Энн Мэдден называет себя «повелительницей микробов» Её исследовательский и научный потенциал проявился во время учёбы в колледже Уэллсли, когда она проходила стажировку в Коста-Рике. В окружении пышных тропических лесов и увлечённых своим делом исследователей она изучала растения и древолазов. Мэдден быстро влюбилась в этот удивительный мир биологии и, вернувшись в Массачусетс, стала искать возможность продолжить исследования.

На курсах микробиологии она нашла своё призвание, когда узнала о других неизведанных джунглях, только в другом масштабе — под микроскопом. Когда Мэдден поняла, что микробы вокруг неё не только взрываются разноцветными красками в чашке Петри, но и вырабатывают большинство антибиотиков, которые спасают жизни, она устроилась на работу в фармацевтическую компанию. Там она выращивала почвенные микробы, чтобы выявить новые источники антибиотиков.¹

"Эти прекрасные места — своего рода капсула времени для живых существ. Образцы, на которые я действительно обратил внимание, — это образцы дверной обшивки, покрытые забытой пылью. Это словно тайный мир." — Энн Мэдден, Институт микробов.

Но тяга к открытиям привела её обратно в академическую среду. Она защитила докторскую диссертацию по биологии в Университете Тафтса в лаборатории поведенческого эколога Филипа Старкса, изучая микробиом бумажных ос. Сбор ос вывел полевые исследования Мэдден на новый уровень: она побывала в старых амбарах, садах и даже на сайте объявлений Craigslist, где люди с радостью отдавали своих ос в дар науке. Занимаясь каталогизацией микробов, она обнаружила и назвала новый вид грибка Mucor nidicola, который был выделен из бумажного осиного гнезда. Она была в восторге, ведь различные виды Mucor пригодны для биотехнологического применения.² Когда она поделилась этой новостью с отцом, он сказал: «О, надеюсь, ты нашла способ избавиться от [этого грибка]». Хотя большинство людей с опаской относятся к грибам, Мэдден сохраняла оптимизм. Она рассматривала мир как свою микробную устрицу, наполненную бесчисленными новыми видами, которые ещё предстоит открыть.

Создание атласа членистоногих

В 2014 году интерес Мэдден к среде обитания микроорганизмов привёл её в лаборатории Ноа Фирера, эколога-микробиолога из Колорадского университета в Боулдере, и Роба Данна, эколога и биолога-эволюциониста из Университета штата Северная Каролина. В течение следующих нескольких лет они вместе консультировали её в рамках серии постдокторских исследовательских проектов, посвящённых изучению разнообразия микроорганизмов в окружающей среде.

Один из её заметных проектов вырос из гражданской научной инициативы под названием «Членистоногие в наших домах». Жители Роли, штат Северная Каролина, добровольно предоставили свои дома для помощи исследователям в создании атласов этих незаметных «соседей-членистоногих», чтобы понять, как характеристики дома и образ жизни могут влиять на их разнообразие.³ Исследователи вручную собирали образцы и брали мазки для выявления пылевых клещей. В своём первом списке членистоногих они морфологически описали некоторых из наиболее распространённых обитателей домов: пауков-кругопрядов, муравьёв и книжных вшей. Хотя эти членистоногие встречались по меньшей мере в 80 % домов, исследователи смогли лишь поверхностно изучить биоразнообразие в одной из частей Северной Каролины.

Поэтому они расширили сферу своей деятельности и привлекли к работе гражданских учёных. Мэдден обработала образцы пыли, взятые с дверных наличников внутри и снаружи более чем 700 домов, включая дом Файер, в континентальной части Соединённых Штатов. «Она использовала некоторые методы, которые мы применяем для изучения членистоногих, для исследования бактерий и грибков. Она обладает действительно широким пониманием не только микробов, но и других групп организмов, что делает её уникальной», — отметила Файер. Чтобы обойти ограничения, связанные с идентификацией на основе морфологии, Мэдден использовал ДНК из окружающей среды и высокопроизводительное секвенирование маркерных генов для анализа домашней пыли. Мэдден вспомнил, как ползал под кранами в поисках книжных вшей и других крошечных насекомых, чтобы понять, как бороться с пылью.

