Микроорганизмы повсюду: от патогенных бактерий и вирусов до микробов, обитающих в пищеварительном тракте каждого животного и помогающих расщеплять пищу, до почвенных микробов, жизненно важных для выращивания сельскохозяйственных культур и обеспечения продовольствием мира, и многих других.
Сообщество микроорганизмов, населяющих определённую среду — будь то растения, животные, почвы, океаны, дом или кишечник — известно как микробиом. Интерес к наукам о микробиоме вырос экспоненциально за последние несколько десятилетий, начиная с исследований микробной экологии всего 20 лет назад.
Центр микробиома One Health в Пенсильванском государственном университете, размещённый в Институте наук о жизни Хака, сегодня является одним из крупнейших и наиболее активных междисциплинарных коллективов исследователей микробиома, насчитывающий более 550 членов, включая преподавателей, научных сотрудников, студентов и сотрудников Пенсильванского государственного университета, представляющих 42 кафедры в 10 колледжах по всему университету, и внешних партнёров.
Центр стремится налаживать долгосрочные рабочие отношения, одновременно обеспечивая инфраструктуру и ресурсы для поддержки преобразующих междисциплинарных исследований микробиома. Шесть месяцев назад центр получил международную награду за свой вклад в микробиологию, и его посетил президент Пенсильванского государственного университета Нили Бендапуди, описав это в своей «Заметке от Нили: Пенсильванский государственный университет в авангарде исследований микробиома».
Недавно члены центра из семи кафедр опубликовали статью в журнале mBio, объясняя, как «концепция One Health» может раскрыть весь потенциал микробиомов для улучшения глобального здоровья и устойчивого управления экосистемами.
Сет Борденштейн, Дорothy Foehr Huck и J. Lloyd Huck Endowed Chair в науках о микробиоме, директор Центра микробиома One Health и профессор биологии и энтомологии:
«Термин „One Health“ появился сравнительно недавно, но концепция существует уже некоторое время. Он описывает подход к здоровью человека, который учитывает наши связи с сельским хозяйством и окружающей средой. Мы хотели использовать One Health как часть названия нашего центра, чтобы отличаться от множества других центров микробиома, которые были созданы за последние 15 лет, и как показатель нашего стремления объединить и разрушить разрозненность наук о микробиоме. В этой области всё очень фрагментировано: учёные-растениеводы изучают растительные микробиомы, учёные-люди изучают человеческие микробиомы и так далее».
С помощью Центра микробиома One Health в Пенсильванском государственном университете мы доказываем, что изучаем микробиомы всего сущего и что должны существовать общие правила, развитие рабочей силы и образовательные программы, которые распространяются на все эти экосистемы: от сельского хозяйства до окружающей среды и человека.
Исторически сложилось так, что концепция One Health развивалась как отдельная область, отдельная от наук о микробиоме. Она продвигает междисциплинарный подход, но её основное внимание было сосредоточено на патогенах, таких как появление ВИЧ у приматов или SARS-CoV-2 у летучих мышей. Пришло время обновить этот подход, включив в него все микроорганизмы и, что наиболее важно, признать благотворную роль, которую микроорганизмы играют во многих аспектах нашей жизни.
Николин Джиннан, менеджер исследовательских проектов Центра микробиома One Health: «Я действительно надеюсь, что это расширение концепции One Health поможет нам понять глобальное здоровье с точки зрения благополучия и устойчивости. Помимо изучения распространения, когда патогены перемещаются между различными системами, как это происходит с COVID, нас интересует, как другие микробы, в том числе потенциально полезные, перемещаются между „разрозненными“ системами. Если мы сможем это понять, мы сможем предотвратить болезни и сосредоточиться на благополучии. Мы можем использовать эту концепцию для продвижения сравнительных и интегративных исследований в различных системах».
Эрика Ганда, доцент кафедры микробиома продуктивных животных: «Как ветеринар — особенно когда речь идёт о системах производства продуктов питания — мы сосредоточены на том, чтобы наши животные были здоровы, чтобы у нас было здоровое продовольствие. Расширение концепции One Health может помочь нам оптимизировать здоровье животных, производство и устойчивость нашего продовольственного снабжения».
Джиннан: «Первоначально микробиом считался скорее инструментом, чем отдельной дисциплиной. Учёный-растениевод мог измерить микробиом, чтобы узнать что-то о конкретном растении, которое его интересовало, но по мере развития этой области мы осознали решающую роль, которую микробы играют в здоровье во всех системах. Мы хотим сделать науки о микробиоме полноценной дисциплиной, разрабатывая основополагающие принципы и теории. Для этого мы должны проводить сравнения в разных системах, чтобы начать раскрывать общие правила и процессы».
