Людина та її бактерії NZZ

Кілька трильйонів бактерій живуть на людях і виконують там життєво важливі завдання. Хоча видовий склад може сильно відрізнятися від людини до людини, весь геном, який приносить із собою населення, дуже схожий.

Бактерії кишкової палички добре почуваються в кишечнику людини. Знімок зроблений за допомогою скануючого електронного мікроскопа. (Зображення: NIH/Wikipedia)

Коли геном людини був повністю секвенсований у 2003 році, багатьом здавалося неймовірним, що така складна істота, як люди, могла управляти лише 30000 генами. Для цих людей, безумовно, заспокійливо чути, що це не так. Оскільки без приблизно 100 трильйонів (10 14) бактерій, які колонізують людей, вони не були б життєздатними, принаймні не в тому вигляді, який існує сьогодні. Скрізь на шкірі, у роті або в кишечнику гігантська кількість бактерій утворює невеликі процвітаючі екосистеми. Вони харчуються людськими відходами, розщеплюють неперетравну клітковину, виробляють деякі важливі вітаміни та підтримують свого господаря в захисті від хвороботворних бактерій. Ось чому деякі вчені також розглядають людей як свого роду надорганізм, який складається з багатьох клітин людини і приблизно в 10 разів більше клітин бактерій. Якщо дивитись таким чином, бактеріальний геном розширить геном людини приблизно до 30 мільйонів генів. Однак до сьогоднішнього дня мало що відомо про вплив, який ці гени та їх носії справді мають на людину. Але це тема зростаючого дослідницького напрямку.

Бактерії кишкової палички добре почуваються в кишечнику людини. Знімок зроблений за допомогою скануючого електронного мікроскопа. (Зображення: NIH/Wikipedia)

Бактерії колонізують немовлят

Колонії бактерій, які колонізують людину, унікальні для кожної особини. Як виникають ці відмінності - наприклад, з точки зору дієти, генетичних особливостей людини чи випадкового впливу мікроорганізмів - все ще залишається предметом спекуляцій. Деякі захворювання, такі як хронічне запальне захворювання кишечника або вторгнення патогенних бактерій, пов’язані з порушенням внутрішнього балансу в бактеріальній екосистемі. На сьогодні найкраще досліджене бактеріальне суспільство людини - це кишкова флора, вона вважається найбільш густо заселеною з усіх відомих екосистем, і за її підрахунками проживає приблизно 500-1000 різних видів та близько 7000 підвидів. Випадковість і чисельне співвідношення видів складають індивідуальний профіль, так би мовити особистий відбиток пальця, людини.

Патрік О. Браун і Чана Палмер з Медичної школи Стенфордського університету в Каліфорнії досліджували, як виникає індивідуальне бактеріальне суспільство. Для цього вони регулярно аналізували бактерії у зразках стільця у 14 немовлят від народження до дворічного віку. Тому що, як тільки дитина народжується із стерильного середовища в утробі матері, бактерії різних родів і видів завойовують все ще повністю перелогі ділянки. Було показано, що кожна дитина з самого початку мала дуже особистий склад, який, хоча і змінювався з часом, завжди зберігав безпомилково індивідуальний профіль.

Паралельні коливання у виникненні та зникненні окремих видів у дизиготичній парі близнюків свідчать про те, що генетика та випадкові контакти з різними середовищами відіграють певну роль у колонізації. Перші іммігранти походили з резервуару матері бактерій, як це показують порівняння із зразками їх піхви, стільця та грудного молока. Приблизно через рік усі немовлята мали відносно подібний профіль, стаючи дедалі більше схожими на профіль типового дорослого бактеріального суспільства. Перехід на тверду їжу представляв собою чіткий перелом з дитячого бактеріального суспільства на типову кишкову флору дорослих. Бактерії ідеально пристосовуються до умов у кишечнику, проте індивідуальний профіль, але також схожість між ними, залишається Члени сім'ї існують роками. Останнє показують результати нещодавно опублікованого дослідження, в якому взяли участь 31 монозиготний та 23 дизиготний дорослі близнюки та їх матері.

Дослідники з групи Джеффрі Гордона з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі змогли показати, що кишкова флора між членами сім'ї більш схожа, ніж у неспоріднених людей. Схожість між однояйцевими близнюками була найбільшою, така, що між двояйцем лише трохи менша, а з матерями дещо більша. Це може припустити, що генетика має менший вплив, ніж загальне середовище, тому що хоча однояйцеві близнюки мають 100 відсотків генів, а дизиготи - лише близько 25 відсотків, схожість між бактеріальними товариствами серед однояйцевих близнюків була лише трохи більшою. Однак якщо взяти до уваги результати інших дослідницьких груп з цієї теми, то однозначної картини досі немає.