Изучая наборы данных, чтобы проанализировать какие членистоногие там были — от тараканов до термитов, — она выявила закономерности в том, как различные факторы влияют на их строение и образ жизни.⁴ Например, разнообразие членистоногих было выше в сельских домах, домах с подвалами, а также в домах, где есть кошки или собаки. «Эти прекрасные места — своего рода капсула времени с живыми существами. Образцы, которые я изучала, — это образцы дверной обшивки, покрытые забытой пылью. Это как тайный мир», — сказала Мэдден.

Образцы пыли позволили получить представление о разнообразии членистоногих, обитающих в домах по всей территории США. Было обнаружено 600 видов, в том числе распространённые домашние вредители, такие как пауки и летающие насекомые. Пылевые клещи, которые могут быть серьёзными аллергенами в домах, чаще встречаются во влажных регионах страны. Но в аэрозольной ДНК также были обнаружены членистоногие, которых люди употребляют в пищу, например крабы и раки. Неожиданным открытием в пыли на дверных косяках стали следы бокоплавов. Мэдден подумала, что это ошибка, но, как оказалось, у владельца дома были домашние рыбки, и их корм из артемии способствовал увеличению численности членистоногих. «Существует удивительное разнообразие, которое мы только начинаем понимать», — сказала Фирер. Вскоре после завершения этого проекта Мэдден сосредоточилась на том, как эти членистоногие и их микробиомы могут быть полезны людям.

Пикантные напитки из насекомых и дрожжей

Изучая домашнюю пыль, Мэдден параллельно исследовала микробы внутри ос. Хотя многие считают ос вредителями — о чём свидетельствуют её успешные объявления об услугах по уничтожению ос на сайте Craigslist, — Мэдден отмечает: «Нам ещё многое предстоит узнать о том, какие микробы осы переносят по своему миру или вокруг виноградников».

В 2014 году Мэдден получила от Данна интересное электронное письмо с предложением о просветительском проекте с участием Джона Шеппарда, инженера-биотехнолога из Университета штата Северная Каролина. Данн и Шеппард хотели продемонстрировать преимущества микробов и найти в природе новые штаммы диких дрожжей для пивоварения — любимого напитка, славящегося разнообразием вкусов. Мэдден, которая до этого ни разу в жизни не пробовала пиво, приняла вызов. Хотя у неё не было дрожжей, она сказала Данну: «У меня есть осы, а они переносят дрожжи».

"Она умеет разговаривать с дрожжами. Энн способна воспринимать дрожжи такими, какие они есть, и думать как дрожжи — лучше, чем кто-либо из тех, кого я встречал." - Роб Данн, Университет штата Северная Каролина.

В летние месяцы на виноградниках различные виды дрожжей питаются сахаром, содержащимся в цветочном нектаре и плодах, например в винограде. Затем осы лакомятся сахаром из этих дрожжевых виноградин и случайно переносят эти микроорганизмы в своих желудках на другие плоды.^5,6

Эта связь вдохновила Данн и Мэдден на изучение микробов, обитающих в организмах этих опылителей. Собирая ос и пчёл, Мэдден аккуратно переносила микробы из их тел в чашку Петри. Когда в чашке Петри расцветал лес из микробов, она выделяла из него дрожжи. Затем она анализировала ДНК этих дрожжей и проверяла их по национальной базе данных, чтобы убедиться, что они не вызывают заболеваний. Последним шагом было сужение круга микробов с помощью биохимических и генетических тестов, чтобы выявить интересующие нас метаболические процессы, такие как спиртовое брожение. Когда Мэдден отправила Шеппарду список отобранных ею микроорганизмов, она понятия не имела, подойдут ли они для пивоварения.

