Микробиом. То, что убивает, и то, что делает нас сильнее - Игорь Олегович Стома
Как только начали применять метод секвенирования для анализа микробных сообществ в теле человека, оказалось, что значительное количество микробов, например в кишечнике, никогда до этого не изучалось, их функция, свойства и название остаются неизвестными. Тот есть внутри нас – много неизведанных микроорганизмов, так называемая «темная материя[1] микробиологии», изучить которую еще предстоит.
Рис. 2. Адаптировано из Grall N, et al. EMC Biologie, 2017
Если упростить, то около 40 % представителей микробиома обитает в желудочно-кишечном тракте, 20 % – в полости рта, 18–20 % – на кожных покровах, 15–16 % в ротоглотке и 2–4 % в урогенитальном тракте у мужчин; у женщин же на вагинальный биотоп приходится в районе 10 % представителей всех микробов организма.
Микробиом кишечника человека состоит из приблизительно 100 триллионов бактерий, принадлежащих нескольким сотням различных видов. Микробиом включает четыре основных типа бактерий, охватывающих более 90 % общей популяции микроорганизмов, а именно Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria, а также ряд более редких типов (Verrucomicrobia и Fusobacteria). Общая плотность бактерий больше в толстой кишке, чем в тонком кишечнике.
1.2. Зачем мы нужны микробам?
Наши тела являются планетами для жизни наших микробов. Очевидно, что им выгодно поддерживать в нас жизнь – взамен они получают стабильную среду обитания, с устойчивой температурой, влажностью, уровнем pH и прочим показателями, к которым они привыкли. Организм человека формирует комфортный климат для проживания микроорганизмов. Более того, пища, которую мы употребляем, является пищей не только для нас, но и для наших бактерий. Вплоть до того, что по составу микробиома кишечника можно с высокой долей вероятности предположить, какая диета преобладает у человека, любит ли он сладкое и так далее.
1.3. Зачем микробы нужны нам?
Функции, которые выполняют микробы, разнообразны. Современный человек не смог бы выжить в безмикробном мире.
В рамках проекта изучения микробиома человека в США был проведен одновременный анализ состава и биохимической активности микробиома у многих людей. То есть определяли функции бактерий в разных участках тела человека (верхние и нижние дыхательные пути, верхние и нижние отделы ЖКТ, половые органы). Что же выяснили? Несмотря на различный видовой состав микробиома человека в различных локализациях, метаболические пути бактерий остаются практически неизменными. Это в очередной раз подчеркивает значимость микробиома для биохимических и физиологических функций человека.
Рис. 3
Если проще, то целый ряд функций, которые выполняют в теле человека микробы, мы самостоятельно выполнить не можем, а функции эти являются жизненно важными. Например, биосинтез витаминов и кофакторов, участие в метаболизме углеводов, транспорт олигосахаридов, многоатомных спиртов, фосфатов и аминокислот, синтез АТФ, метаболизм пуриновых и пиримидиновых оснований (необходимых для ДНК) и многое другое. А еще микробы по сути выступают тренерами нашей иммунной системы, о чем мы поговорим далее.
1.4. Как ученые изучают мир микробов?
В 1632 году в городе Делфт (Голландия) родился человек, любопытство которого дало начало микробиологии – Антони ван Левенгук. Его интерес к созданию и усовершенствованию увеличительных линз позволил впервые увидеть микроскопических существ – микробов. Из любопытства он, сделав соскоб налета со своих зубов, смешал его с чистой дождевой водой и рассмотрел под микроскопом. И увидел массу миниатюрных существ, которых он назвал «анималькулюс» («зверушка» по латыни)!
В течение столетий после Левенгука ученые научились разным методам окраски и фиксирования бактерий на предметных стеклах (чтобы они были лучше видны под микроскопом), описали внешний вид сотен микробов, и до сих пор микроскопия с окраской, например по Граму[2], применяется как один из простых, доступных и быстрых методов диагностики инфекций у человека.
Но чтобы рассматривать бактерии в микроскоп, их нужно сначала получить. Это может быть нативный (естественный) материал, как зубной налет, который использовал Левенгук. Но чаще, особенно в медицине, количество бактерий в нативном материале не столь велико, чтобы сразу обнаружить их под микроскопом. И тогда на помощь приходят культуральные методы – выращивание колоний бактерий на питательных средах (культурах). Сначала были среды на основе агар-агара (экстракта водорослей), которые были предложены в 1882 году немецким бактериологом Вальтером Гессе. Но, как мы знаем, у каждой бактерии свои биохимические свойства и свои «вкусы» в отношении питательным сред. Кому-то нужно больше сахара, кому-то больше белка, некоторые предпочитают наличие крови в питательной среде. Со временем были разработаны и появились в продаже десятки разных питательных сред для выращивания разных бактерий. Кстати, даже ваш мобильный телефон может быть успешной питательной средой, например, для микроскопических грибов (Рис 4.).
Рис. 4. Смартфоны как питательная среда в микробиологии
Многие десятилетия всего этого хватало, чтобы изучать бактерии, описывать их свойства.
Позже произошла революция в молекулярной биологии, и появились новые методы исследования. Сначала – полимеразная цепная реакция, а затем секвенирование ДНК и РНК. Эти методы определяют генетические последовательности в образцах и могут выявить не только геном человека, но и гены бактерий, грибов, вирусов. Оказалось, что подавляющее большинство микробов нам не знакомо, мы лишь обнаружили их генетических материал, а до этого мы их не могли высевать на питательных средах. Почему так? Дело в том, что часть бактерий, особенно в кишечнике, не переносит наличие кислорода, часть настолько требовательна к условиям окружающей среды, что не хочет расти в условиях лабораторий. Некоторые бактерии для успешного роста требуют наличия рядом других бактерий, то есть проявляют характер коллективистов и не готовы жить и расти отдельно от друзей и близких. И именно, эта неизведанная часть микробиологии сейчас будоражит умы лучших ученых мира (Рис. 5). Ведь именно здесь может быть ключ к здоровью и долголетию, именно здесь могут быть скрыты новые лекарства, нужные людям!
Рис. 5. Обозримая нижняя часть картины – это пропорция микроорганизмов в кишечнике, которые мы можем выявить классическим культуральным методом (посевом)
Сегодня молекулярная генетика, а именно метод секвенирования нового поколения приоткрыл завесу тайны о неизвестных науке микробах. Более того, этот метод, согласно закону Гордона Мура, будет становиться все эффективнее и доступнее. Снижение стоимости секвенирования происходит уже сейчас, и очень скоро мы увидим,
