Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

процветать на новом месте. Это непростая задача, поскольку приходится иметь дело с проблемой «сбора следовой биомассы». Достаточно буквально единичных бактерий или вирусов, чтобы зародилась обширная популяция. Как же удостовериться в наличии того, чего практически нет? А если мы не заметим какие-то организмы и они попадут в космос, что тогда произойдет?

Микробы-астронавты

На некоторые из этих вопросов уже удалось ответить в ходе предварительного изучения космических кораблей, астронавтов и микробиомов, сложившихся на МКС. Такими исследованиями занимается наша группа и другие ученые. Проводились многочисленные лонгитюдные исследования, в том числе вышеупомянутое исследование близнецов, а также работы Эрнана Лоренци, Дуэйна Пирсона, Александра Ворхиса и Марка Отта с коллегами. Они показали, что бактерии в космосе не «сидят без дела». В частности, Лоренци показал, что бактерии, обитающие на коже астронавтов, со временем приобретают все больше сходства. Это логично, поскольку им никуда не деться из одного и того же алюминиевого контейнера. Такое «смешивание» микробиомов отчасти стимулируется резким сокращением окружающего биоразнообразия. Так, во время космического полета впятеро уменьшаются популяции Akkermansia и Ruminococcus, втрое – Pseudobutyrivibrio и Fusicatenibacter. Как демонстрирует Twins Study, большинство подобных изменений откатываются к дополетным значениям после возвращения астронавтов на Землю. Более того, из-за таких изменений микробиома учащаются случаи зуда и в целом гиперчувствительности кожи у астронавтов при длительных орбитальных полетах.

Более серьезной, чем изменение соотношения разных бактерий, является проблема так называемых космических зомби – оживших вирусов, ранее пребывавших в латентном состоянии. Сатиш Мехта из Космического центра Джонсона ранее показал, что в космосе чаще наблюдаются рецидивы герпеса и, возможно, по всей МКС плавают вирусы, высвободившиеся из клеток-хозяев. По состоянию на 2019 г. у 47 из 89 астронавтов (53 %), совершавших краткие космические полеты (в течение недель), а также у 14 из 23 астронавтов (61 %), участвовавших в более длительных экспедициях на МКС (от трех месяцев до полугода), в образцах мочи и слюны наблюдались признаки герпеса. У этих астронавтов также наблюдался активный инфекционный процесс, о котором сигнализировал подъем уровня цитокинов и иммунных маркеров.

Итак, как долго сохраняется в космосе то, что выделяется из организма вашего товарища по экипажу на МКС? Кроме того, какой именно вирусный материал высвобождается из клеток? Чтобы ответить на эти вопросы, ранее было принято решение выращивать культуры микроорганизмов и оценивать, что может вырасти и выжить на космической станции. Но такие методы зачастую приводят к систематическим ошибкам отбора: одни бактерии просто не хотят расти в искусственно созданных условиях, а другим такая среда очень нравится и они легко берут верх над конкурентами. Но начиная с 2015 г. проводится все больше исследований «без привязки к культуре», направленных на подробное изучение орбитальной живности. В рамках этих методов используется секвенирование следующего поколения, описанное в главе 4: берется образец, из него извлекается вся ДНК, которая затем секвенируется «методом дробовика». Как понятно из названия, мы словно расстреливаем клетки образца в упор, разрывая их ДНК на миллиарды фрагментов, а затем секвенируем каждый кусочек. Каждый такой фрагмент (называемый прочтением последовательности) затем можно сопоставить (наложить) с участками известных геномов других видов, уже присутствующих в базах данных по ранее секвенированным геномам. Это позволяет количественно оценить, насколько много организмов того или иного типа попало в образец. Также можно осуществить сборку коротких прочтений de novo (с нуля) и составить из них более длинные прочтения. Принцип во многом напоминает сборку пазла. Именно так удобнее всего исследовать организм, который не выращивается в нормальной бактериальной среде. Можно даже найти организмы, ранее не попадавшие ни в какие реестры.

Секвенирование нового поколения уже показало, что у бактерий, развивающихся на орбите, повышена вирулентность, резистентность к антибиотикам, они лучше образуют биопленки и даже толстеют. В 2016 г. благодаря работе Луиса Зеа, Шона Леви и их коллег удалось показать, как меняются (а именно становятся разнообразнее) типы маркеров резистентности к антимикробным препаратам и пути экспрессии генов у бактерий в результате космического полета. Это явление охватывало целый спектр биохимических путей, в том числе синтез белков, связывание нуклеиновых кислот и обмен веществ. Как и ожидалось, МКС является экстремальной средой для микроорганизмов, поэтому они испытывают сильное давление отбора.

