Мікробіом Дедалі більше наших кишкових бактерій втрачається Спектр науки
Мікробіом: Наше різноманітність кишечника знаходиться під загрозою
Живий кораловий риф, де різноманітні риби та інші морські жителі пливуть у сліпучому підводному світі. Або тропічний тропічний ліс, в тьмяно-зеленому кольорі якого ховаються найрізноманітніші мешканці - від метеликів до жаб і від папуг до горил. Такі образи приходять на думку спочатку, коли мова йде про особливо різноманітні спільноти, сповнені тонко сплетених стосунків.
З іншого боку, навряд чи хтось може подумати про свій кишечник на цю тему. Він містить одну з найскладніших екосистем, які відомі вченим. Там живуть мільярди і мільярди мікробів, і їх складна взаємодія має далекосяжні наслідки для здоров’я людини. Але як і рифи та ліси світу, це середовище існування також, здається, змінюється, так що деякі види стають рідкішими. Але що, якщо в результаті втрачаються також важливі з медичного боку функції та генетична інформація? Щоб запобігти цьому, в даний час вчені будують колекції, в яких на майбутнє слід зберегти якомога більшу частину мікробного різноманіття: такий собі Ноїв ковчег для кишкових мешканців.
Є достатньо кандидатів, які могли б увійти на борт. За підрахунками, кожна людина переносить у своєму організмі приблизно в 1,3 рази більше бактерій та інших мікроорганізмів, ніж власні клітини. Загалом є кілька сотень грамів співмешканців, більшість з яких живуть у товстій кишці.
Дослідження мікробіомів процвітають
В одному грамі вмісту кишечника міститься близько 100 мільярдів мікробів, які зв’язані між собою та своїм господарем за допомогою різноманітних взаємозв’язків. Вони змагаються і співпрацюють між собою, використовують багатий запас їжі в кишечнику і перетворюють важко засвоювані компоненти в нові сполуки. Сотні видів мікробів виділяють тисячі речовин, які мають найрізноманітніші дії на організм і, таким чином, мають великий вплив на його здоров’я. Експерти називають цілісність усіх цих мікробних співмешканців, включаючи їх місця існування та екологічні функції, «мікробіомом».
Дослідження власної екосистеми цього тіла останнім часом спостерігають справжній бум. Щороку на цю тему з’являються тисячі наукових публікацій. "Це тому, що завдяки сучасним методам генетичний склад цих організмів можна проаналізувати набагато швидше та ефективніше, ніж десять років тому", - пояснює Олександр Лой з Віденського університету. Він є співзасновником Австрійської ініціативи мікробіомів (AMICI), в рамках якої вчені з різних дисциплін намагаються краще зрозуміти спільноту в кишечнику та його функції. "Ми хочемо з'ясувати, як окремі види працюють разом, які речовини вони виділяють і що роблять", - пояснює дослідник. "І звичайно, нас цікавить, чи є зв'язок з певними захворюваннями".
Однак розгадати все це - складна справа. Першим кроком є дослідження зразків калу на мікробну ДНК, створення своєрідного опису організмів, що в них живуть. Генетичний аналіз, необхідний для цього, зосереджений насамперед на вивченні послідовності будівельних блоків ДНК у так званому гені 16S рРНК. Ця послідовність дозволяє особливо добре відрізнити різні типи бактерій.
"Це велике розмаїття кишкових мешканців пояснюється тим, що в цій екосистемі є ніші для найрізноманітніших вимог" (Олександр Лой)
Під час таких обстежень виявляються нові, поки невідомі кишковики. Наприклад, група під керівництвом Семюеля Форстера з британського інституту досліджень генома Wellcome Sanger Institute поблизу Кембриджа нещодавно виявила 273 різних типи бактерій у фекаліях 20 людей з Великобританії та Канади. Адже 105 із них ніколи раніше не були ізольованими.
"Велика різноманітність кишкових мешканців пов'язана з тим, що в цій екосистемі є ніші для найрізноманітніших вимог", - пояснює Олександр Лой. Наприклад, хоча деяка кількість кисню все ще доступна безпосередньо на слизовій оболонці кишечника, яка добре забезпечена кров’ю, її не вистачає всередині товстої кишки. Відповідно існують лише анаеробні бактерії, які пристосували свій метаболізм до безкисневих умов.
