгай.

По словам Асуа-Бустоса, один из вопросов, возникших в результате этих исследований, заключался в том, «как эти виды попадают туда в первую очередь?».

Он говорит, что вспомнил свое детство, когда он рос в шахтерском городе всего в 15 минутах от Марии Елены на юг. Утро, как он помнил, было тихим, но ближе к вечеру поднимался пыльный бриз от ветров с Тихого океана, и становился сильнее по мере того, как день сменялся вечером.

• «Зная, что Атакама очень ветренное место, мы хотели знать, может ли ветер переносить микробную жизнь», - говорит ученый.

Это заставило его и коллег установить линии чашек Петри в шести точках пустыни: три к востоку от города Токопилла и три к востоку от портового города Икике, в 228 километрах к северу. Команда наполнила большую часть посуды агаром и одним из четырех различных питательных сред, а оставшуюся оставила пустой, чтобы измерить количество пыли, подаваемой в каждый регион.

• Заполненные агаром чашки собирали через час после раскладывания, асептически запечатывали и доставляли обратно в лабораторию, где они оставались нетронутыми в течение двух недель. Затем исследователи открывали их и культивировали любые бактерии внутри, а потом анализировали их ДНК.

Блюда для пустыни: Исследователи установили линии чашек Петри в пустыне Атакама в рамках исследования микробного транспорта.

На шести участках группа определила 28 видов микроорганизмов: смесь бактерий, бактериальных спор и грибов, обычно встречающихся в океанических и горных отложениях, некоторые из которых находятся далеко от Китая и Индии.

На чашках, собранных во второй половине дня, было обнаружено наибольшее количество микробов, что позволяет предположить, что крошечные организмы, как и предполагал Асуа-Бустос, обитают в воздушной пыли. Представляя пустыню в качестве посредника для Красной планеты, исследователи утверждали в недавней статье, что любые микробные марсиане прошлого или даже настоящего могут перемещаться таким же образом.

Кай Финстер, микробиолог из Орхусского университета в Дании, который не принимал участия в работе, говорит, что не удивительно, если микробы в Атакаме перемещаются по пыльным частицам на ветру. Этот тип путешествий, называемый эоловым транспортом, «совершается по всему миру», говорит он, однако, это не характерно для пустыни Атакама».

• "Ученые узнают больше о том, насколько устойчивы микробы к экстремальным средам", добавляет Финстер, "будь то экстремальное ультрафиолетовое излучение, засушливая среда или и то, и другое".

Когда микробы движутся по ветру, «им приходится иметь дело со значительным стрессом», говорит он, но награда велика: совершенно новая среда с новыми ресурсами и потенциально меньшей конкуренцией.

"Пока не ясно, могут ли виды, которые поднимаются в пустыню Атакама из океана или побережья, могут колонизировать почву; на этот вопрос команда сейчас пытается ответить", говорит Асуа-Бустос.

"Вероятно, шансы не очень хорошие, по крайней мере, на поверхности почвы, отмечает Рафаэль Наварро-Гонсалес, астробиолог из Национального автономного университета Мексики, который не участвовал в исследовании Асуа-Бустоса.

"Проблема заключается в перхлорате, - химическом веществе, встречающемся в естественных условиях в верхних слоях почвы на юге Марии - Елены и на Марсе, который токсичен для живых существ. Объединенные перхлорат и ультрафиолетовое излучение могут быть особенно опасными для бактерий, нанося удар по жизни на поверхности Красной планеты.

Может быть и другая проблема, замечает Финстер: жизнеспособность самих бактерий. В лабораторных экспериментах он и его коллеги взяли споры Bacillus subtilis, вида, часто встречающегося в почве, смешали их с минералами, а затем мягко встряхивали их в течение нескольких дней, чтобы имитировать путешествие на ветру. «Мы думали, что бактерии выживут в течение нескольких недель или около того», - говорит он, но исследователи не смогли культивировать ни одну из бактерий после эксперимента.

• Они решили сократить время встряхивания до минуты, и все же, по его словам, клетки были убиты. Исследование сотрясенных спор с помощью электронного микроскопа показало, что они развалились.

Асуа-Бустос, однако, не боится, продолжая свои испытания, чтобы увидеть, могут ли виды в Атакаме переносить физические и химические стрессы. Он даже начал проверять, могут ли некоторые виды в пустыне не только переносить ультрафиолетовое излучение, но и использовать его в качестве источника энергии.

• В некоторых частях Атакамы скальные поверхности покрыты черной биопленкой, где микробные частицы, по-видимому, поглощают все видимые - и, возможно, некоторые невидимые - длины волн электромагнитного спектра.

По словам Асуа-Бустоса, было бы интересно найти доказательства того, что эти микробы используют ультрафиолетовые лучи или другие типы излучения, которые не видят люди. Но даже простое обнаружение микробов в Атакаме является «фантастическим признаком того, что вы можете найти жизнь практически в любом месте».

Летом 1924 года у Кельвина-младшего, младшего сына президента Кулиджа, появился волдырь на третьем правом пальце ноги во время игры в теннис на корте Белого дома. Волдырь появился из -за золотистого стафилококка, и он умер через неделю, когда ему было всего 16 лет.

• Спустя два десятилетия пенициллин мог бы спасти его, но этот препарат сейчас бесполезен против стафилококка из-за лекарственной устойчивости, которая сейчас стала более серьезным кризисом в медицине.

Конечно, постоянно ведутся поиски новых безопасных и эффективных антибиотиков, но найти их очень сложно. К сожалению, даже после введения нового антибиотика резистентность неизбежно развивается через развитие целевых бактерий от месяцев до лет.

Хотя мы поддерживаем предпринимаемые усилия по разработке новых антибиотиков, мы подумали, что настало время пересмотреть другие терапевтические подходы, помимо исследуемых антибиотиков.

• Одна стратегия использует способность некоторых лекарств усиливать действие определенного антибиотика и разрешать использование меньших доз антибиотиков, тем самым снижая риск нежелательных побочных эффектов.

Например, в экспериментах in vitro и in vivo некоторые антибиотики более эффективны в сочетании с проантоцианидином из клюквы, который одновременно увеличивает проникновение антибиотика в бактериальные клетки и уменьшает отток антибиотика из этих клеток.

Микробная экология человека является еще одним важным фактором лечения бактериальных инфекций.

Микробы, обычно находящиеся в нашем желудочно-кишечном тракте, на коже и в других частях человеческого тела, оказывают большое влияние на физиологию человека.

Аналогичным образом, состав нормальных микробных популяций, связанных с людьми, может влиять на риск заражения опасными бактериями, независимо от того, обладают ли они множественными механизмами устойчивости к антибиотикам или нет.

• Одним из примеров влияния микробиома на риск инфекции является очевидная эффективность трансплантации фекальных микробиомов при некоторых желудочно-кишечных инфекциях, таких как вызванные Clostridium difficile.

Более века назад микробиологи обнаружили вирусы, известные как бактериофаги, которые убивали бактерии. Эксплуатация этих природных паразитов микробов в качестве антибактериальной терапии началась вскоре после этого.

