После расшифровки генома человека ученые хотят расшифровать гены всех микроорганизмов, населяющих наше тело. Как оказалось, бактерии, обитающие, например, в кишечнике, приносят гораздо больше пользы, чем считалось прежде. Но даже из множества кишечных бактерий ученые детально знают пока лишь отдельные виды.
Древний философ оставил умозрительное описание человека, назвав его «двуногим существом, лишенным перьев». Современный ученый (выберем на эту роль какого-нибудь космического путешественника, вроде Люка Скайуотера, который о людях планеты Земля до встречи с ними ничего не знал), вооружившись микроскопом и другими всевидящими приборами, легко убедился бы, что, вообще говоря, «человека»-то, как отдельной формы жизни, на Земле и нет. На самом деле, это – собирательное название сложной экосистемы. Или, если это вам милее, симбиотического организма, который состоит из одной двуногой особи Homo sapiens, не одной сотни триллионов бактерий, многочисленных вирусов, какого-то количества грибов, а еще клещей, червей, архей и амеб.
Можно сказать, что человек – это живое тело, напичканное множеством микроскопических животных. Они прекрасно себя чувствуют, расселившись в этой питательной среде «о двух ногах». Их колонии здесь процветают. При этом они оказывают огромное влияние на любые жизненные процессы, протекающие в том теле, где поселились. И процессы эти так сложны, так тесно связаны друг с другом, что отделить видимую нами оболочку – двуногого сапиенса без перьев – от содержимого (архей и червей, густо пересыпанных бактериями) нельзя.
Человек – это смешанное существо, «суперорганизм», категорично заявлял американский генетик, нобелевский лауреат Джошуа Ледерберг.
Экзопланеты для одного-единственного
На каждую клетку человеческого организма приходится свыше десятка бактерий. Если бы эти микробы были размером с нас самих, то, чтобы расселить их на планетах земного типа, понадобилось бы 15 тысяч экзопланет, ведь нас на Земле – даже не семь триллионов, а всего лишь 7 миллиардов. И такое множество планет в этой фантазии потребовалось бы лишь для того, чтобы комфортно устроить бактерии, жившие прежде в теле одного-единственного человека.
В нашем организме они расселились всюду, где какой-либо орган тела или ткань контактирует с внешней средой: на коже, в полостях носа и рта, в пищеварительном тракте. Это громадное сообщество микробов нами мало изучено. По оценке ученых, 80% видов бактерий, населяющих тело человека, до сих пор даже не выявлено. Суперорганизм под названием «человек» настолько сложен, что напоминает огромную обитаемую планету, которую нам только предстоит описать.
«Пока мы не знаем, что за бактерии населяют нас, к каким видам они принадлежат, какие гены содержат и как эти гены влияют на наше здоровье», – констатировал Душко Эрлих, один из руководителей французского Национального института агрономических исследований.
На ближайшие годы ученые поставили перед собой честолюбивую цель. Они хотят расшифровать геномы всех микроорганизмов, обитающих в организме человека. Этот совокупный геном «жителей планеты по имени Человек» уже получил название «микробиом».
Участники европейско-китайского проекта MetaHIT (его координатор – Эрлих)проводят перепись на самой обширной территории, которую занимают микробы, расселившиеся внутри нас. Эта территория – наш кишечник. Если бы можно было развернуть его, расстелить как скатерть, то общая площадь этой «квартиры микробов» составила бы от 300 до 400 квадратных метров – в десятки раз больше, чем полагается по закону такому непритязательному существу, как человек.
В 2010 году журнал Nature сообщил, что, обследовав более сотни добровольцев, участники проекта выявили у них в кишечнике 3,3 миллиона генов различных микроорганизмов – это примерно в 150 раз больше, чем генов у самого человека. По приблизительным подсчетам, это количество генов соответствует примерно 1000 видов бактерий. Микрофлора кишечника у людей заметно разнится. Животный мир различных «планет человеческой группы» очень разнообразен.