К её удивлению, Шеппард добилась успеха с одним из своих микробов. Этот вид дрожжей Lachancea не был известен пивоварам и не использовался ими. «В ходе этого процесса мы узнали, что эти дрожжи не только делают пиво, но и превращают его в кислое пиво, что ранее не удавалось ни одному микроорганизму, — сказала Мэдден. — Мы нашли дрожжи, которые, по мнению людей, не могли делать то, что они делали, и это изменило наше представление как учёных о возможностях дрожжей».

Обычно приготовление кислого пива представляет сложность для пивоваров, поскольку им приходится добавлять бактерии, вырабатывающие молочную кислоту, что влияет на такие факторы, как время и загрязнение. Этот процесс брожения может длиться месяцами или даже годами. Однако эти дрожжи могут вырабатывать как спирт, так и молочную кислоту, необходимую для приготовления кислого пива, без необходимости выдержки или добавления других микроорганизмов. Они позволили получить кислое пиво примерно за две недели, что было неслыханным в мире пивоварения.

Команда была в восторге от потенциала одновидовых пивных дрожжей Мэдден и от того, чего можно добиться с помощью подобных штаммов в будущем. «Она умеет разговаривать с дрожжами. Энн способна воспринимать дрожжи такими, какие они есть, и думать как дрожжи — лучше, чем кто-либо из тех, кого я встречал, — сказал Данн. — У неё есть волшебная способность заглядывать в микроскопический мир и думать о том, как мы можем использовать эти волшебные организмы в своих целях».

Они представили своё пиво на основе ос на Всемирном фестивале пива, в котором сочетались восхитительные вкусы — от фруктовых до цветочных. Мэдден описала вкус как «прекрасную терпкость». Затем, в течение следующих нескольких лет, Мэдден и её коллеги выдвинули гипотезу о том, что осы, шмели и другие насекомые, ищущие сахар, могут предпочитать дрожжи, которые производят цветочные и фруктовые ароматы, поскольку эти запахи указывают на наличие сахара.⁷ Таким образом, из дрожжей, полученных от этих насекомых, можно приготовить пиво с новыми и интересными вкусовыми характеристиками. Вскоре после этого исследователи создали «пчелиное пиво» из дрожжей шмелей, которое имело сладкий медовый вкус без добавления настоящего мёда.

«Значительная часть успеха, как вы понимаете, — это удача, наука, знание того, где искать и как находить нужные ингредиенты, умение обращаться с дрожжами, а также то, как люди взаимодействуют с микроорганизмами, чтобы добиться превосходного вкуса», — сказал Мэдден.

Почему микробы важны с точки зрения научной коммуникации

Помимо составления атласов членистоногих и производства пива Buggy, Мэдден стремилась приносить пользу обществу и другими способами. В 2020 году она основала The Microbe Institute — некоммерческую организацию, объединяющую учёных, которые хотят заниматься научной коммуникацией, компании, работающие над технологиями, связанными с микроорганизмами, и художников, которые ищут новые инструменты для своего творчества. «Я действительно хотела создать что-то вроде НАСА для мира микробов, что могло бы способствовать открытиям ради лучшего будущего», — отметила Мэдден.

Институт микробов появился примерно в то же время, что и пандемия COVID-19. Поскольку у всего мира сложились непростые отношения с микробами, Мэдден считал важным подчеркнуть, что не все микробы стремятся убить человека. Вместо того чтобы уменьшать мир, некоторые микробы расширяют его, принося людям огромную пользу.

Во время карантина, когда многие люди не могли выходить из дома, Мэдден запустил проект The Global Lichen Hunt, который призывал людей выходить на задний двор. Там они могли найти лишайники, поделиться своими находками с учёными и узнать больше о лишайниках, которые их окружают. Эти наблюдения послужили для учёных экологическим индикатором, который помог им лучше понять биологию и распространение лишайников, а также то, как загрязнение воздуха может влиять на их распространение.