• Хотя интерес к этому подходу в Европе и США значительно снизился после введения антибиотиков в середине 20-го века, в настоящее время возобновился интерес к использованию бактериофагов для лечения бактериальных инфекций.
  

В последнее время было зарегистрировано несколько случаев, при которых фаговая терапия приносила существенную клиническую пользу при различных тяжелых инфекциях.

• Ферменты, полученные из фагов и других микробов, могут также использоваться в терапии, повторяя ранние усилия легендарного Рене Дюбо по лечению пневмонии у обезьян ферментом, который переваривает бактериальную оболочку.

Иммунная система обеспечивает дополнительный потенциальный источник антимикробных агентов.

Антитела, белки, продуцируемые лейкоцитами, известными как B - лимфоциты, могут быть использованы в их естественной форме или модифицированы с использованием генетических или химических методов. За несколько дней до введения антибиотиков многие инфекционные заболевания лечили антителами в форме сывороточной терапии.

Для определенных патогенных микроорганизмов также может иметь смысл исследовать актуальность разработки новых вакцин.

Пока эти новые возможности не будут доступны, мы должны удвоить наши усилия по усилению процедур инфекционного контроля в больницах, чтобы уменьшить распространение резистентных микробов.

• Кроме того, осторожное использование оставшихся антибиотиков необходимо для продления срока их полезного использования, а это означает, что следует избегать ненужного использования, например, когда врачи назначают антибактериальные препараты при простудных заболеваниях, вызванных вирусами.

Последнее соображение заключается в том, что антибактериальная терапия может в долгосрочной перспективе потерпеть неудачу не только из-за классических механизмов лекарственной устойчивости, но также из-за явлений, называемых «постоянством» или «толерантностью».

Механизмы, вызывающие эти явления, - это изменения в микробах, которые позволяют им пережить антибиотикотерапию без генетических мутаций, таких как изменения в метаболической активности.

• Эти так называемые «персистирующие» клетки могут служить будущими источниками мутаций, придающих лекарственную устойчивость. Один из возможных подходов к уничтожению персистирующих бактерий объединяет антибиотик с другим лекарством, предназначенным для активации клеточного метаболизма.

Врачи, академические исследователи, фармацевтические компании, финансирующие организации и общественность должны признать важность проведения этих других мероприятий наряду с поиском новых антибиотиков.

Для эффективной борьбы с лекарственной устойчивостью нам нужна эклектическая стратегия, в которой особое внимание уделяется терапевтическим подходам, в которых используются как новые лекарства, так и другие новые средства для уничтожения микробов.

Нил Гринспен, профессор патологии в Университете Case Western Reserve и Артуро Касадевалл, профессор молекулярной микробиологии и иммунологии в Университете Джона Хопкинса.

Кабельные бактерии (семейство Desulfobulbaceae) известны тем, что образуют длинные линии клеток, которые простираются через подводные отложения и пропускают поток электронов через их ряды.

Desulfobulbaceae - это семейство протеобактерий, которые могут превращать сульфаты в сульфиды для получения энергии, и являются анаэробами.

Считалось, что эти "живые" электрические провода не могут расти в среде, в которой живут такие животные, как хрупкие звезды или раки - богомолы, которые сильно размешивают грязь и могут разрезать микробные кабели на кусочки. Но оказалось, что кабельные бактерии могут противостоять этим потрясениям, если они объединяются с пергаментными червями

Пергаментные черви (Chaetopterus variopedatus) строят трубки в подводных осадочных породах и постоянно прокачивают воду через эти структуры для сбора кислорода. Кабельные бактерии (Desulfobulbaceae) действуют как электрические провода, соединяясь с оболочкой трубки и обеспечивая перенос электронов, которые реагируют с кислородом, генерируя энергию для микробов. Бактерии распространяются радиально в грязи, чтобы собрать эти электроны из сульфидов - соединений, часто производимых соседними бактериями.

Клетки на кончиках этих бактериальных филаментов, погруженных в осадок, собирают электроны из сульфидов и других донорных молекул в осадке и пропускают частицы вверх по кабелю, реагируя с кислородом в верхних слоях грязи.

• Процесс высвобождает энергию для всех клеток в нити.

Исследователи считали, что кабельные бактерии, как правило, должны образовывать филаменты прямо через сантиметровые отложения, чтобы иметь доступ как к электронодонорной, так и к электроноприемной средам, чего нельзя достичь в возмущенных районах морского дна.

• Но морской биогеохимик Роберт Аллер из Университета Стони - Брук подумал, можно ли их найти где-нибудь в постоянно меняющихся отложениях.

Аллер и его коллеги отправились на поиски микробов в смешанной грязи - Грейт - Пеконик - Бэй и Лонг - Айленд - Саунд в Нью-Йорке. Команда собрала пробы осадочной породы, затем использовала радиохимический анализ, световую микроскопию и другие методы, чтобы узнать, как растворенные вещества и бактерии были распределены в каждом образце.

Полученные данные показали, что кабельные бактерии скапливаются в стабильных зонах вблизи пергаментных червей (Chaetopterus variopedatus), причем в этих областях филаменты растут до 650 мкм в длину.

Пергаментные черви создают прочные U - образные трубки из углеводов и аминокислот и постоянно собирают растворенный кислород из воды, которую они прокачивают через волокнистую структуру.

• Трубка может оставаться на месте в течение нескольких месяцев или дольше, пока внутри нее обитают черви, что позволяет бактериям быстро проникнуть в грязь.

Результаты исследования Аллера показали, что кабельные бактерии, которые нуждаются как в надежном источнике кислорода, так и в физически стабильной среде, уютно живут в этих "червячных трубках".

• "Вместо того, чтобы расти вглубь осадка, микробы отходят по кругу во всех направлениях от пергаментной червячной трубки, что «похоже на то, как люди толпятся вокруг багажной карусели в аэропорту», - говорит Аллер.

Белинда Мартин из Университета Западной Австралии и коллеги ранее обнаружили, что кабельные бактерии образуют сходные отношения с морскими травами, прижимаясь к их корням для стабильности.

• "Поскольку образцы осадка были собраны только в нескольких местах, неясно, насколько широко распространено явление партнерства между кабельными бактериями и червями", - говорит Сайра Малкин, биогеохимик и эколог из Университета Мэриленда, которая не принимала участия в работе.

Тем не менее, полученные данные свидетельствуют о том, что Desulfobulbaceae могут занимать большее разнообразие сред, чем считалось ранее, добавляет она, включая отложения, которые нарушаются другими организмами.

• Помимо пергаментных червей и морских водорослей, остаются вопросы о том, с кем ассоциируются другие виды кабельных бактерий, возможно, даже как партнеры, с которыми они обмениваются электронами.

«Большой интересный вопрос может заключаться в том, могут ли другие микробы подключаться к кабельным бактериям?» - говорит Малкин.

В научной статье, опубликованной 19 сентября в журнале «Cell Metabolism», китайские исследователи выделили из фекалий людей с заболеваниями печени штаммы Klebsiella pneumoniae, которые производят примерно в пять раз больше алкоголя, чем штаммы того же вида, что и у здоровых людей.

