Мир микробов и человек
А.Н.Суворов
В последнее десятилетие негативное отношение к миру микробов сменилось пониманием их жизненно важной роли в поддержании здоровья человека. Исторически сложившееся сообщество разных микроорганизмов (микробиота), обитающих, например, на коже, в мочеполовой системе или в желудочно-кишечном тракте, — не просто нормальный, но и необходимый компонент жизнедеятельности нашего организма. Более того, в литературе стали появляться работы, позволяющие рассматривать инфекционный процесс, вызванный болезнетворными бактериями или вирусами, как аномальное изменение микробного биоценоза (от греч. Рюд — жизнь и Koivog — общий), спровоцированное избыточным размножением возбудителя инфекции. Недавно, например, вышла статья, посвященная роли микробиоценоза в развитии воспалительных процессов, которые приводят к поражению зрительного нерва при глаукоме [1].
Изменению всей концепции естественной микробиоты в существенной степени способствовало появление новых технологий — методов секвенирова-ния нового поколения (Next-Generation Sequencing, NGS), позволяющих в десятки и сотни раз ускорить процесс определения нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК. Сейчас с помощью NGS успешно изучают геном не только человека
© Суворов А.Н., 2015
Александр Николаевич Суворов, доктор биологических наук, руководитель отдела молекулярной микробиологии НИИ экспериментальной медицины (Санкт-Петербург). Занимается исследованием молекулярных механизмов патогенности бактерий, в частности факторов вирулентности стрептококков, а также изучением свойств пробиотиков и механизмов, обеспечивающих их действие. Лауреат премии РАМН за цикл работ по генетике стрептококков (1998).
(Human Genome Project), но и его микробиоты. Для анализа состава и особенностей функционирования основных микробных сообществ созданы американские и европейские научные программы: «Микробиом человека» (Human Microbiome Project*) — проект Национального центра здоровья США, «Метагеномика кишечного тракта человека» (Metagenomics of the Human Intestinal Tract**) — проект Европейского союза и т.д.
Состав и функции микробиоты
Полностью свободных от микроорганизмов органов, похоже, в норме не существует. Абсолютное большинство в нашем организме составляют анаэробные бактерии, которые технически трудно выявить с помощью методов классической бактериологии. Представления о микробиоте человека значительно расширились, когда для ее анализа стали использовать молекулярно-генетические методы.
К настоящему времени установлено, что самая населенная часть тела — пищеварительный тракт, где обитает 75—78% микроорганизмов — в основном бактерий (Бпт^^ез, Bacteriodetes, АсНпо-Ьа^епа и Proteobacteria), которых на два порядка больше, чем всех клеток человеческого тела. Около 20% микробиоты кишечника составляют археи [2]. Правда, об их функциональном значении в микробиоценозе желудочно-кишечного тракта известно пока совсем
* commonfund.nih.gov/hmp/index
** metahit.eu
Рис. 1. Естественная микробиота и физиологические условия в разных отделах пищеварительного тракта. Больше всего бактерий обитает в ротовой полости и в толстом кишечнике, где значения pH близки к нейтральным. Кислая среда желудка сдерживает рост бактерий, поэтому их там меньше всего. В тонком кишечнике разнообразие и численность микробных сообществ возрастает и достигает относительного максимума в подвздошной кишке. В толстом кишечнике перистальтика замедляется, pH повышается, что создает комфортные условия для размножения бактерий, участвующих в расщеплении углеводов и белков, синтезе витаминов и короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК) и т.д.
немного, а о содержании вирусов — еще меньше. Однако считается, что вирусная составляющая микробиома (вириом) крайне разнообразна и также может влиять на здоровье человека [3].
В разных участках пищеварительного канала, начиная от ротовой полости и заканчивая прямым отделом толстой кишки, бактерии находятся под постоянным воздействием различных физико-химических и биологических факторов (рис.1). На выживании и видовом составе микробиоты сказываются содержание кислорода, температура и кислотность среды, количество слизи, уровень секреторного иммуноглобулина А (1яА) и антимикробных пептидов-де-фенсинов. Например, лишь несколько видов бактерий способны достичь кишечного эпителия, покрытого сплошным слоем слизи (рис.2) [4]. Кроме того, состав микробиоты зависит от диетических предпочтений хозяина, его генетических особенностей и состояния иммунной системы.
Индивидуальный состав микроорганизмов начинает формироваться еще в раннем детстве*. Первые бактерии, с которыми встречается человек в момент рождения, — преимущественно аэробные (кишечная палочка, стрептококки, энтерококки, лак-тобациллы и стафилококки). Но уже в первую неделю жизни новорожденного, питающегося молоком матери, их сменяют анаэробные бифидобактерии (ВИЙоЬа^епасеае). Причины данного явления стали понятны, когда был секвенирован геном ЫАйоЬаШтшт 1ощит зрр. гп-/ап^ и обнаружен участок, содержащий гены гликозидаз — ферментов, расщепляющих оли-госахариды женского грудного молока до моносахаридов. Очевидно, без этих бифидобактерий в желудочно-кишечном тракте ребенок не сможет эффективно
* Подробнее см.: СуворовА.Н. Микробиота детей // Природа. 2011. №8. С.14—21.
