Микробиом, кишечник и мозг
Наша планета и все живущие на ней многоклеточные организмы плотно заселены микробами. Наверняка многие слышали, что в теле человека бактерий больше, чем собственных клеток. Для всей этой совокупности живущих в организме бактерий, а также вирусов, грибов, архей вместе с их генетическим материалом существует специальный термин — «микробиом». Микробные сообщества конкретной экологической ниши называют микробиотой: например, кишечная микробиота, микробиота кожи, микробиота ротовой полости. Близкое понятие «микрофлора», широко использовавшееся ранее в медицине, сейчас считается устаревшим, поскольку флора должна иметь отношение к растениям, коих в микробиоме человека не обнаружено. За время совместной эволюции человек и его микробное сообщество стали единой экосистемой, где все элементы связаны друг с другом и каждый из них влияет на всё происходящее в организме. И тем не менее мы до сих пор довольно мало знаем и о микробиомах, и об их роли в нашей жизни. Как же так получилось?
Долгое время все микробиологические исследования проводили классическими методами: с помощью микроскопов, питательных сред и чашек Петри. Но, как выяснилось относительно недавно, в лабораторных условиях можно вырастить не более 5—10% видов бактерий. Дело в том, что на любой, даже самой лучшей питательной среде может вырасти только приспособленный к этим условиям микроорганизм. В неподходящих для данного микроба условиях расти и размножаться он не будет и, соответственно, останется для нас как бы невидимым.
Определённый толчок к более глубокому исследованию микроорганизмов дало изобретение секвенирования — метода расшифровки ДНК. Однако до недавнего времени было возможно прочитать изолированную генетическую информацию (геном) только одного конкретного организма, то есть каждый геном читался отдельно. Развитие методик секвенирования и обработки данных привело к появлению качественно нового решения — учёные научились читать ДНК, полученную не из одного организма, а сразу из нескольких! Такие исследования называются метагеномными. Подобный подход позволяет увидеть всю или почти всю генетическую информацию, содержащуюся в образце, и не требует выделения каждого микроорганизма в отдельности. Поскольку научный мир уже накопил значительный объём знаний о микробах и их генетике, стало возможным идентифицировать остальные 90% неизвестных раньше микроорганизмов. Метагеномные исследования открыли людям новый мир, где микробиомы играют одну из главных ролей. Именно микробиомы объединяют всё живое на нашей планете в единую взаимосвязанную систему, изучать которую фантастически интересно и почти так же сложно.
Человек и микробиом — совместная эволюция
Микробиом представляет собой сложную экосистему, состоящую из сотен видов микроорганизмов, объединённых средой обитания. Пищевые предпочтения и возможности микроорганизмов очень разнообразны, и некоторые, необходимые одному микробу вещества, могут быть токсичными метаболитами для другого. Также важно учитывать, что микроорганизмы взаимодействуют друг с другом — они обмениваются сигнальными молекулами и важными для жизни метаболитами, конкурируют за своё место под солнцем и пищевые субстраты. В чём-то микробное сообщество похоже на социум, где каждый делает часть общей работы, получая и отдавая в общее пространство продукты своего труда. Это сообщество сложилось в ходе эволюции и благодаря миллионам лет естественного отбора идеально приспособлено к условиям жизни, потребностям и возможностям своего хозяина. В тот момент, когда у древних многоклеточных организмов на планете Земля появился первый в истории жизни кишечник, он немедленно был атакован микроорганизмами, попавшими туда с первой порцией еды. Некоторые из них стали пищей, какие-то не нашли для себя никаких выгод и покинули «приют», а другие сочли условия подходящими для существования и остались насовсем.
Выгода микроорганизмов, нашедших дом внутри и на поверхности более крупных живых существ, понятна: они получают некоторое приватное пространство с относительно постоянными условиями среды, доступом к органическим веществам и зачастую — возможность путешествовать в пространстве вместе с носителем. Выгоды хозяина таких поселенцев не столь очевидны. Ведь гости могут начать чувствовать себя уж слишком вольготно и создавать хозяину явные неудобства. Например, станут быстрее хозяина забирать и метаболизировать полезные органические компоненты (таких мы привыкли называть паразитами), а то и хуже — выделять молекулы, токсичные для хозяина (тут речь может идти об инфекционных агентах). Впрочем, за всю историю эволюции и жизни на Земле такие откровенно невыгодные для хозяина взаимодействия стали скорее исключением, чем правилом, и большинство взаимодействий микроб–хозяин относительно нейтральны.
Могло быть и так, что присутствие в кишечнике нового микроба приносило хозяину некоторое преимущество. Например, способность получать из пищи дополнительную энергию для жизни и материю для строительства тела. Все биохимические реакции в организме, в том числе и расщепление пищи, обеспечиваются работой специальных белков — ферментов, информация о структуре которых зашифрована в ДНК. Для расщепления углеводов и получения из них энергии в ДНК человека зашифрованы 17 специальных ферментов. Казалось бы, довольно много. Но разнообразие углеводов в продуктах растительного происхождения на порядки больше! Человек своими силами может расщеплять только незначительную часть веществ, а значит, питательность этих продуктов для нас получается довольно низкой. Сегодня эта проблема не кажется такой уж серьёзной, ведь значительная часть человечества страдает скорее от избытка пищи, чем от недоедания. Однако в не столь отдалённые времена способность переварить какие-то совсем уж неперевариваемые волокна могла быть серьёзным эволюционным преимуществом. Следовательно, если микроорганизм нёс гены ферментов, позволяющих расщеплять устойчивые к ферментам человека химические связи, то в условиях дефицита доступных питательных веществ собственник такого микроба мог получить больше энергии из той же пищи, чем соплеменники. То есть у него могло быть больше сил, чтобы успешно добывать еду или убегать от хищника. Сегодня только для бактерий рода Bacteroides известно более 260 таких ферментов, а ведь в микробиоме есть и другие микроорганизмы, расщепляющие углеводы. В таком тандеме у организма явно повышались шансы на выживание и передачу генетического материала потомкам. Но эволюционные преимущества не исчерпываются исключительно силой и выносливостью. Способность адекватно и своевременно реагировать на происходящее, обучаться, находить общий язык с соседями и запоминать — тоже важнейшие эволюционные преимущества.
Если рассматривать историю микробиома именно таким образом, становятся понятны многие, на первый взгляд загадочные факты. Так, микробиом может синтезировать молекулы (вещества), жизненно важные для хозяина, которые тот не способен синтезировать самостоятельно либо получать из окружающей среды и пищи. Или, например, использование микроорганизмами и нервной системой человека одних и тех же молекул в качестве сигнальных и способность микроорганизмов влиять на человеческие вкусовые рецепторы, управляя нашим пищевым поведением. (И, как оказалось, не только пищевым!)
Биохимическая природа мира
Первые метагеномные исследования были проведены в начале ХХI века в Европе и США. В результате масштабного международного проекта «Микробиом человека» (Human Microbiome Project — HMP) были получены данные о 147 метагеномах здоровых людей. Предполагалось, что эта информация прояснит вопрос о составе микробиома человека, покажет преобладающие виды и характерную композицию микроорганизмов. Однако выяснилось, что микробиомы здоровых людей значительно отличаются друг от друга.