Когда ученые перенесли Klebsiella pneumoniae на мышей, у животных развились симптомы неалкогольного стеатогепатита (NASH), разновидности NAFLD, которая включает воспаление и повреждение клеток.

«Было доказано, что другие бактерии также производят алкоголь, - это подтверждает то, что видели другие исследователи», - говорит Сьюзан Бейкер, педиатрический гастроэнтеролог из Университета в Буффало, которая не участвовала в исследовании.

Исследование началось с пациента, который обращался за медицинской помощью по поводу высокого уровня алкоголя в крови, несмотря на то, что он не пил. В то время как в большинстве штатов США допустимый предел составляет 80–100 мг / дл алкоголя в крови, уровень этого человека составлял 400 мг / дл.

Цзин Юань из Столичного института педиатрии в Китае и ее коллеги поставили диагноз пациенту с NASH и синдромом внутренней пивоварни, при котором алкоголь образуется в результате ферментации в кишечнике после употребления углеводов.

Поскольку противогрибковые препараты не смогли улучшить симптомы пациента, группа определила, что причиной является кишечная микробиота. Из образцов экскрементов пациента были выделены два штамма K. pneumoniae, которые в культуре продуцировали большое количество алкоголя.

• Исследователи предположили, что эти штаммы бактерий также могут лежать в основе NAFLD, так как в этих случаях печень пациентов имеет повреждения, схожие с тяжелым, длительным употреблением алкоголя, но они не являются пьющими.

Ученые отобрали кишечные микробы у 43 человек с NAFLD и у 48 здоровых людей.

Примерно у 60 процентов людей с заболеваниями печени они обнаружили штаммы K. pneumoniae с высоким содержанием алкоголя.

• Затем они скормили эти бактерии мышам. У грызунов развились симптомы неалкогольного стеатогепацита (NASH), которые были обратимыми при лечении антибиотиками, в то время как у тех, кто получал слабоалкогольные продуцирующие микробы, не было никаких признаков заболевания.

"То, что этот штамм дал мышам NASH, интересно", объясняет Бейкер, “потому что почти все модели мышей, которые у нас были доступны, оказывались плохими. Мы никогда не были в состоянии вызвать воспаление, которое вы видите у людей, но они были в состоянии сделать это.”

«Повышенный уровень этого бактериального штамма может быть одним из возбудителей стеатоза печени у людей», - пишет Юань The Scientist. Она предполагает, что бактерии, находящиеся в кишечнике пациента, вызывают образование алкоголя, что затем ускоряет развитие болезни.

«Они, безусловно, показывают, что штаммы вовлечены в процесс. Ученые проделали прекрасную работу, чтобы поддержать это исследование», - говорит Бейкер, добавляя, что она удивляется выводу о наличии причинно-следственной связи между этим бактериальным штаммом и NASH.

«Это может быть небольшим скачком, особенно потому, что мы знаем и о других бактериях, производящих алкоголь, который колонизирует желудочно-кишечный тракт и производят его в немалом количестве», объясняет она.

Кроме того, авторы не обнаружили высокоалкогольного производства K. pneumoniae во всех субъектах из группы NAFLD, говорит Бейкер.

• «Возможно, у этих пациентов это было причиной. Вероятно, у других людей могут быть другие бактерии».

«Клебсиелла важна для популяции китайцев, но важна ли она для других групп населения?» - спрашивает Бернар Фроменти, исследователь из INSERM во Франции, который не участвовал в работе.

По его словам, решение этого вопроса и изучение того, могут ли другие соединения в микрофлоре кишечника оказывать негативное влияние на печень, станут важными направлениями в будущем. «NAFLD представляет собой очень сложную картину, и, вероятно, многие факторы играют роль».

Главный вопрос, поднятый для Йоханны ДиСтефано, ученого из Исследовательского института трансляционной геномики в Аризоне, которая не принимала участия в исследовании, - откуда родом K. pneumoniae (Kpn).

«У всех есть Kpn в их кишечнике, - объясняет она, - так у этих людей был Kpn, который стал изгоем по какой-то причине? Было ли наличие жировой болезни печени причиной того, что Kpn начал производить больше алкоголя, или это была диета, или пациент просто взял откуда то эти специальные высокоалкогольные штаммы?

«Зная больше о их происхождении, мы сможем понять, как с ними справиться», говорит она.

• «Ориентация на эти бактерии может дать некоторые преимущества для лечения пациентов», - соглашается Юань.

Команда успешно лечила своего первого пациента с высоким уровнем алкоголя в крови с помощью комбинации антибиотиков и диетических изменений.

Программное обеспечение искусственного интеллекта обладает способностью человека анализировать взаимодействия между хозяином и патогеном в микроскопических изображениях.

Вычислительные системы, называемые нейронными сетями, - основанные на процессах обучения биологических мозгов - обеспечивают форму машинного обучения, которая может помочь исследователям интерпретировать биологические и медицинские изображения. Ученые, которые изучают, как патогены взаимодействуют с клетками - хозяевами, теперь начинают использовать такую технологию.

«Большинство людей в области ‘взаимодействия патоген - хозяин’ просто подсчитывали вручную - буквально сидели там и оценивали, сколько паразитов на клетку, сколько в одной из этих вакуолей, и так далее», - говорит паразитолог Эва Фрикель из Института Фрэнсиса Крика в Лондоне. «Мои ученики теряли часы, дни и недели, считая эти данные».

Обнаружение патогенов: Программа машинного обучения на основе нейронной сети под названием HRMAn определяет несколько признаков клеток, чтобы определить, инфицированы ли они патогеном (в данном случае Toxoplasma gondii), например, количество вакуолей, которое изменяется при заражении, и присутствие защитных белков хозяина и патогена и его белков.

Нейронные сети используются для всевозможных задач обработки изображений, таких как распознавание лиц, диагностика и самостоятельное вождение автомобилей, поэтому Фрикель подумала, что такая система может предложить решение проблемы ее команды.

Она объединилась с вычислительным биологом Артуром Якимовичем из Лаборатории молекулярной клеточной биологии Совета по медицинским исследованиям, чтобы создать похожий на человека анализатор хозяина - патогена.

Якимович, Фрикель и ее коллеги начали с существующей аналитической платформы на основе нейросетей с открытым исходным кодом под названием KNIME (для Konstanz Information Miner) и доработали ее алгоритмы для обработки изображений клеток-хозяев и их патогенов.

Системе потребовалось обучение с тысячами примеров изображений, и как только она была запущена, команда дала системе имя: HRMAn, произносится как Герман, для ответа хоста на анализ микробов.

Они использовали программное обеспечение для анализа инфекций Toxoplasma gondii и Salmonella enterica в различных клеточных линиях человека.

«Другое высокопроизводительное программное обеспечение для анализа изображений может определить, какие клетки содержат патогены, но HRMAn уникален своей способностью идентифицировать сразу несколько визуальных характеристик патогенов и клеток - хозяев и обнаруживать закономерности на изображениях». - говорит Фрикель.