Кудесники каменного века
Два десятилетия назад, когда велась расшифровка человеческого генома, ученые втайне надеялись, что эта работа объяснит природу многих наших заболеваний. Тогда надежды не оправдались. Зато стало ясно, что изучать надо не один лишь организм человека, но всю экосистему под названием «человек». Мы никогда не найдем объяснения многим болезням, пока не выйдем за рамки традиционных научных дисциплин и не примемся изучать, как взаимодействуют микробы и организм человека, населенный ими.
В большинстве своем эти микробы ведут себя очень мирно, даже приносят пользу: например, перерабатывают такие балластные вещества, как пектин и целлюлозу, которые содержатся в овощах и фруктах. Для людей каменного века симбиоз с подобными бактериями был очень выгоден, поскольку они превращали несъедобные для них вещества в то, что мог усвоить человеческий организм. В те времена, когда люди постоянно рыскали в поисках пищи, такая неожиданная прибавка к их рациону была очень выгодна. При том же количестве съеденного они ощущали в себе больше сил, чем конкуренты, которым значительная часть пищи не шла впрок. В наши же дни эта дополнительная подпитка организма, совершаемая бактериями, отражается на нашей талии – «съедает» ее.
У толстых людей микрофлора кишечника совсем иная, чем у людей тонких. Это показали работы американских микробиологов (руководитель – Джеффри Гордон). Очевидно, микробы, населяющие кишечную систему толстяков, более искусны в извлечении питательных веществ из тех остатков пищи, которые не способен усвоить человек.
В опытах с животными группа Гордона пересаживала микробы из кишечника толстых мышей в очищенный от микробов кишечник тонких мышей. Вскоре те начинали быстро прибавлять в весе. Особенно разрасталась жировая прослойка. Даже у мышей, чей вес был в норме, жира было на 40% больше, чем у сородичей из контрольной группы, у которых кишечник был абсолютно стерилен.
В другом исследовании группа Гордона убедилась, что от рациона людей зависит состав их микрофлоры кишечника. Наблюдение велось за людьми с избыточным весом. По мере того, как они сбрасывали вес, садясь на диету и питаясь продуктами, не содержавшими жиров или углеводов, микрофлора их кишечника все более напоминала микрофлору худощавых людей.
Итальянские исследователи наблюдали за африканскими и итальянскими детьми. В грудном возрасте микрофлора кишечника у них была почти одинакова. Но затем разница стала очевидна. У итальянских детей было гораздо больше тех кишечных бактерий, которые, как полагают ученые, способствуют развитию ожирения у взрослых. Питались же они всё чаще мясной пищей, пищей, богатой жирами и сахаром. Зато дети, жившие в глухой деревне в Буркина-Фасо, ели то, что попроще. Их еда – овощи, бобовые и зерновые культуры – изобиловала балластными веществами.
Впрочем, причинно-следственная связь до конца не ясна. Сотрудник Гордона, Фредрик Бекхед, отмечал: «Микрофлора кишечника играет роль, когда мы прибавляем в весе. Но пока не ясно, меняется ли микрофлора до того, как человек начал прибавлять в весе, или уже после того».
В любом случае, за миллионы лет кишечные бактерии и животные, в организме которых они обитают, прекрасно приспособились друг к другу. Между ними установилось своего рода перемирие. Они щадят друг друга, потому что их симбиоз выгоден для обеих сторон.
Мы не знали о них: бактерии…
Обычно говорят, что в нашем кишечнике обитает 100 триллионов бактерий. Но называют и другие цифры: до 1000 триллионов!
Бактерии расщепляют питательные вещества, помогая нам усваивать пищу. Они оберегают наше здоровье, уничтожая или изгоняя чужаков – возбудителей различных заболеваний, проникших в пищеварительный тракт. Возможно, они влияют на наше душевное состояние.
