CSI: Muchomorek, czyli bioatlas dla kryminalnych

Kurz w domu większość ludzi raczej irytuje, jednak dla naukowca może być prawdziwą kopalnią informacji. Na podstawie sekwencjonowania tysięcy próbek powstał genetyczny atlas mikroświata USA. Materiał był zbierany w społecznej akcji, a analiza wyników pozwoli odpowiedzieć na wiele ważnych pytań. Od poznania bioróżnorodności, badanie przyczyn chorób po kryminalistykę.

W wielu przypadkach zbieranie materiału doświadczalnego jest niezwykle uciążliwym i pracochłonnym zajęciem. Szczególnie, gdy badanie ma objąć kraj zajmujący sporą część kontynentu. W takich sytuacjach można poprosić o pomoc społeczeństwo. Wprawką dla szeroko zakrojonej akcji był projekt BellyButton Biodiversity z 2011 roku. Wstępna analiza zawartości pępków uczestników pozwoliła oznaczyć 2400 żyjących z nami mikrobów, z czego 1500 nie było wcześniej znanych nauce. Projekt uruchomiony został na platformie Your Wild Life, której zadaniem jest połączenie edukacji z eksploracją mało poznanych, a jednocześnie najbliższych aspektów naszego życia.

Po nas samych przyszła kolej na nasze najbliższe otoczenie. W 2012 rozpoczął się projekt Wild Life of Our Homes. Przez rok prawie półtora tysiąca uczestników za pomocą otrzymanych od naukowców narzędzi (BBL  CultureSwabs) pobrało próbki kurzu z 9 miejsc w swoich mieszkaniach. Szczególną wartość ma kurz zbierany z obu stron górnej futryny drzwi wejściowych. Założono, że miejsce jest rzadko sprzątane i ma kontakt zarówno ze środowiskiem zewnętrznym, jak i wnętrzem domu. Pobrane próbki odesłano i zostały one przekazane do badań.

Z tych miejsc ochotnicy zebrali próbki w ramach projektu Wild Life of Our Homes

Analizami zajmuje się wiele zespołów. Jeden z ciekawszych projektów prowadzi Neal Grantham z North Carolina State University. Zespół sekwencjonował próbki zbierane z zewnętrznej futryny pod kątem identyfikacji grzybów. Założeniem jest skonstruowanie narzędzia dla laboratoriów kryminalistyki i sądów. Za jego pomocą będzie można ustalić miejsce, w którym przebywał dany przedmiot lub osoba (lub to, co z niej zostało...).

Idea opiera się na założeniu, że każde miejsce jest w jakiś sposób charakterystyczne pod względem występujących tam organizmów. Pomysł nie jest nowy, opiera się na nim powstała w latach 40 XX wieku palinologia sądowa, zajmująca się identyfikacją pyłków roślin i zarodników grzybów. Za pomocą mikroskopu specjalista identyfikuje pyłki i zarodniki z próbki. Następnie stara sie dopasować wynik do miejsca. Palinologia sądowa posiada jednak pewne ograniczenia: w próbce musi znajdować się dużo materiału pochodzącego z charakterystycznego regionu, sporo zależy też od wiedzy eksperta.  Dlatego też, mimo pewnych sukcesów, metoda jest rzadko wykorzystywana. 

Do obejścia problemu można wykorzystać grzyby i nowoczesną technologię. Jest oznaczonych ponad 100 tysięcy gatunków tych organizmów, wiele wciąż nie jest znana nauce. Niektóre z nich występują w określonych miejscach lub ekosystemach. Zespół Granhama wykorzystał sekwencjonowanie wysokiej przepustowości (Illumina Hi-Seq). Do identyfikacji posłużył fragment sekwencji operonu rRNA grzybów, często wykorzystywanego do ich oznaczania. W ten sposób każda z pobranych próbek dostała swój „grzybowy profil”, na który składało się średnio 727 taksonów.

Na tej podstawie stworzono statystyczny model, który przewiduje miejsce zebrania próbki. Jest cały czas rozwijany, jednak wstępna wersja w 5% przypadków była w stanie zidentyfikować lokalizację z dokładnością poniżej 58 km. Zauważono, że metoda jest bardziej skuteczna dla regionów miejskich. Mediana błędu wynosiła 230 km, a dla terenów zurbanizowanych 190 km. Kluczem do poprawy skuteczności jest dopracowanie algorytmu przewidującego i zebranie większej ilości próbek. Jest wtedy większa szansa na znalezienie charakterystycznych taksonów i wzorów ich występowania. 