Кишкова флора впливає на вагу

Однак у кількох дослідженнях дослідники групи Гордона змогли довести, що дієта сильно впливає на структуру кишкової флори. Вчені протягом декількох років досліджували вплив бактерій на використання енергії у мишей та людей і, серед іншого, показали, що бактерії збільшують всмоктування молекул цукру в кишечнику. Крім того, вони, здається, сприяють засвоєнню жирних кислот у жирових клітинах за допомогою складного і ще не до кінця зрозумілого механізму. Таким чином, багато бактерії допомагають своєму господареві краще використовувати їжу, яку вони їдять. Як у мишей, так і у людей близько 90 відсотків кишкової флори складається з видів бактерій із 2 із приблизно 70 існуючих бактеріальних відділів - Firmicutes і Bacteroidetes. І як вдалося показати дослідникам, дієта має великий вплив на те, які типи бактерій переважають у кишечнику.

Миші, яким було призначено типову західну дієту з високим вмістом жиру та вуглеводів, показали зміни у флорі кишечника протягом декількох тижнів. Як правило, деякі представники певного класу відділу Firmicutes, молікути, не особливо поширені в кишечнику миші. Однак після зміни дієти вони стали значно частішими. Одночасно були пригнічені представники Bacteroidetes. Дослідники також спостерігали накопичення занять Mollicutes у людей у зв'язку з ожирінням. Однак після того, як цих людей посадили на дієту, вони схудли, і одночасно кишкова флора нормалізувалась. Людина може змінити структуру своєї кишкової флори за допомогою дієти.

Але самі бактерії можуть також мати сильний вплив на господаря: вони можуть мати прямий вплив на його вагу. Дослідники показали це, повністю пересадивши бактерії від мишей, яких тижнів годували високоенергетичною дієтою, до тонких мишей, які не мали власної кишкової флори, оскільки їх вирощували в абсолютно стерильних умовах. Хоча худенькі миші підтримували нормальний раціон, після трансплантації вони товстіли, значно більше, ніж миші, які отримували кишкову флору від мишей нормальної ваги. Як вдалося показати дослідникам, це, мабуть, пов’язано з тим, що типи бактерій, які частіше зустрічаються у жирових мишей, перетворюють неперетравну клітковину в легкозасвоювані жирні кислоти набагато ефективніше, ніж у тонких мишей. Окреме бактеріальне суспільство має вирішальний вплив на те, скільки енергії миша отримує з їжею.

Гени як загальні

Нещодавно ті самі дослідники знайшли докази того, що подібні метаболічні відмінності контролюються геномом, який приносять кишкові бактерії, і що між двома особинами на рівні геному є більша схожість, ніж на рівні видів. Для цього у вищезазначеному дослідженні вони дослідили таксономічний та генетичний склад бактерій у зразках калу у 31 однояйцевих та 23 дизиготичних близнюків, які були або жирними, або обома худими, та їх матерів. Як виявилося, різноманітність видів бактерій було явно обмеженим щодо товщини. Очевидно, надмірне надходження їжі призводить до зменшення різноманітності кишкової флори.

Але тепер дослідники хотіли дізнатися, чи існує спільний знаменник у всіх особин, тобто певні види або бактеріальні гени, які завжди представлені. Для цього вони проаналізували весь геном бактерій, так званий мікробіом, у зразках калу від 18 людей - 3 товстих і тонких пар двійнят та їх матерів. Аналіз показав, що насправді було більше подібності на рівні генів, ніж на рівні видів. Отже, здається, що різні типи бактерій з однаковими генами виконують дуже подібні функції в кишечнику. Потім дослідники порівняли мікробіоми товстих людей з худими, було виявлено, що певні бактеріальні гени значно частіше зустрічаються у людей із ожирінням, особливо тих, які розщеплюють вуглеводи.

Генетичний склад бактерій визначає, наскільки ефективно людина використовує свою їжу. Людина може за допомогою дієти контролювати, які види або які бактеріальні гени частіше зустрічаються в кишечнику, а це, в свою чергу, впливає на те, скільки енергії людина поглинає. Як саме відбувається ця взаємодія між бактеріальними та людськими клітинами в людському суперорганізмі та чи можна ці ефекти застосовувати на додаток до дієти, поки не відомо. Однак подальші знання та можливі програми можуть перетворитися на прибутковий бізнес у ситому суспільстві з огляду на зростання витрат на охорону здоров'я.