Действительно, команда продемонстрировала, что HRMAn может одновременно распознавать уничтожение патогенных микроорганизмов, репликацию и различные процессы клеточной защиты - так же, как это мог бы делать обученный ученый, но компьютер имел гораздо более высокую пропускную способность и большую статистическую мощность, и не требовал перерывов на чай и сон.

«Это инструмент, который выходит за рамки нашей человеческой способности обрабатывать и интерпретировать данные изображений», - говорит паразитолог Адриан Хель из Цюрихского университета, который не принимал участия в исследовании.

Исследователи используют искусственный интеллект для выявления известных и новых генов устойчивости.

Если вам не повезло оказаться в больнице с лекарственно - устойчивой бактериальной инфекцией, врачам необходимо выяснить, какое антимикробный препарат с наибольшей вероятностью может убить ваш конкретный патоген. С ростом устойчивости к антибиотикам и, по прогнозам, к 2050 году ежегодно будет убивать 10 миллионов человек, это не всегда будет легким выбором.

Это помогло бы клиническим специалистам иметь возможность добывать геном ваших супербактерий для последовательностей ДНК, которые указывают на восприимчивость или устойчивость к антибиотикам.

В качестве шага к этой цели, биоинформатики используют искусственный интеллект для выявления наиболее важных последовательностей.

Они добиваются прогресса благодаря базам данных, заполненным тысячами геномов от различных штаммов патогенных бактерий, а также соответствующим данным о том, были ли эти штаммы восприимчивы или устойчивы к десяткам антибиотиков.

• Некоторые исследователи обучают алгоритмам машинного обучения идентифицировать известные гены лекарственной устойчивости у новых штаммов патогена.

• Другие используют ИИ для поиска совершенно новых генов устойчивости, пытаясь лучше понять, как бактерии борются с лекарственными препаратами.

• А некоторые переходят в метагеномы, стремясь понять профиль устойчивости таких сред, как сточные воды.

"Тем не менее, проблемы остаются и после того, как ИИ сможет прописать ваши антибиотики", - говорит Джеймс Дэвис (James Davis), вычислительный биолог из Аргоннской национальной лаборатории. "С одной стороны, быстрое секвенирование по месту оказания помощи остается дорогим и менее точным, чем более медленные обычные методы. С другой стороны, базы данных часто ориентированы на резистентные штаммы, потому что в больницах упорядочены наиболее сложные случаи, но включение геномов из штаммов, чувствительных к антибиотикам, поможет алгоритмам работать лучше", - говорит он.

Здесь описано три недавних исследования, применяющих машинное обучение к проблеме устойчивости к антибиотикам.

Лекарства и дозы

Какие препараты лучше всего помогают при лечении инфекции? Некоторые ученые полагаются на известные гены и белки устойчивости к противомикробным препаратам, чтобы сопоставить штаммы бактерий с лекарственными средствами, которые могут их убить.

Дэвис говорит, что ИИ может добиться большего успеха, анализируя целые геномы на предмет известных и потенциально неизвестных генов, связанных с лекарственной устойчивостью или восприимчивостью.

• Он и его команда разработали подход машинного обучения для выявления ключевых различий между резистентными и восприимчивыми штаммами и, таким образом, для прогнозирования профиля лекарственной реакции новых штаммов.

• Алгоритм также может помочь ученым определить новые гены устойчивости.

Исследователи недавно проверили свой подход к сальмонелле, - основной причине пищевых отравлений. Хотя инфекция обычно не является серьезной, резистентность к антибиотикам может сделать людей еще больнее.

• Ученые использовали 5 278 геномов сальмонеллы из Национальной системы мониторинга устойчивости к противомикробным препаратам Управления по контролю за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (US Food and Drug Administration’s National Antimicrobial Resistance Monitoring System), а также так называемые минимальные ингибирующие концентрации или MIC для 15 антибиотиков, то есть минимальное количество, необходимое для блокирования роста каждого штамма в лаборатории.

• Все бактерии были выделены из сырого мяса и птицы для продажи или от убоя скота на пищу.

В этой работе использовали программу под названием «K-mer Counter» (KMC), чтобы разделить каждый из этих геномов на перекрывающиеся 10 - мерные нуклеотиды.

• Например, если гипотетическая последовательность началась с AAAAAGGGGGTTTTTCCCCC, первыми 10 - членами были бы AAAAAGGGGG, AAAAGGGGGT, AAAGGGGGTT и т. д., начиная каждый раз дальше по одному основанию.

• Затем компьютер подсчитал, сколько раз данный 10 - мер появлялся в каждом геноме: количество AAAAAGGGGG, AAAAGGGGGT, AAAGGGGGTT и так далее.

Это были функции, заложенные в алгоритм машинного обучения, наряду с данными MIC, для обучения ИИ самостоятельному прогнозированию.

Машинное обучение

• Команда применила алгоритм машинного обучения, называемый экстремальным повышением градиента (XGBoost). Используя эти 10-значные числа, компьютер создает "деревья" решений для прогнозирования правильных MIC.

• Каждая точка принятия решения использует один из 10 - мерных элементов, чтобы помочь ему классифицировать данный геном как резистентный или восприимчивый к различным лекарствам.

• Затем алгоритм назначает разные уровни важности каждому 10 - мерному элементу и многократно формирует деревья в итерациях, называемых "бустами", пока не получит наименьшую ошибку, которую он может получить для своих предсказаний MIC, по сравнению с истинными MIC.

• Исследователи запускали алгоритм 10 раз, каждый раз оставляя различную десятую часть своего набора данных; также они обучают компьютер другим 90 процентам данных, а затем используют оставшиеся десять процентов, чтобы проверить их точность.

Когда дан совершенно новый геном, программа предсказывает, к каким препаратам штамм будет устойчивым или восприимчивым, наряду с соответствующей дозой. При тестировании 10 процентов оставшихся данных, алгоритм был на 95 процентов точным.

Повторно выполняя свои тесты с 15 - мерами для каждого генома патогена и рассматривая каждый антибиотик в отдельности, исследователи идентифицировали фрагменты ДНК, связанные с резистентностью или восприимчивостью к каждому препарату.

Сравнивая эти 15 - меры с последовательностью сальмонеллы, исследователи начали выяснять, какие гены были наиболее важны в этих предсказаниях. Фактически, многие из генов, выбранных алгоритмом, соответствовали известным генам устойчивости к лекарственным препаратам, что указывало на правильность алгоритма.

• Но не все указывали на хорошо понятые гены устойчивости, предполагая, что ИИ может обнаруживать генетические особенности, пока неизвестные ученым, которые также связаны с устойчивостью. "Там есть неизвестные данные, которые стоит изучить", - говорит Дэвис.

Преимущества

Алгоритм машинного обучения не зависит от списка известных генов устойчивости или даже генов, кодирующих белки, что позволяет ему идентифицировать новые генетические факторы, потенциально участвующие в устойчивости по всему геному.