Ещё одно партнёрство завязалось, когда Брук Джуд, молекулярный микробиолог из Бард-колледжа, услышала выступление Мэддена на небольшом региональном собрании. Они разговорились и нашли общий язык благодаря своей работе с микроорганизмами. Исследования Джуд связаны с поиском новых полезных микроорганизмов в местной водной среде. В её первом образце воды из водораздела долины реки Гудзон были обнаружены бактерии с естественной фиолетовой пигментацией. Этот фиолетовый пигмент, называемый виолацеином, не только красиво окрашен, но и обладает антимикробными свойствами.

"Она прекрасно умеет общаться и очень, очень хорошо понимает, как представить историю в максимально позитивном свете." — Брук Джуд, Бард-колледж.

Исследователи предположили, что этот пигмент может помочь в решении проблемы сохранения популяций земноводных, численность которых сокращается из-за хитридиевых грибковых заболеваний. Было обнаружено, что бактерии, вырабатывающие виолацеин, помогают земноводным бороться с этим заболеванием. Заинтересовавшись этими микроорганизмами, Джуд задалась вопросом, не обитает ли в водоразделе множество других, ещё не открытых видов бактерий, способных вырабатывать этот пигмент. Это любопытство послужило толчком к их сотрудничеству.

«После этого мы начали думать о том, что наша работа во многом пересекается, что некоторые вещи, которые [Энн] делала в Институте микробов, связаны с информированием о проектах, которые могут быть по-настоящему понятны широкой публике, интересны ей и вызывают у нее энтузиазм. Как донести эту мысль?» — сказала Джуд.

Итак, Мэдден вместе с Джудом разработали несколько проектов, направленных на поиск новых видов этих бактерий и изучение их биогеографии. Одна из частей этого проекта предполагала участие гражданских учёных, которые предлагали энтузиастам науки брать пробы воды в местных водоёмах, выращивать микробы и загружать данные о том, были ли обнаружены бактерии с фиолетовой пигментацией, чтобы помочь исследователям найти новые виды этих полезных микроорганизмов. Они также получили финансирование от National Geographic на создание образовательных материалов для школьников средних и старших классов об этих мощных фиолетовых микроорганизмах. «С ней приятно работать, она прекрасно умеет общаться и очень, очень хорошо понимает, как представить историю в максимально позитивном свете», — сказал Джуд.

«Было очень приятно наблюдать за тем, что получилось в результате [партнёрства The Microbe Institute], и по мере того, как в ближайшие годы мы будем наращивать масштабы как проектов, так и возможностей, [мы] с нетерпением ждём, к чему это приведёт», — сказала Мэдден. Сочетая причудливость с научно обоснованным подходом к обучению, она надеется и дальше раскрывать микробные тайны природы. “Наша цель - демократизировать открытия, действительно сделать чудо этого микробного мира возможным для любого, кто хочет его исследовать”.

Ссылки:

1. Народы А. Дж. и др. Неоцитреамицины I и II, новые антибиотики, активные в отношении метициллин-резистентного золотистого стафилококка и ванкомицин-резистентных энтерококков. J Antibiot (Токио). 2008;61(7):457-463.
2. Мэдден А.А. и др. Mucor nidicola sp. nov., вид грибов, выделенный из гнезда инвазивной бумажной осы. Int J Syst Evol Microbiol. 2012;62(Pt 7):1710-1714.
3. Бертоне М.А. и др. Членистоногие в больших помещениях: характеристика разнообразия в городских и пригородных домах. PeerJ. 2016;4:e1582.
4. Мэдден А.А. и др. Разнообразие членистоногих в домах по всей территории США, выявленное с помощью анализа ДНК в окружающей среде. Mol Ecol. 2016;25(24):6214-6224.
5. Мэдден А.А. и др. Растущий вклад общественных ос в экологию болезней, вызываемых гнилью винограда. PeerJ. 2017;5:e3223.
6. Стефанини И. и др. Общественные осы — это Saccharomyces брачное гнездо. Proc Natl Acad Sci USA. 2016;113(8):2247-2251.
7. Мэдден А.А. и др. Экология взаимоотношений насекомых и дрожжей и их значение для промышленности. Труды Биологического общества. 2018;285(1875):20172733.