Полунеизвестность

Изучив микроорганизмы, обитающие на МКС, доктор Венкатесваран обнаружил у них высокую изменчивость: некоторые особи могли показаться представителями совершенно нового вида, так как фрагменты их ДНК не совпадали ни с какими известными геномами. Но само по себе это нельзя назвать необычным. Когда в 2015 г. наша группа проанализировала генетическую информацию микроорганизмов, собранных в нью-йоркском метро, а потом в 2021-м повторила анализ в глобальном масштабе, оказалось, что ~50 % отсеквенированной ДНК выглядело как совершенно новая и ранее не встречалась. Примерно такие же цифры получил и генетик Крейг Вентер, секвенировавший методом дробовика микрофлору Саргассова моря. Таким образом, главной причиной загадочной изменчивости ДНК на борту МКС следует считать вовсе не пришельцев, а неполноту существующих справочных баз данных. Учитывая, что, по оценкам, на Земле в 2020 г. обитал примерно триллион видов живых существ, а мы располагаем 100 000 справочных геномов (на которые можно ориентироваться), остается лишь удивляться тому, что нам вообще удается идентифицировать те организмы, которые обнаружили.

По мере того как мы секвенируем все больше и больше геномов из разных экосистем по всему миру, «неизвестных» фрагментов ДНК становится меньше. В 2020 г. один новый вид бактерий с МКС даже был назван в честь Кейт Рубинс (Kineococcus rubinsiae). Тем не менее доля неизвестных последовательностей никогда не сократится до нуля – всегда найдется последовательность, которая ранее не попадалась. Дело в том, что жизнь не стоит на месте, и особенно это касается бактерий и вирусов, поколения которых сменяются за считаные минуты. Следовательно, стоит только создать каталог всех видов живых существ, обитающих на Земле, и через несколько минут он будет неполным.

Однако это не означает, что нужно прекратить поиск новых неизвестных. Чтобы подступиться к нашей инициативе по защите планет, необходимо проанализировать все фрагменты ДНК, которые мы сможем найти на космических аппаратах (кстати, именно этим мы и занимаемся). Благодаря работе Венкатесварана, Смита и других сотрудников Лаборатории реактивного движения секвенирование методом дробовика и выискивание микроорганизмов на космических кораблях превратились в стандартную практику оценки прямого загрязнения. Затем эти данные сравниваются с общим списком всех секвенированных последовательностей ДНК на Земле. Это позволяет определить, какой биоматериал вообще существует и что может быть случайно занесено в космос при следующей экспедиции.

Пока результаты однозначны. Мы вне всяких сомнений загрязнили Марс, а возможно, и другие планеты. Хотя «бионагрузка» межпланетных миссий была низкой, она никогда не снижалась до нуля. Это касается и спускаемых аппаратов «Викинг», достигших Марса в 1970-х гг. Для Марса данная проблема стоит особенно остро, поскольку там бушуют глобальные пыльные бури, которые уже могли подхватить и разнести инородную биомассу по всей планете. В целом не приходится надеяться, что мы сможем сохранить девственно чистыми какие-либо регионы Марса. Если мы и найдем там местную жизнь, то она должна будет кардинально отличаться от всего существующего на Земле, чтобы уверенно считать эти организмы исконно марсианскими.

В других случаях мерам планетарной защиты уделялось гораздо больше внимания. В 2003 г. мы намеренно пожертвовали спускаемым аппаратом «Галилео», позволив ему сгореть в атмосфере Юпитера ради полной стерилизации. Точно так же исследовательский зонд «Кассини» был намеренно сожжен в атмосфере Сатурна во избежание прямого загрязнения. Иногда сгорание зонда – наилучшее решение таких проблем.

Корни синтетической биологии

Допустим, мы обнаружили на другой планете живой организм и уверены, что он не с Земли. Как он будет выглядеть? На самом деле мы не знаем этого, поскольку в своих представлениях о жизни опираемся на информацию о всего одной – земной – биосфере. К тому же наши представления об определяющих свойствах жизни продолжают меняться по мере того, как мы открываем на Земле все новых экстремофилов и делаем успехи в развитии синтетической биологии.

Синтетическая биология – относительно новая научная дисциплина. Даже (казалось бы, очевидная) идея о том, что работа