Недостатки

Аппарат идентифицирует 10 - и 15 - мерные показатели, связанные с реакциями на лекарственные средства, но не сразу ясно, какие гены имеют отношение, или, например, какая отдельная последовательность способствует устойчивости или восприимчивости.

Дэвис добавляет, что обычно можно сделать вывод об этой информации, когда он сравнивает 10 - или 15 - мерные последовательности с бактериальными данными.

Генная разведка

Исследователи, изучающие резистентность к микробам, обычно концентрируются на генных продуктах, которые непосредственно взаимодействуют с данным лекарственным средством. Но другие виды генов - например, гены, которые влияют на проницаемость бактериальной клеточной стенки или то, как клетка откачивает токсины и отходы - также могут влиять на восприимчивость к противомикробным препаратам.

Эрол Каввас, аспирант биоинженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего, охотился за новыми генами устойчивости в геноме Mycobacterium tuberculosis. Эта бактерия ежегодно поражает около 10 миллионов человек во всем мире, и более 500 000 из этих инфекций устойчивы к обычно назначаемым антибиотикам. "У лекарственной устойчивости при туберкулезе много сложностей", - говорит Каввас.

Бактерия Clostridium difficile

Специалисты использовали 1595 геномов M. tuberculosis из базы данных Центра интеграции ресурсов Pathosystems (PATRIC), а также были ли в каждом геноме штаммы, устойчивые к воздействию или восприимчивые к 13 различным антибиотикам.

• Во-первых, исследователи определили пангеном - полный список всех возможных кодирующих белок генов - из всех штаммов M. tuberculosis в их наборе данных.

• Основываясь на этом списке, они идентифицировали все возможные аллели, которые потенциально могут присутствовать в данном геноме туберкулеза.

• Затем они отметили, обладает ли геном каждого отдельного штамма каждым аллелем или нет.

Вместе с данными об устойчивости эти аллельные списки «да» или «нет» создали многомерную матрицу.

Машинное обучение

Каввас применил подход, называемый машиной опорных векторов, или SVM.

Алгоритм предназначен для группировки похожих данных и проведения границ между группами.

• Например, для простой двумерной входной матрицы с двумя типами переменных она может рисовать линии между группами.

• Для многомерной матрицы, созданной Каввас, она рисует многомерный делитель, называемый гиперплоскостью, между устойчивыми и восприимчивыми деформациями.

Чтобы определить наиболее важные гены устойчивости, Каввас также применил технику, называемую L1-нормой. Проще говоря, он велел компьютеру использовать небольшое количество генов, чтобы нарисовать границу.

• Алгоритм предоставляет список генетических мутаций, связанных с устойчивостью к каждому препарату, ранжированных по степени важности.

• Всего Каввас идентифицировал 33 известных гена устойчивости к лекарствам; эта информация может помочь врачам выбрать правильный препарат для пациента с туберкулезом.

• Он также обнаружил 24 новых гена устойчивости, многие из которых участвуют в метаболизме и процессах клеточной стенки. Он надеется, что экспериментальные биологи изучат его результаты и выяснят, как эти гены помогают нейтрализовать антибиотики.

Преимущества

Многие модели смещены с использованием стандартного эталонного генома, который может представлять или не представлять наиболее распространенные штаммы в кровообращении; вместо этого, используя пангеном, команда избежала этой предвзятости.

Недостатки

До сих пор Каввас включал только варианты в белковые кодирующие гены, поэтому он мог пропустить соответствующие небелковые кодирующие элементы, такие как гены для регуляторных РНК, в других частях генома.

Получить Мета - копать глубже

Микробы улавливают новые гены устойчивости к лекарственным препаратам у других бактерий, обменивая их, как торговые карточки.

Встреча по обмену происходит в местах, где микробы смешиваются, например, в сточных водах больниц или ферм с высоким уровнем использования антибиотиков. Даже после очистки воды остаются следы ДНК, связанной с резистентностью.

Чтобы оценить риск в пробах воды, исследователи часто собирают метагеномы, то есть всю ДНК в микробном сообществе, а затем ищут известные индивидуальные гены устойчивости к антибиотикам, которые гомологичны (похожи) последовательностям в их пробе.

Но для проведения этих сравнений необходимо определить порог сходства, скажем, 50 - 90 процентов, который считается достаточно близким, чтобы назвать фрагмент ДНК "геном устойчивости".

"Исследователи часто устанавливают высокие жесткие пороги, что приводит к высокой вероятности ложных негативов", - говорит Ликин Чжан (Liqing Zhang), биоинформатик из Virginia Tech. То есть многие истинные гены сопротивления игнорируются.

Чжан и его коллеги разработали новый инструмент для оценки генов устойчивости в пробах окружающей среды.

Называемый DeepARG (для генов устойчивости к антибиотикам), он сравнивает ДНК окружающей среды со всеми известными генами устойчивости, по одному за раз, вместо одного, наиболее гомологичного гена.

Это удобно, потому что оно фокусируется на сравнении широких категорий генов устойчивости и того, что у них общего, поэтому алгоритм может идентифицировать новые гены, которые имеют эти общие черты.

Во-первых, исследователи создали базу данных известных генов устойчивости и того, какие из 30 различных лекарств, на которые они влияют, собраны из трех источников:

- Комплексная база данных устойчивости к антибиотикам (CARD),

- База данных генов устойчивости к антибиотикам (ARDB),

- Универсальный протеиновый ресурс (UNIPROT). Они называют базу данных DeepARG-DB.

Затем они использовали 70 процентов из 10 602 генов из UNIPROT для обучения алгоритму машинного обучения. Чтобы получить исходные данные, они попросили компьютер сравнить последовательность каждого гена от UNIPROT в отдельности с известными генами устойчивости из двух других баз данных. Результатом стал список тысяч показателей сходства для каждого гена UNIPROT.

Машинное обучение

Группа Чжана использовала модель глубокого обучения - эти типы алгоритмов вдохновлены тем, как человеческий мозг работает, и они назначают различные веса входным данным, чтобы получить наиболее точный результат.

• Во время обучения компьютер выяснил, как взвесить эти оценки сходства, чтобы сделать лучшие прогнозы категории устойчивости к антибиотикам для каждого гена UNIPROT.

Ученые построили две разные модели для разных видов последовательностей ДНК. DeepARG-SS работает для коротких чтений, из 100 пар оснований или схоже с тем, как данные, которые обычно получают из метагеномных последовательностей. DeepARG-LS работает с более длинными считываниями генов.

При тестировании с оставшимися 30 процентами последовательностей UNIPROT, на которых он не обучался, алгоритм Чжана генерирует вероятность того, что каждая последовательность отражает ген устойчивости к каждой из 30 категорий антибиотиков. Он смог идентифицировать гены устойчивости к антибиотикам с низким уровнем как ложных отрицательных, так и ложных положительных результатов.

Прогнозы DeepARG хорошо согласуются с другими отчетами. Исследователи сравнили свои результаты с недавно опубликованным списком 76 новых генов устойчивости к антибиотикам. "Конечно же, мы предсказали 65 из них", - говорит Чжан.