Многие из этих бактерий нам не известны. Мы даже не догадываемся, что за квартиранты поселились у нас в животе. Как описать это громадное, невидимое для нас сообщество, эти микроорганизмы мал мала меньше? Все чаще ученые прибегают для этого к средствам генетики: выискивают в пробах, взятых из организма человека, фрагменты чужеродных ДНК. Затем по имеющимся каталогам определяют, каким бактериям принадлежат эти специфические гены. Если же соответствия не удается найти, значит, гены принадлежат неизвестным прежде микробам.
Так, в 2014 году Хенрик Бьёрн Нильсен и его коллеги из Датского технического университета выявили в кишечнике человека около 500 неизвестных прежде видов бактерий. Ранее весь перечень поселившихся в нашем теле бактерий ограничивался двумя-тремя сотнями видов! Всего же, как полагают ученые, там обитает до 1000 видов бактерий. Так что, хотя бы этот список постепенно близится к завершению.
Вряд ли стоит удивляться тому, что улов ученых был так велик. В пробах, взятых ими, они искали, повторимся, не сами бактерии, а фрагменты их ДНК, и уже по ним восстанавливали, какому микроорганизму может принадлежать найденная часть. Традиционно же ученые выделяли отдельные обнаруженные ими бактерии, а затем анализировали их в лаборатории.
Мы не знали о них: грибы…
На каждом квадратном сантиметре нашей кожи расселилось пестрое сообщество, которое состоит из самых разных микроорганизмов. Но если бактерии, обитающие здесь, довольно хорошо известны, то микроскопические грибы мало изучены.
Поиск этих грибков, поселившихся на коже человека, мало чем напоминает «тихую охоту» в осеннем лесу. Даже с помощью очень мощной оптики трудно определить видовую принадлежность грибков, спрятавшихся среди складок кожи. В отличие от бактерий, их еще и сложно культивировать в лабораторных условиях, чтобы понять потом, к какому виду они принадлежат. Поэтому американские ученые из Национального института исследования человеческого генома воспользовались для этого средствами генетики. «Секвенирование ДНК выявляет огромное разнообразие этих грибов и показывает нам, где именно в кожной микрофлоре человека преобладают не бактерии, а грибы», – отмечает участница исследования Джулия Сегре.
Как показал анализ, нашу кожу населяют грибы, относящиеся примерно к 80 различным родам. Распределены они очень неравномерно. На голове и поверхности тела человека встречается всего десяток видов грибов, главным образом, представляющих род Malassezia. Подобные грибки обитают на нашем теле всюду, куда бы ни заглядывали ученые: за ушами, на затылке или на пальцах ног.
Вообще же, различные виды грибков предпочитают разные части тела человека. Бактерии не так тесно привязаны к конкретной части тела. Они зависят больше от внешних условий: от влажности, от температуры или водородного показателя pH. В подходящей обстановке их колонии начинают бурно размножаться, где бы они ни завелись. «Это однозначно свидетельствует, что наша кожа – это сложная экосистема, которая предлагает микробам и грибам самые разные условия обитания», – резюмируют исследователи.
На ладонях и руках грибы немногочисленны, там преобладают бактерии. Зато грибы расселяются у нас на ступнях ног. Самые разные их виды можно встретить на пятках, пальцах ног и между пальцами. На пятках, например, выявлено около 80 видов грибков. При этом у здоровых людей иной состав грибков, нежели у людей, страдающих от грибковых заболеваний.
Основываясь на этих результатах, – а фактически впервые ученые подробно описали сообщества грибов, населяющих кожу здорового человека, – можно выяснить, что изменится, если кожа будет инфицирована возбудителем какого-либо заболевания.
Мы не знали о них: вирусы…
Однако мир организмов, населяющих нашу кожу, еще сложнее, чем мы могли себе представить. Там обитает не только множество бактерий и грибов, там живут и бесчисленные вирусы. В ноябре прошлого года журнал mBio сообщил, что 90% этих вирусов нам неизвестны. Мы узнали об их присутствии лишь по фрагментам их ДНК. В большинстве случаев эти вирусы интересуются не нами, мы – лишь сцена, на которой они неустанно преследуют бактерий. Это – бактериофаги. Они истребляют бактерии или, проникнув внутрь них, меняют их ДНК, а значит, и характерные их свойства.