Zasada działania algorytmu wykorzystującego twierdzenie Bayesa do łączenia próbki z miejscem pochodzenia (Grantham i inni, 2015)

Do analiz można też włączyć nie tylko grzyby, ale też bakterie czy stawonogi. Wykorzystać można dane opracowywane przez zespół Noaha Fierera, który analizuje próbki z tego samego projektu, ale w szerszym ujęciu. W próbkach oznaczyli nie tylko grzyby (tą samą metodą co zespół Granhama), ale też bakterie, wykorzystując region hiperzmienny V4 genu 16s rRNA (Nic Prostszego wyjaśnia, dlaczego jest do tego używany). Wyniki posłużyły do stworzenia mapy mikrobiologicznej USA, odpowiednika mapy botanicznej tworzonej 150 lat temu.

Analiza statystyczna u ujawniła kilka ciekawych obserwacji. Na przykład bakterie i grzyby żyjące w terenach miejskich, wbrew obecnym przekonaniom, wcale nie różnią się drastycznie od tych spotykanych na wsiach. Jednak wpływ urbanizacji jest wyraźnie zauważalny – próbki z terenów silnie zurbanizowanych do siebie dość podobne.

Występowanie grzybów rodzaju Cladosporium na podstawie analizy zebranych próbek (Barberan i inni, 2015)

Dzięki opracowaniu mapy będą możliwe dalsze badania, na przykład poszukiwanie powiązań zachorowań na astmę czy alergię z konkretnymi typami bakterii czy zarodników grzybów unoszących się w danym rejonie. A jest co badać, bo pojedyncza próbka zawierała 4700 filotypów bakterii i 1400 grzybów (łącznie we wszystkich próbkach wykryto odpowiednio 112000 i 57000 filotypów). O skali może też świadczyć fakt, że wykrytych 74% taksonów grzybów nie zostało opisanych (nie ma ich „znaczników” w genetycznych bazach danych).

Użycie coraz tańszych metod genetycznych dzięki wysokiej automatyzacji i analizie statystycznej daje dużą przewagę nad dawnymi pracami. Lider projektu Your Wild Life Rob Dunn ma też nadzieję, że włączenie społeczeństwa w aktywne prowadzenie badań, aby nie oglądali pacy naukowców przez szybę. Ta aktywność nie ogranicza się jedynie do zbierania próbek. Na platformie Your Wild Life fo Our Homes udostępniane są wstępnie opracowane wyniki badań i dane w specjanym formacie, które można przeglądać za pomocą narzędzia do wizualizacji Phinch (http://homes.yourwildlife.org/data-visualization/). 

Autorzy zachęcają do dzielenia się z naukowcami obserwacjami i znalezionymi zależnościami. Dla przykładu we wstępnych badaniach części próbek z 2013 roku wykazano zależność pomiędzy obecnością w domu psa a wykryciem określonych bakterii na poduszkach i ekranie telewizora. Co ciekawe, nie wykryto takich zależności w przypadku kotów... 

Różnice w podejściu do problemu specjalistów i osób spoza branży mogą być bardzo owocne. Obsługa została zaprezentowana na filmie:

Użycie coraz tańszych metod identyfikacji genetycznej daje dużą przewagę nad dawnymi metodami, szczególnie dzięki szybkości i wysokiej automatyzacji. Otrzymujemy ogromne ilości danych, jednak to ich analiza jest wąskim gardłem. W końcu ktoś musi wymyślić, jak wykorzystać zgromadzone informacje, napisać algorytm do analizy statystycznej i zinterpretować wyniki. Włączenie społeczeństwa w proces badania może być odpowiedzią na przynajmniej część problemu. W dodatku poznanie metod pracy naukowców pomoże zrozumieć sens ich pracy i przełamać wciąż rosnące uprzedzenia. 

opracowanie: Seweryn Frasiński

źródła:

www.biotechniques.com

artsandsciences.colorado.edu

www.yourwildlife.org

S. Grantham, B.J. Reich, K. Pacifici, E.B. Laber, H.L. Menninger, J.B. Henley, et al., Fungi Identify the Geographic Origin of Dust Samples., PLoS One. 10 (2015) e0122605. doi:10.1371/journal.pone.0122605.

R.R. Dunn, N. Fierer, J.B. Henley, J.W. Leff, H.L. Menninger, Home life: factors structuring the bacterial diversity found within and between homes., PLoS One. 8 (2013) e64133. doi:10.1371/journal.pone.0064133.

A. Barberán, J. Ladau, J.W. Leff, K.S. Pollard, H.L. Menninger, R.R. Dunn, et al., Continental-scale distributions of dust-associated bacteria and fungi, Proc. Natl. Acad. Sci. (2015) 201420815. doi:10.1073/pnas.1420815112.