Кишкові організми - великі невідомі
Однак один і той же вид живе не у всіх людей. Залежно від способу життя, навколишнього середовища та генетики, кожен кишечник має свою власну, індивідуально складену спільноту мікробів. Справа ускладнюється ще більше, оскільки кожен вид також складається з різних племен. І кожен носить із собою своє особисте поєднання.
"На жаль, неможливо відокремити ці штами за допомогою звичайних генетичних аналізів", - говорить Лой. Наприклад, ген 16S рРНК не виявляє, чи живуть в кишечнику людини широко поширені нешкідливі штами бактерії кишкової палички, чи це патогенні варіанти. "Таким чином ми можемо дізнатися щось про склад мікробної спільноти, але не про її функції", - пояснює дослідник. Тим більше, що від 40 до 70 відсотків усіх генів, що знаходяться в кишкових організмах, ніхто не знає, за що саме вони відповідають. "Це все ще великий будівельний майданчик".
Функції окремих кишкових мешканців особливо цікаві, коли справа стосується здоров'я людини. Все більше стає очевидним, що маленькі співмешканці можуть впливати на найрізноманітніші аспекти обміну речовин, імунної системи та навіть поведінки. Ваш метаболізм перетворює цукор, білки та жири з їжі на менші молекули, такі як оцтова, пропіонова та масляна кислоти з коротколанцюговими жирними кислотами. Потім вони всмоктуються через слизову оболонку кишечника і транспортуються до різних інших органів через кров. Ацетат, сіль оцтової кислоти, таким чином досягає мозку, наприклад, де він зв’язується з певними рецепторами і, таким чином, викликає відчуття ситості, серед іншого.
Знімачі з кишечника
Але зв’язок з різними захворюваннями також обговорюється знову і знову. Люди, які страждають на хронічне запалення кишечника, діабет II типу або аутизм, мають інший мікробіом, ніж здорові люди. "Однак це не обов'язково означає, що ці захворювання викликаються зміненою бактеріальною спільнотою", - пояснює Олександр Лой. Теоретично могло б бути так, що розвиток протікає у зворотному напрямку: спочатку хвороба спалахує, це змінює умови життя в кишечнику, а потім, нарешті, мікроорганізми реагують на це. "Часто непросто з'ясувати, що є причиною, а що наслідком", - підкреслює віденський дослідник.
Однак у деяких випадках зв’язки чіткі. Якщо кількість нормальних кишкових мешканців знижується за допомогою антибіотикотерапії, патогени, наприклад, часто ризикують. За відсутності конкуренції, вони можуть закріпити себе набагато краще, ніж зазвичай, у цій ситуації, а отже, також завдавати більше шкоди. Це доведено, наприклад, у сумнозвісному лікарняному мікробі Clostridium difficile, який може спричинити дуже сильну, а часом і небезпечну для життя діарею та запалення кишечника.
Але навіть люди, які не приймали антибіотики, можуть мати виснажений мікробіом. У кишечнику міських жителів в промислових товариствах, як видається, мікробного різноманіття менше, ніж у людей з більш традиційним способом життя. Це насамперед пов’язано з харчуванням, яке в останньому часто складається з більш складної хімічної структури і тому вимагає більш різноманітної кишкової площі.
Мікробіом реагує на сезонні відмінності
Це виявили Семюель Смітс із Стенфордського університету в США та його колеги, наприклад, коли досліджували мікробіом Хадза в Танзанії (PDF). Для цих мисливців та збирачів склад бактеріального співтовариства змінюється протягом року. У них найбільша різноманітність мікробів у посушливий сезон, коли меню різноманітніше і містить більше м’яса, ніж у сезон дощів. Очевидно, мікробіом реагує на такі сезонні відмінності, так що види завжди активні, що можуть зробити найбільше за допомогою відповідної дієти. Якщо раціон змінюється, деякі види стають настільки рідкісними, що їх більше неможливо виявити у фекаліях. Вони не з’являться знову до наступного сезону.
І, здається, саме ці гнучкі організми в сучасному суспільстві занепадають. Це те, що з’ясували дослідники, порівнюючи свої дані з Танзанії з даними про людей з 16 інших країн з різним способом життя. Тож чи втрачають люди в сучасному суспільстві частину тих сусідів по кімнаті, з якими їх пов’язують сотні тисяч років спільної еволюційної історії? І чи може це бути однією з причин того, чому такі способи життя, як запальні захворювання кишечника, ожиріння, астма, діабет та алергія, зростають?