Несомненно, микробиом оказывает заметное влияние на наше здоровье и даже на наше настроение, привычки. Но если бактерии и грибы, расселившиеся здесь, нами в последние годы изучены и описаны, то большая часть вирусов, живущих на поверхности тела, нам практически неизвестна. Как иронично замечают исследователи, это – «темная материя» нашего организма. И пусть, побуждаемые своей «темной энергией», эти вирусы преследуют и инфицируют лишь живущих в нашем организме бактерий, на нашем здоровье это тоже может сказываться.
«Прежде вирусы, населяющие нашу кожу, почти не исследовались – в том числе потому, что это сложно с технической точки зрения, – отмечает Элизабет Грейс из Пенсильванского университета. – Например, на любом мазке, взятом с кожи, содержатся, главным образом, фрагменты нашего ДНК и ДНК бактерий. Что же касается генетического материала вирусов, то он присутствует здесь в крохотных количествах – это и есть пресловутая иголка в стоге сена».
Во время исследования, проведенного Грейс и ее коллегами, выяснилось, что лишь менее 10% генетического материала вирусов, найденного учеными, принадлежит уже известным вирусам. Весь остальной материал – вирусам, которые не встречаются ни в одном генетическом банке данных.
Как известно, различные части нашего тела – ладони, подмышки, лоб – населены разными популяциями бактерий. Но оказалось, что и вирусы, обитающие здесь, тоже заметно разнятся. Впрочем, это было не трудно предположить потому, что речь все-таки идет о вирусах-бактериофагах.
На первый взгляд, эти вирусы безобидны для нас. Однако не все так просто. Косвенным образом и они могут влиять на наше здоровье. Ведь по их вине меняется численность той или иной популяции бактерий, населяющих кожу; иным становится и поведение этих микробов. Так, вирус может внедрять в генетический материал бактерии гены, которые сделают ее, например, устойчивой к действию антибиотиков или заставят мутировать, превратив в агрессивный патоген.
А если бактериофаги уничтожают очень полезных нам микробов? Чем пристальнее мы наблюдаем за планетой по имени Человек, тем отчетливее видим, какие страсти ее сотрясают, какая межвидовая борьба разыгрывается здесь, как страдают от нее популяции тех или иных нужных нам микробов. Зная об этом, врачи могли бы помогать ослабленной популяции бактерий, чтобы укрепить здоровье пациента. Солевой раствор, который содержит полезные микробы, можно было бы вводить прямо в пищеварительный тракт с помощью специального зонда.
Нам нужно знать вирусную «темную материю», чтобы быть готовыми к любым неожиданностям. Ведь популяция вирусов – ее численность, ее агрессивность – может неожиданно измениться. «Темную материю» надо непременно изучать, где бы она ни находилась – в далеком Космосе или на планете по имени Человек.
К слову, в 2014 году в организме человека был выявлен неизвестный прежде вирус, получивший название crAssphage. Им инфицированы некоторые кишечные бактерии из группы бактероидов. Еще ранее была замечена связь этих микроорганизмов с избыточным весом и заболеванием диабетом. Какую роль во всем этом могут играть вирусы, нападающие на эти бактерии, пока непонятно.
Но, если вернуться к открытию, которое сделали Бас Дутилх из университетской клиники Неймегена (Нидерланды) и Роберт Эдвардс из университета американского города Сан-Диего, то дальнейшие исследования показали, что, по-видимому, половина всего населения планеты является носителем вирус аcrAssphage. Это открытие, констатировал журнал Nature Communications, лишний раз свидетельствует, как плохо мы знаем микробиом человека – сообщество микроорганизмов, которые населяют наше тело. Даже самые распространенные обитатели пищеварительного тракта пока не изучены нами.