Ее сотрудники теперь могут применять DeepARG для оценки сточных вод и других проб окружающей среды.

• Например, они могут проверить, как очистка сточных вод изменяет профиль генов устойчивости.

Преимущества

DeepARG не требует строгих ограничений для определения генов, связанных с лекарственной резистентностью, поэтому он дает меньше ложных отрицательных результатов, чем стандартные сравнения.

Недостатки

База данных рассматривает только гены как связанные с устойчивостью или нет; ему не хватает разрешения для идентификации однонуклеотидных полиморфизмов, связанных с резистентностью, или мутаций, которые косвенно влияют на пути резистентности.

Несмотря на сложности и ограничения, каждый из этих способов дает новый виток в исследованиях по созданию нового спектра лекарств и более интенсивному лечению заболеваний в будущем.

Химический процесс может сделать металл более растворимым и приблизить его к поверхности Земли.

Гриб Fusarium oxysporum, присутствующий в почве так называемой "зоне золотого треугольника Австралии", может окислять золото, сообщили исследователи в Nature Communications. Реакция проходящая в их организме растворяет золото, после чего грибы осаждают металл на своих поверхностях, - процесс, который может помочь переместить металл из более глубоких отложений в земной коре ближе к поверхности.

"Результат представляет собой ранее неизвестную роль грибков в биогеохимическом цикле", - рассказывает Саския Биндшедлер (Saskia Bindschedler), микробиолог из Университета Невшатель в Швейцарии, которая не принимала участия в работе. "Что мне действительно нравится в этой статье, так это то, что она показывает, что не только бактерии способны окислять неактивные металлы", - говорит она.

"Грибы хорошо известны тем, что они играют важную роль в деградации и переработке органических материалов, таких как листья и кора, а также в круговороте других металлов, включая алюминий, железо, марганец и кальций", - говорит соавтор исследования Цин Боху (Tsing Bohu) из CSIRO.

"Но золото настолько химически неактивно, что это взаимодействие является и необычным, и удивительным - его нужно было увидеть, чтобы поверить".

Боху и его коллеги взяли пробы на поверхности почвы региона, которая была «горячей точкой» золота, как они называют это в своей статье, и сканировали микробы, которые могут окислять металл. Это познакомило их с изолятом Fusarium oxysporum под названием TA_pink1.

Эксперименты в лаборатории показали, что грибковый изолят может растворять металл, а затем осаждать наночастицы золота на его поверхности.

"Этот процесс также имеет биологическую выгоду", - говорит Боху. "Мы обнаружили, что любящие золото грибы могут расти быстрее и больше по сравнению с другими грибами, которые не реагируют с золотом".

Когда Хуан-Гэ Чжан (Huang-Ge Zhang) был моложе, его родители часто готовили ему имбирный чай, когда он болел. Теперь, будучи микробиологом в Университете Луисвилля в Кентукки, Чжан исследует механизмы, посредством которых имбирь и другие съедобные растения могут влиять на здоровье.

В предыдущих исследованиях он обнаружил, что экзосомоподобные наночастицы (ELN) - небольшие внеклеточные везикулы, которые часто содержат РНК, - получены из растений, таких как брокколи и имбирь, могут помочь предотвратить вызванное алкоголем повреждение печени и искусственно вызванный колит на мышах.

Недавно, когда он секвенировал полученные из имбиря ELN (GELN), он обнаружил, что они содержат много микроРНК. Это заставило его задуматься, может ли съедобная растительная РНК поглощаться бактериями кишечника и стимулировать экспрессию бактериальных генов, - что было показано на моделях мышей.

Имбирный пир: Используя мышиную модель колита, исследователи изучили влияние экзосомоподобных наночастиц (GELN), полученных из имбиря, на кишечную флору. Команда обнаружила, что GELN преимущественно поглощаются кишечными бактериями Lactobacillus, и увеличивают их численность (1). Частицы содержат микроРНК, которые стимулируют набор бактериальных генов (2). В частности, они активируют путь, который приводит к экспрессии интерлейкина-22 в слизистой толстой кишки (3). Считается, что это способствует восстановлению тканей и противомикробному иммунитету, в конечном итоге улучшая симптомы колита у мышей (4).

Чтобы выяснить это, Чжан и его коллеги кормили мышей очищенными GELN и анализировали состав их кишечных микробов путем секвенирования гена 16S рРНК.

• Исследователи обнаружили значительное увеличение численности Lactobacillaceae - семейства полезных бактерий, часто используемых в качестве пробиотиков - у мышей, получавших GELN, по сравнению с мышами, получавшими нейтральную среду.

• Культуры in vitro также показали, что GELN стимулировали рост Lactobacillus rhamnosus и некоторых других видов Lactobacillus, но ELN из грейпфрута оказывали противоположное действие.

Чтобы увидеть, может ли механизм GELN привести к положительным последствиям для здоровья, Чжан и его сотрудники искусственно вызвали колит у мышей, используя химический декстрансульфат натрия, который вызывает язвы и повреждения в слизистой оболочке кишечника, подобные колиту у человека.

• После употребления GELN РНК у мышей наблюдалось улучшение симптомов колита. В отличие от контрольных мышей, которым давали частицы смешанной РНК, инкапсулированной в липид, полученной из экзосомоподобных наночастиц имбиря, этого не произошло.

• Дальнейшие эксперименты показали, что микроРНК, содержащиеся в GELN, активируют набор бактериальных генов, включая фермент у L. rhamnosus, который активирует путь, который запускает экспрессию цитокина IL-22 в слизистой кишечника.

• В других исследованиях было показано, что IL-22 способствует восстановлению тканей в слизистой оболочке кишечника, и поэтому считается, что он ослабляет симптомы колита.

Чжан говорит, что результаты являются подтверждением концепции о том, что полученные из растений ELN могут влиять на состав и здоровье микробиома, и представляют «новый путь для будущих исследований».

• Ученый находится в процессе создания библиотеки других ELN, полученных из овощей и фруктов.

• "Мы считаем,что не только имбирь содержит такие клеточные структуры", говорит он, - поэтому нужно проверить, как они влияют на микрофлору человека".

Для генетика из Университета Миннесоты Рана Блехмана (Ran Blekhman), который не принимал участия в исследовании, результаты иллюстрируют «замечательный механизм этих взаимодействий между диетой, микробами и хозяином».

• "Многие исследования устанавливают корреляцию между диетическими вмешательствами и изменениями в микробиоме. в то время как очень немногие исследуют вовлеченные молекулярные механизмы", - отмечает он.

• "В общем, таких научных экспериментов должно быть намного больше".

Люди с болезнью Паркинсона имеют низкий уровень химического дофамина в мозге.

Препарат леводопа является основным средством для повышения этого уровня, но микробы в кишечнике человека поглощают значительную часть препарата до того, как он достигает мозга.

Эмили Бальскус (Emily Balskus) из Гарвардского университета в Кембридже (Harvard University in Cambridge), штат Массачусетс, Питер Тернбо (Peter Turnbaugh) из Калифорнийского университета (University of California), Сан-Франциско, и их коллеги изучили базу данных бактериальных ДНК в поисках микробов, способных разрушать леводопу. Команда обнаружила, что бактерия Enterococcus faecalis, которая находится в кишечнике, перерабатывает лекарство в дофамин, который не может проникнуть в мозг.