усваивать поступающую пищу, что отразится на его развитии. С завершением грудного вскармливания рацион ребенка расширяется, и в составе его микро-биоты начинают доминировать Bacteriodetes и Бкшш^ез [5]. В дальнейшем у каждого человека устанавливается индивидуальный набор микроорганизмов, и больше никаких возрастных изменений в составе микробио-ты не происходит.
Значение микробиоты в жизни человека переоценить невозможно: бактерии участвуют почти во всех процессах метаболизма, синтезируют витамины, усиливают катаболизм холестерина до желчных кислот, защищают от патогенных микроорганизмов, влияют на работу иммунной, эндокринной, сердечно-сосудистой систем и даже центральной нервной системы [6—12]. И ученые продолжают открывать все новые стороны сложнейших взаимодействий участников микробиоценоза. Так, недавно было установлено, что бактерии, будучи основным питательным субстратом для нематод, для борьбы с ними вырабатывают фермент, катализирующий расщепление аминокислоты аргинина с образованием мочевины, что способствует превращению грибов Arthrobotrys oligospora из безобидных сапрофитов в «охотников» за нематодами [13] (рис.3, 4). В данном случае место организма-хозяина в микробных «войнах» скорее пассивное, чем главенствующее.
Очевидно, что большинство функций микроскопических обитателей нашего пищеварительного тракта связано с их метаболической актив-
Рис.2. Схема распределение слоя муцина в разных отделах желудочно-кишечного тракта: 1 — в желудке, 2 — в двенадцатиперстной кишке, 3 — в тонкой кишке, 4 — в подвздошной кишке, 5 и 6 — в проксимальном и дистальном отделах толстой кишки ^кШИИ/шп^^). Видно, что эпителиальные клетки желудка и толстой кишки покрыты двумя слоями муцина (выделены различными оттенками зеленого), а других отделов кишечника — только одним. Бактерий (красные точки) больше всего в толстой кишке, но и там, вопреки устоявшемуся мнению, они не контактируют с эпителиальными клетками, так как не могут проникнуть в плотный внутренний слой муцина.
ностью и пищевыми предпочтениями. К примеру, одни бактерии независимо от рациона человека бесперебойно получают необходимую им энергию, питаясь муцинами, которые входят в состав слизи, покрывающей эпителий кишечника, и при этом предохраняют его от воспаления. Для других бактерий, напротив, очень важно, что ест их хозяин, поскольку для их жизнедеятельности необходимы жиры, белки и углеводы. Ферментируя их, бактерии производят короткоцепочечные жирные кислоты (ацетат, бутират, пропионат), которые служат основным источником энергии для клеток кишечного эпителия [15].
Установлено также, что изменения микробиоценоза (дисбиоз), которые могут быть вызваны стрессом, интоксикацией, радиацией или лечени-
Рис.3. Микрофотография нематоды, угодившей в ловушку гриба [14]. Гриб ЛЛЬгоЬоЬгуз оИдозрога обычно «вегетарианец», но в присутствии нематод может стать плотоядным. Реагирует он на вырабатываемые червями химические вещества (аскаросиды) и формирует ловушки — липкие сети с микроскопическими лассо. Клетки гриба прорастают внутрь плененной нематоды и переваривают ее изнутри.
Рис.4. Схема микробиотных войн между грибами, нематодами и бактериями [13]. Китайские ученые недавно выяснили, что Л.оИдозрога может превратиться в убийцу нематод под влиянием кишечных бактерий, изолированных из коровьих лепешек. Бактерии, которыми питаются нематоды, начинают синтезировать фермент аргиназу, которая расщепляет аргинин с образованием мочевины. Проникнув в мицелий гриба, она под действием фермента уреазы распадается до аммиака, который побуждает гриб сформировать ловчую сеть. Эти результаты показывают, что бактерии и грибы образуют взаимовыгодные отношения, превращая нематод из охотника в жертву.
ем антибиотиками, приводят к различным желудочно-кишечным и соматическим заболеваниям [16]. Нормальная микробиота у взрослых, будучи сугубо индивидуальной, имеет значительную степень стабильности и стремится восстановиться после временных дисбиотических нарушений. В случае тяжелых патологий требуется специфическая терапия.
С недавних пор, когда накопилось множество данных о структуре микробиоты человека, к ее анализу подключились биоинформатические методы. Оказалось, что по генетике населяющих наш кишечник бактерий современное человечество можно разделить на три типа, точнее, энте-ротипа [17]. В одном из них преобладают грам-отрицательные бактерии рода Bacteroides, в другом — рода Prevotella, а в третьем, состоящем в основном из грамположительных бактерий типа Firmicutes, наиболее представлен род Ruminococ-cus. Это распределение, как было установлено, не зависит от диетических предпочтений, массы тела, расы или пола, но у людей одного и того же энтеротипа много общего в обмене веществ и уровне микробных метаболитов.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.