А ведь подобные открытия еще и прокладывают путь к персональной медицине. В нашем случае – к лечению бактериофагами людей, которые инфицированы теми или иными опасными бактериями. Эта терапия может стать альтернативой лечению антибиотиками. Ведь все чаще бывает так, что антибиотики не наносят никакого вреда бактериям – те устойчивы к действию лекарств. Другое дело – бактериофаги. Это – не мертвая химия, а живые хищники. Обнаружив вредную бактерию, такой хищник с помощью определенных ферментов проникает внутрь нее, чтобы там размножаться.
При помощи бактериофагов можно лечить кишечные инфекции, бороться с избыточным весом и, может быть, даже диабетом. В принципе, в нашем распоряжении может появиться целая группа очень активных, специализированных бактериофагов, которые будут защищать нас от разных бактерий.
Мы не знали о них: археи…
Нашу кожу, как выяснилось недавно, населяют даже такие необычные организмы, как археи (устаревшее название: архебактерии). По своим физиологическим особенностям и биохимическим свойствам эти микроорганизмы резко отличаются от истинных бактерий. Впрочем, поначалу на них обратили внимание потому, что они населяли самые непригодные для жизни области планеты: например, встречались в горячих источниках или в море, на большой глубине, где царят громадные давления. Некоторые виды архей могут выжить в кипящей воде или в кислоте, разъедающей все живое. В выборе пищи они очень разнообразны, но и здесь вызывают удивление: некоторые готовы питаться даже сероводородом, очень ядовитым для других живых существ.
Археи привлекли к себе внимание лишь сорок лет назад, в конце 1970-х годов, когда стало понятно, что они совсем не похожи на знакомых нам микробов. В настоящее время они объединены в отдельный домен живых организмов – так же, как прокариоты (сюда отнесены все бактерии) и эукариоты (домен – это самый верхний ранг классификации организмов, включающий одно или несколько царств. – Прим. ред.).
Со временем стало понятно, что археи вовсе не состоят только из любителей чего-то экстремального, необычного. Многие из них спокойно расселяются там же, где живут и истинные бактерии. Их обнаруживают в больничных помещениях, которые они облюбовали, наряду с другими микробами – возбудителями «госпитальных инфекций». Встречаются они и в пищеварительном тракте человека, не уступая этот биотоп, богатый питательными веществами, одним лишь кишечным бактериям. Ученые из Регенсбургского университета обнаружили архей даже там, где их никак не должно быть – в тех стерильных помещениях, где изготавливают межпланетные зонды и космические корабли. Может быть, эти странные микроорганизмы и были бы готовы расселиться в других районах Солнечной системы, если бы не строгие требования космической безопасности?
Те же исследователи из Регенсбургского университета сообщили со страниц журнала PLoS ONE, что, изучив пробы, взятые на поверхности человеческого тела, они обнаружили необычайно много архей. В некоторых случаях те составляли примерно десятую часть всех микроорганизмов, найденных на коже человека. Подобные микроорганизмы можно встретить во многих экосистемах в почве и воде. Они играют важную роль в круговороте азота на нашей планете.
Активно они участвуют и в окислении аммония (аммоний – это устойчивая группа атомов NH4, входящая в состав многих химических соединений. – Прим. ред.). Наша кожа постоянно выделяет аммоний, а потому археи помогают регулировать ее водородный показатель. Пока, впрочем, не ясно, как они влияют на здоровье человека. Полезно ли, что их встречается так много на нашей коже, или это нам вредит? Как численность архей меняется с возрастом? Разрастаются ли их колонии или редеют? На эти вопросы еще предстоит ответить ученым.
…Наш микробиом все продолжает пополняться. Видовое разнообразие микроорганизмов, населяющих наше тело, столь же велико, как, наверное, фауна целой планеты.
Источник: журнал “Знание – сила”