Затем исследователи скормили дофамин различным бактериям, живущим в человеческих фекалиях. Только один микроб, Eggerthella lenta, может превратить дофамин в другое соединение, которое может вызвать некоторые из известных побочных эффектов леводопы.

Группа ученых также обнаружила, что подобная аминокислоте молекула блокирует активность E. faecalis, не убивая микроба, и, увеличивает уровни леводопы при приеме мышам.

• Эффективность лечения болезни Паркинсона с помощью l- dopa сильно варьирует между индивидуумами в зависимости от состава их микробиоты.

• l-допа декарбоксилируется (происходит элиминирование или отщепление CO₂) в активный дофамин, но если микробиота кишечника метаболизирует левидопу до того, как она преодолеет гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), лечение неэффективно.

Майни Рекдал (Maini Rekdal) и соавторы обнаружили, что разные виды бактерий участвуют в метаболизме l-допы, - тирозиндекарбоксилаза (TDC) из Enterococcus faecalis и дофаминдегидроксилаза (Dadh) из Eggerthella lenta A2 последовательно метаболизируют l-допу в м-тирамин.

Микробная 1-допа-декарбоксилаза может быть инактивирована (S) -α-фторметилтирозином (AFMT), что указывает на возможность разработки комбинаций препаратов для обхода микробной инактивации.

Болезнь Паркинсона - это изнурительное неврологическое заболевание, поражающее более 1% населения мира в возрасте 60 лет и старше.

• Основным лекарством, используемым для лечения этой болезни, является леводопа (l-допа). Чтобы быть эффективной, l-допа должна поступать в мозг и превращаться в нейротрансмиттер дофамин с помощью человеческого фермента ароматической аминокислоты декарбоксилазы (AADC).

• Однако желудочно-кишечный тракт также является основным участком декарбоксилирования l-допы, и этот метаболизм проблематичен, поскольку дофамин, образующийся на периферии, не может пересечь гематоэнцефалический барьер и вызывает нежелательные побочные эффекты.

• Таким образом, l-допа назначается вместе с лекарственными средствами, которые блокируют периферический метаболизм, включая ингибитор AADC карбидопу.

• Даже с этими препаратами до 56% леводопы не попадает в мозг. Кроме того, эффективность и побочные эффекты лечения l-dopa крайне неоднородны у пациентов с паркинсонизмом, и эта изменчивость не может быть полностью объяснена различиями в метаболизме хозяина.

Кишечные микробы метаболизируют лекарственное средство Паркинсона l-допа

Декарбоксилирование l-допы E. faecalis TyrDC и AADC человека, вероятно, ограничивает доступность лекарств и способствует побочным эффектам. E. lenta дегидроксилирует дофамин, полученный из l-допы с использованием молибден-зависимого фермента. Хотя целевое лекарственное средство карбидопа не влияло на декарбоксилирование кишечных бактерий l-допа, AFMT ингибировал эту активность в кишечной микрофлоре.

• Известно, что микробы, населяющие кишечник человека перерабатывают лекарственное средство от болезни Паркинсона леводопа (l-допа), потенциально снижая доступность лекарств и вызывая побочные эффекты. Однако организмы, гены и ферменты, ответственные за эту активность у пациентов и их подверженность ингибированию принимающими лекарства, неизвестны.
  

• Превращение l-допы в дофамин пиридоксальфосфат - зависимой тирозиндекарбоксилазой из Enterococcus faecalis сопровождается превращением дофамина в м - тирамин молибден-зависимой дегидроксилазой из Eggerthella lenta; эти ферменты предсказывают метаболизм лекарств в сложных микробиотах кишечника человека.

• Растущее количество фактических данных связывает триллионы микробов, населяющих желудочно-кишечный тракт человека (кишечную микробиоту человека), с неврологическими состояниями, включая изнурительное нейродегенеративное расстройство, - болезнь Паркинсона.

Основным методом лечения синдрома Паркинсона является Леводопа (l-dopa), которая назначается для лечения двигательных симптомов, возникающих в результате потери дофаминергических нейронов в черной субстанции. Этот эффект отменяется при лечении антибиотиками, что указывает на причинную роль микробов кишечника в нейродегенерации.

Многочисленные исследования выявили различия в составе микробиоты кишечника у пациентов с болезнью Паркинсона по сравнению со здоровыми образцами, которые могут коррелировать с тяжестью заболевания. Тем не менее, влияние микробиоты кишечника человека на лечение болезни Паркинсона и других нейродегенеративных заболеваний остается недостаточно изученным.

• Показав, что ферменты E. faecalis и E. lenta предсказывают метаболизм l-допы сложной микрофлорой кишечника пациента, ученые исследовали, был ли этот межвидовой путь чувствителен к ингибированию препаратами, которые нацелены на периферическое декарбоксилирование l-допы.

В Соединенных Штатах у пациентов с болезнью Паркинсона прописана карбидопа, имитирующая l - допу, которая ингибирует AADC путем образования стабильной ковалентной гидразонной связи с ее кофактором PLP.

• В результате исследования также обнаружили, что карбидопа была в 200 раз менее активна по отношению к очищенному Tyr DС из E. faecalis.

• Кроме того, карбидопа не влияла на рост E. faecalis или метаболизм или рост E. lenta. Учитывая максимальную прогнозируемую концентрацию карбидопы в желудочно-кишечном тракте (от 0,4 до 9 мМ), эти данные свидетельствуют о том, что этот препарат не полностью ингибирует декарбоксилирование кишечной бактерии l-dopa у пациентов с паркинсонизмом.

Эти наблюдения подтверждают предыдущие выводы о том, что введение карбидопы не влияет на выработку м-тирамина у пациентов.

Выводы

• Декарбоксилирование l-допы E. faecalis отражает метаболизм препаратов - хозяев и вместе с AADC человека, вероятно, ограничивает доступность лекарств и вносит вклад в индивидуальные изменения эффективности.

• Вместе с недавними работами, показывающими вклад микробов хозяина и кишечника в противовирусный препарат бривудин, результаты показывают, что кишечный бактериальный метаболизм не должен быть химически отличным от активности хозяина, чтобы изменить эффективность лекарственного средства, и предполагают, что такие взаимодействия могут быть недооценены.

• Кроме того, неспособность карбидопы предотвратить декарбоксилирование l-допы Enterococcus faecalis означает, что дополнительные целевые препараты, могут не обладать эффективностью в отношении активности, также присутствующей в микрофлоре кишечника.

Также показано, что E. lenta далее метаболизирует дофамин, продуцируемый декарбоксилированием l-допы, с использованием четко выраженной микробной реакции дегидроксилирования (отщепление OH - группы) катехина.

• Возможно, что эта трансформация влияет на многочисленные побочные эффекты от введения l-допы, связанные с продукцией дофамина.