Борденштейн: «Глядя на корни микробиологии и теории микробов о болезнях, микробы изначально считались только возбудителями болезней. В последние пару десятилетий науки о микробиоме пролили свет на тот факт, что, возможно, только 1% человеческих микробов вреден для нас и других животных, остальные 99% полезны или безвредны. Итак, если мы хотим решить долгосрочные проблемы в области здравоохранения и устойчивого развития в любой экосистеме — нашем организме, сельскохозяйственном производстве или окружающей среде — мы не можем просто сосредоточиться на патогенах, нам нужно расширить кругозор, включив в него всех микробов».
Борденштейн: «Каждая среда, о которой вы только можете подумать — наш кишечник, корни растений, созданная человеком среда, почва, кожа амфибий — повсеместно будет иметь микробиом, определяемый сообществом микроскопических организмов. Революция микробиома была определена путём профилирования разнообразия микроорганизмов в этих сообществах. Призыв к действию в отношении наук о микробиоме One Health заключается в том, что мы поймём здоровье системы, только зная не только то, что находится в этой среде, но и то, как микробы распространяются по этим средам, формируя риск для здоровья и болезней».
Ганда: «Подумайте обо всех листьях, которые падают на землю каждую осень. Если бы не экосистемные услуги, предоставляемые микроорганизмами, которые живут на листьях и в почве, мы бы купались в листьях. Микробы — это конечные переработчики».
Джиннан: «Правильно, почва полна микробов. Подсчитано, что 50% всего биоразнообразия на Земле обитает в почве. Так что как исследователь микробиома растений и почвы я хочу, чтобы люди думали о микробиомах шире. Они повсюду вокруг нас и влияют на нашу жизнь, поскольку микробы перемещаются между средами, от почвы к растениям и животным и обратно».
Борденштейн: «Мы можем думать о борьбе с патогеном с помощью антибиотика или противовирусного средства, мы думаем о наблюдении за болезнями и попытках решить эти проблемы на ранней стадии, но идея о том, что мы можем структурировать микробиом в среде или в нашем организме для предотвращения болезни, сейчас находится в центре внимания наук о микробиоме и является частью этой концепции того, что поле будет делать по-другому».
Джиннан: «Инженерия микробиомов — это один из подходов, но в сельскохозяйственных науках мы в основном сосредоточены на управлении микробиомами. Мы думаем о микробиомах как о способе повышения устойчивости. Современное сельское хозяйство во многом полагается на синтетические удобрения, которые могут нарушить естественные взаимодействия между растениями и микробами, снижая зависимость растений от микробных партнёров, которые перерабатывают питательные вещества в почве».
Ганда: «Для коров и других жвачных животных, например, питание животных зависит от управления микробами, которые живут в их кишечнике. Вы можете спросить, как коровы могут набирать вес, питаясь только травой, в то время как людям говорят есть листья, когда они хотят похудеть. Это потому, что микробы в коровах позволяют им получать энергию из травы, а у нас нет большинства этих микробов».
Борденштейн: «Одна из серьёзных проблем заключается в том, что финансирующие агентства структурированы таким образом, что они не очень хорошо подготовлены к тому, чтобы извлечь выгоду из темы конвергенции, имеющей решающее значение для междисциплинарных исследований. Из трёх крупных агентств Национальный научный фонд США ориентирован на фундаментальную науку, Национальные институты здравоохранения (NIH) — на человеческую науку, а Министерство сельского хозяйства США (USDA) — на сельскохозяйственную науку».
Джиннан: «Пенсильванский государственный университет очень поддерживает междисциплинарные исследования, и в центре мы работаем над этим через командную науку. Мы хотим, чтобы междисциплинарные группы работали вместе с самого начала, когда они только разрабатывают вопросы, которыми будут руководствоваться в своих исследованиях».
Борденштейн: «Мы — единственный в мире Центр микробиома One Health, и мы получили признание благодаря этому. Пенсильванский государственный университет принял решение около 10 или 15 лет назад инвестировать в науки о микробиоме, нанимая выдающихся исследователей на раннем этапе карьеры, и эти инвестиции окупаются в виде творческих междисциплинарных исследований, которые мы проводим сегодня и будем проводить в течение многих десятилетий».