Досить багато мікробіологів вважають це цілком можливим. Є дані, що бідніша кишкова спільнота в ранньому дитинстві представляє вищий ризик таких захворювань. І оскільки все більше людей у всьому світі тягнуть до міст та сучасного способу життя, ця тенденція може посилитися в майбутньому. Ось чому експерти не хочуть стояти поруч і спостерігати за зменшенням мікробіологічної спадщини людства.
Бібліотеки для мікробів
Близько десятка вчених навколо Марії Глорії Домінгес-Белло з Університету Рутгерса в американському штаті Нью-Джерсі об'єдналися, щоб сформувати міжнародну ініціативу "Мікробіотичне сховище". Ви виступаєте за створення міжнародної установи, в якій мікробіологічні зразки з усього світу можуть бути назавжди заморожені у безпечному та політично нейтральному місці. Модель - Глобальне сховище насіння Шпіцберген на острові Шпіцберген, де насіння зберігаються з 2008 року з метою збереження різноманітності культур на землі.
Дуже подібним чином “рятувальний човен для бактерій” надалі допоможе зберегти та дослідити різноманітність співмешканців в людському тілі. "Ми повинні краще розуміти, які штами зникають у людських популяціях і які функціональні та патологічні наслідки це має", - підкреслювали деякі провідні думки ініціативи у 2018 році в журналі Science.
"Ми винні майбутнім поколінням мікробів, які наші предки колонізували протягом принаймні 200 000 років людської еволюції" (провідні дослідники мікробіомів у "Науці")
Зрештою, більше половини світового населення вже живе в міському середовищі. І побоюється, що там можуть загубитися кишкові мешканці, важливі для здоров’я людини. Але цього не можна прийняти. "Ми винні майбутнім поколінням мікробів, які наші предки колонізували принаймні за 200 000 років людської еволюції", - пишуть дослідники. Найголовніше - зберегти мікробіоми різних людських суспільств у всьому світі. І особливо тими, хто ще не дотримувався тенденції до міського життя. На це може не залишитися багато часу, підкреслюють вчені: "Ми повинні починати, поки не пізно".
Перші кроки на цьому шляху вже зроблені. Ерік Алм, Матьє Груссін, Матільда Пойє та Айнара Сістіага з Массачусетського технологічного інституту (MIT) в Кембриджі, США, в 2016 році запустили чергову ініціативу щодо захисту мікробів - Глобальну захист мікробіомів (GMC). Зараз тут спільно працюють експерти близько 70 наукових та медичних установ у всьому світі. Залучений широкий спектр вчених з різних дисциплін - від мікробіологів та медиків до антропологів до екологів та еволюційних біологів. Разом вони намагаються зібрати та зберегти якомога більше різноманітності життя з кишечника людини.
Співробітники GMC розпочали свою бібліотеку бактерій з більш ніж 7600 зразків кишечника здорових мешканців Північної Америки. Далі вони зібрали та заморозили близько 4000 штамів бактерій з непромислово розвинутих товариств в Арктиці, Канаді, Камеруні та Танзанії. Зараз колекція зросла, включаючи понад 11600 зразків бактерій з 23 популяцій людей по всьому світу. І робота триває. Дозволи на колекції в Гані, Руанді та Малайзії вже є.
Кожна людина зберігає права власності на свої мікроби
Щоб отримати більше пасажирів для замороженого ковчегу, дослідники хочуть співпрацювати з якомога більшою кількістю різних людей по всьому світу - особливо з представниками корінних народів. Вони наголошують, що будь-який учасник, який передає свої фекалії на проект, зберігає право власності на свої мікроби. Крім того, це має бути відкрита і некомерційна колекція, до якої має доступ кожен зацікавлений вчений. Якщо одного дня з колекції можна розробити ліки чи інше використання, країни походження донорів також повинні отримати вигоду.
"Це все важливі моменти, які слід враховувати в такій колекції", - підкреслює Олександр Лой. Загалом, він вважає зусилля GMC дуже корисними. У всьому світі вже існує кілька великих колекцій штамів бактерій, які також містять кишкових мешканців. Наприклад, у Німеччині дуже обширна колекція зберігається в Інституті Лейбніца DSMZ - німецька колекція мікроорганізмів та клітинних культур у Брауншвейзі; подібні установи є, наприклад, у США та Японії. "Однак поки що в цих колекціях міститься значно більше людських племен з промислово розвинутих країн", - пояснює Лой. «Ми не знаємо так багато про мікробіоми в країнах, що розвиваються». Він вважає, що тим більш розумним є скорочення цього розриву та систематичне збирання зразків з різних регіонів світу.