• Это открытие также поднимает вопросы о биологических последствиях кишечного микробного метаболизма эндогенного дофамина, который присутствует в желудочно-кишечном тракте и связан с фенотипами, начиная от моторики кишечника и заканчивая колонизацией патогенов.

Раскрытие неожиданного влияния SNP на метаболизм дофамина в кишечнике позволяет предположить, что простое обнаружение функциональных генов может не точно предсказать активность, кодируемую кишечной микрофлорой человека, и подчеркивает важность изучения ферментов в этом сообществе.

Исследования показывают, что обработка микробного сообщества, находящегося на картине, пробиотиками может стать способом предотвращения биодеградации.

На потолке базилики Santa Maria в Вадо, церкви в Ферраре (Италия), находится круглое полотно диаметром почти три метра. На нем изображено коронование Богородицы в Царицу Небесную Богом, Иисусом и Святым Духом. Эта картина, получившая название «Коронация Богородицы», считается шедевром раннего художника в стиле барокко Карло Бонони.

• Она висела на потолке церкви с 1600-х годов, где оставалась до 2012 года. В том же году в Ферраре произошло землетрясение, заставившее реставраторов удалить роспись с потолка. Затем он был прислонен к внутренней стене церкви, а затем вернулся на свое законное место после реставрации.
  

Несмотря на столетия на потолке и некоторое время на полу, произведение искусства не показало серьезного повреждения слоев краски, за исключением сети трещин и некоторых маленьких порезов и деформаций.

• Однако задняя часть полотна сильно пострадала в результате воздействия птиц, насекомых и грызунов, попавших в церковь через трещину в потолке и крыше здания, где висела картина. И они не единственные представители животного мира, которым по душе картина; микробы также заселили поверхность работы - питаясь ее клеем, холстом и краской.
  

"Благодаря часто разлагаемым материалам произведения искусства, такие как картины, являются главными местами для микробной колонизации", говорит ученый Санте Маццакан (Sante Mazzacane), исследователь, изучающий химическое и микробное загрязнение в Университете Феррары (University of Ferrara). В прошлом, реставраторы и деятели искусства изучали воздействие микробов на каменные памятники, настенные росписи и фрески, чтобы лучше понять, как их сохранить. Но мало что было сделано для того, чтобы понять микробную деградацию картин на холсте.

Заинтересованный в том, какие микроорганизмы жили на "Коронации Богородицы", с целью восстановления полотна, Фабио Бевилаква (Fabio Bevilacqua) реставратор в Болонье и Ферраре, объединился с Маццаканом и Элизабет Казелли (Elisabetta Caselli), микробиологом и медицинским генетиком также в Университете Феррары, чтобы идентифицировать микроскопических жителей живописи. Команда протирала ватными тампонами области передней и задней части картины и вынимала крошечные кусочки бумаги и хлопковых волокон с обратной стороны. Затем они поместили образцы на чашки Петри с агаром, чтобы культивировать растущие там микробы.

Используя оптическую и сканирующую электронную микроскопию, группа определила микробы - среди них оказались несколько видов бактерий Staphylococcus и Bacillus, а также грибы Aspergillus, Penicillium, Cladosporium и Alternaria. Исследователи обнаружили, что микробы Staphylococcus в основном висели на передней части изделия, а виды Bacillus обитали на обратной стороне картины. Что касается видов грибов, Aspergillus обычно собирались в более темных цветах произведения, - в красных и коричневых тонах, в то время как Cladosporium обосновался в более светлых цветах, - желтых и розовых, а Alternaria жили на той части картины, которая коснулась церкви.

«Чем больше вы знаете о картине, тем лучше вы понимаете, какие переменные влияют на ее порчу и как ее восстановить», - говорит Билл Браун (Bill Brown), главный реставратор в Музее искусств Северной Каролины в Роли (Raleigh), который не участвовал в проекте.

• Его особенно заинтересовало предположение авторов о возможной взаимосвязи между выцветанием в красных слоях краски и некоторыми видами Bacillus и Aspergillus - хотя он видел подобные выцветания в других работах, повреждение обычно не было связано с микробами.

БАКТЕРИИ БОНОНИ. Согласно недавнему исследованию, итальянская картина «Коронация Богородицы» (см. Ниже) объединяется с микробами. Исследователи определили виды Staphylococcus (вверху, a – c) на передней части картины и виды Bacillus (вверху, d – f) на ее задней части.

Понимание микрофлоры полотна действительно помогло Бевилакве определить, какие методы он мог бы использовать для обеззараживания "Коронации Богородицы", при работе над ее восстановлением. Одним из вариантов были химические биоциды, которые могут уничтожить все микробы на произведениях искусства. Но этот подход может открыть картину для проникновения новых видов микроорганизмов - некоторые из которых могут быть еще более разрушительными. Поэтому Казелли и Маццакан искали альтернативу, опираясь на некоторые собственные исследования использования определенных видов бактерий в качестве пробиотиков.

В работе, опубликованной с 2014 года, исследователи показали, что пробиотики могут препятствовать росту вредных бактерий на различных поверхностях в больницах благодаря конкурентному антагонизму, когда пробиотик поглощает питательные вещества, необходимые вредным бактериям для выживания. По словам Маццакана, использование экспериментальной пробиотической обработки на этих поверхностях привело к снижению числа случаев госпитализации пациентов на 52% и снижению затрат на лечение антибиотиками на 75%. Возможно, он и его коллеги думали, что техника может быть применена к картине, чтобы избавиться от вредных микробов, предотвращая вторжение других.

Исследователи проверили идею в лаборатории. Они заказали биоактивный продукт, использованный в их больничных экспериментах, у местной компании, разбавили смесь в стерильной воде, а затем разложили ее на чашках с агаром, выращивая микробные виды, обнаруженные на картине. Биоактивный раствор, включающий споры Bacillus subtilis, B. pumilus и B. megaterium, по-видимому, подавляет рост микробов картины, хотя группа еще не пробовала микробную обработку на самой картине, выбирая более традиционное лечение биоцидом.

«Эти исследования чрезвычайно ценны для поиска новых и разных способов сохранения искусства», - говорит The Scientist Том Лирнер, руководитель научного отдела Института сохранения Гетти, который не принимал участия в исследовании. «Я полностью поддерживаю проекты любого нового подхода, подобного этому».

• Результаты являются предварительными, отмечает Mazzacane, но предполагает, что некоторые бактерии Bacillus могут быть использованы в качестве пробиотика для предотвращения роста микробов, которые повреждают произведения искусства. Конечно, команде по - прежнему необходимо убедиться, что эти виды Bacillus сами по себе не наносят ущерба. Обрабатывать шедевры с помощью чего-либо, кроме проверенных методов сохранения, нелегко в мире искусства, поэтому очень важна полная проверка безопасности любого нового метода обработки, говорит Лирнер.
  

«Консерваторы обычно неохотно проводят любой вид лечения, требующий инвазивной процедуры, такой как эта, - говорит он, - поэтому исследователи действительно должны убедить реставраторов в том, что лечение безопасно, и, следовательно, принять его во внимание."