Отходы, которые медоносные пчелы выбрасывают в свои ульи, могут дать ценную информацию о здоровье населения наших городов. В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Environmental Microbiome, ученые поделились новым методом сбора микробной информации из окружающей среды с помощью мусора медоносных пчел. Выявление микробов в городе позволяет исследователям получить представление о разнообразии городского микробиома, что может привести к улучшению здоровья населения. Этот метод также может помочь в исследовании бактерий и вирусов, вызывающих заболевания, среди пчел и людей.
Хотя мы не можем видеть микроорганизмы, они играют важную закулисную роль в формировании нашего выживания. Например, микробы в кишечнике человека поддерживают пищеварение, помогают сохранить нашу иммунную систему здоровой и являются первой линией обороны от "плохих" бактерий, вызывающих пищевые отравления и другие инфекции. Как правило, чем разнообразнее микробиом человека, тем выше его здоровье и благополучие. Один из способов увеличить это разнообразие - взаимодействие с внешней средой.
"Многие [микробы] полезны для здоровья человека", - говорит ведущий автор исследования Элизабет Хенафф, доцент центра городской науки и прогресса Нью-Йоркского университета. "Цель этого исследования - понять все разнообразие микробиомов и тех, с которыми мы взаимодействуем в городской среде".
Энафф и ее коллеги знали, что хотят создать микробные карты разных городов, чтобы лучше понять разнообразие в каждом районе. Однако они не были уверены в том, как лучше всего продвигаться вперед. Одной из идей было взять мазок из носа, но было бы непрактично брать мазок у каждого в обширном и разнообразном районе. Кроме того, городские микробиомы могут отличаться от квартала к кварталу, что потребует проведения обширных исследований. Другим вариантом было наблюдение за сточными водами, но исследователи хотели изучить все, с чем городские жители контактируют, а не только то, что они переваривают. Затем наступил момент озарения: они могли бы изучить пчелиные ульи.
Поскольку медоносные пчелы постоянно взаимодействуют с окружающей средой, когда они добывают нектар, они часто переносят некоторые бактерии, грибки и другие микроорганизмы из своих путешествий, когда возвращаются в улей. "Пока пчелы добывают корм, они пересекают все эти микробные облака, связанные с другими аспектами построенной среды", - объясняет Хенафф. "Они пересекают микробное облако пруда, водоема, группы людей, если те оказываются в том же парке, куда они направляются".
Ученые использовали метод, называемый метагеномным секвенированием, для изучения всех генов, обнаруженных в одном образце окружающей среды. Это позволило им сопоставить гены с различными видами микроорганизмов, связанных со здоровьем улья, и, в свою очередь, узнать состояние здоровья пчел. Но сначала им нужно было выяснить, какой образец следует взять из улья.
В рамках пилотного проекта в Бруклине, Нью-Йорк, ученые работали с местными пчеловодами. Они брали образцы меда, прополиса (смолоподобного материала, используемого для покрытия внутренней поверхности ульев), мусора и пчелиных трупов - все, что могло дать наибольшую информацию о микроорганизмах.
Впоследствии они обнаружили, что микробы, обнаруженные в меде и прополисе, были схожи в разных ульях. "Пчелы очень хорошо контролируют микробную среду в своих ульях", - добавляет Энафф. Единственным материалом, который отличался от улья к улью, был мусор, оставшийся на дне улья, и именно его они собирали в следующей серии экспериментов.
Чтобы составить профиль городских микробиомов, команда взяла образцы мусора из 17 ульев из четырех городов мира: Сидней и Мельбурн в Австралии, Токио и Венеция. ДНК, извлеченная из пчелиного мусора, содержала материал из различных источников, включая растения, млекопитающих, насекомых, бактерии и грибки, обитающие в данной местности.
Сбор остатков ульев медоносных пчел для подготовки к извлечению ДНК в The Cooper Union в Нью-Йорке. Каждый город имел уникальный микробный профиль, который давал представление о том, как там протекает жизнь. Единственный улей из Венеции, использованный в исследовании, был наполнен грибками, вызывающими гниение древесины. Хенафф говорит, что эти выводы имеют смысл, поскольку большинство зданий построено на погруженных в воду деревянных опорах. В Австралии в двух мельбурнских ульях было обнаружено большое количество ДНК эвкалипта, а в сиднейском улье - высокий уровень бактерии под названием Gordonia polyisoprenivorans, которая расщепляет резину. В дюжине ульев Токио были обнаружены генетические намеки на лотос и дикую сою - распространенное растение, встречающееся в Восточной Азии. Также был обнаружен высокий уровень дрожжей для ферментации соевого соуса под названием Zygosaccharomyces rouxii.
"Наиболее интересным для меня было то, что [результаты] не казались отрывом от всего остального, что мы знаем об этих городах и их культуре, а были похожи на кусочки головоломки, о существовании которых мы не подозревали и которые вписывались в наше общее представление об этих городах", - говорит Хенафф.
Мусор был также полезен для идентификации микробов, участвующих в здоровье пчел. Команда обнаружила три вида микроорганизмов, выращивающих медоносных пчел - Lactobacillus kunkeii, Saccharibacter sp. AM169 и Frishella perrara - наряду с пятью видами, связанными со здоровьем кишечника насекомых. В разных городах также были выявлены три патогена медоносных пчел.
Далее в исследовании были определены человеческие патогены, которые пчелы могут подхватить, выходя на улицу. Исследователи сосредоточились на информации об ульях, собранной в Токио, поскольку там было больше ульев, чем в других городах, и, соответственно, больше данных для секвенирования ДНК. Они обнаружили две бактерии: одну, которая может вызывать бациллярную дизентерию, и другую, связанную с лихорадкой кошачьих царапин. Затем они взяли возбудителя лихорадки кошачьих царапин, Rickettsia felis, и реконструировали его геном. Это позволило им не только подтвердить наличие этого вида в городе, но и наличие у него молекул, связанных с бактериями, которые позволяют ему распространять болезни.
Профилирование микробиома различных городов может стать дополнительным инструментом для выявления потенциально опасных патогенов у людей, говорит Энафф. Это также может открыть новые способы исследования патогенов, передающихся воздушно-капельным путем, что вызывает растущий интерес после недавнего появления SARS-CoV-2.
Джей Эванс, энтомолог-исследователь из Министерства сельского хозяйства США, не принимавший участия в исследовании, говорит, что новый подход "прекрасен" и может помочь в определении, по крайней мере, микроорганизмов, встречающихся в городской цветочной среде. Однако он высказал оговорки по поводу переоценки некоторых результатов. Эванс отмечает, что один из алгоритмов геномного картирования видов, использованный в исследовании, как известно, "немного жаден", подбирая лучший микроорганизм, доступный в данный момент. Это говорит о том, что некоторые генетические совпадения с бактериями могут не соответствовать действительности, и что для подтверждения их присутствия потребуются дополнительные анализы. Поскольку пчелы могут подбирать неживых попутчиков, таких как пестициды, Эванс также говорит, что исследователям было бы полезно сравнить эти биологические результаты с результатами исследований, посвященных пестицидам, и выяснить, как это влияет на микробиом улья.