Елена Бабичева выясняла, есть ли у микробов национальность

Запущен первый проект исследования генома бактерий, живущих внутри россиян. Вслед за учеными в тонкостях национальной микрофлоры попробовал разобраться и "Огонек"

Елена Бабичева

Если кто не знает, научный мир (и прежде всего биологи) сегодня увлечены изучением сообществ бактерий, проживающих внутри человека. Число статей на эту тему в авторитетных журналах зашкаливает. А их авторы выдвигают все более головокружительные гипотезы о влиянии жизнедеятельности бактерий, находящихся внутри нас, на нас с вами,— от банальной физиологии до религиозных убеждений.

— Про патогенные микроорганизмы, которые вызывают заболевания, науке известно давно и много,— объясняет "Огоньку" Андрей Шестаков, руководитель лаборатории микробной биотехнологии МГУ им. Ломоносова.— А вот в отношении дружественных нам бактерий прорыв, можно сказать, недавний — в 2012-м завершился проект "Микробиом человека", по итогам которого ученые получили генетический портрет 10 тысяч микроорганизмов, обитающих внутри человеческого организма. С тех пор микробиологи все решительнее утверждают, что бактерии, живущие у нас на коже или в кишечнике, играют в нашей жизни куда большую роль, чем думали раньше.

Генетический анализ бактерий дал уникальный шанс "познакомиться" с микроорганизмами, населяющими человека. Ведь до сих пор о нашем внутреннем бактериальном мире ученые судили по старинке: высеивали обнаруженные в организме человека бактерии в чашках Петри и смотрели, что вырастет. Увы, из более чем 15 тысяч видов микробов, обитающих, к примеру, в нашем кишечнике, 90 процентов таким образом просто не культивируются. Отсюда вывод: вплоть до начала ХХI века мы почти ничего не знали о важной и, кстати, весомой (бактерии, населяющие взрослого человека, весят примерно 2-3 килограмма) составляющей собственного организма. Сегодня эту совокупность всех обитающих внутри человека микроорганизмов исследователи обозначают термином "микробиом" (или "микробиота"), а некоторые даже говорят об отдельном органе, чтобы подчеркнуть то воздействие, которое он оказывает на нас с вами.

Есть ли у микробов национальность?

Выяснить на уровне ДНК, просматривается ли у микробиома национальный характер, решили довольно скоро. Первым проектом такого рода стала работа Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге (ФРГ), которая в 2013-м сравнила геном бактерий, обитающих в кишечниках жителей Европы, США и Японии. Главным сюрпризом стала возможность поделить исследуемых на три группы по типу преобладающих в них бактерий. При этом принадлежность к группе определялась не местом жительства, а типом питания.

Что касается геномного портрета российской бактерии, то он лишь стартовал, объясняется это просто: генетический анализ стоит недешево. Больше того, проект "Исследование микробиоты российского человека" осуществляется на краудфандинговой платформе — деньги собирают всем миром.

— Метод работы основан на технологии метагеномного ДНК-секвенирования, который позволяет "посчитать" сотни видов бактерий, в том числе и некультивируемых,— рассказывает "Огоньку" биохимик Дмитрий Алексеев, директор компании "Кномикс", которая работает над проектом вместе с биомедицинским холдингом "Атлас".— Из образцов мы выделяем ген — 16S рРНК, по которому принято классифицировать бактерии. В итоге получаем на руки полный геномный портрет обитателей кишечника человека: это позволяет сказать, от каких заболеваний защищен организм, какие вещества, включая витамины, способен синтезировать, а с чем справиться в данный момент не может. Так же — в целом — оценивается сбалансированность микробиоты и ее разнообразие.

Исследовав первые 500 российских образцов, ученые поняли, что в России преобладает несколько типов бактерий, связанных по большей частью с тем, где живет человек — в городе или в деревне. А вот расположение населенного пункта большой роли не играет.

Так, внутри россиян-горожан преимущественно обитают бактероиды (от латинского Bacteroides), которые произрастают на полисахаридах и поэтому процветают у любителей так называемой западной диеты с обилием фаст-фуда, мяса, яиц, молока, очищенных зерновых продуктов и сахаросодержащих напитков. А у сельских жителей главенствуют фирмикуты (Firmicutes) — микроорганизмы, которые питаются пищевыми волокнами — той самой клетчаткой, которой советуют хранить верность адепты здорового питания. Пищевые волокна проходят через весь желудочно-кишечный тракт, не расщепляются и в таком виде попадают в кишечник — место, где пребывает основная масса микробиоты человека. В целом состав полезных микробов у сельчан намного разнообразнее и богаче, чем у горожан. И это объяснимо: "деревенские" не покупают молоко полугодичного хранения, едят свои овощи-фрукты, а иногда и мясо (которого в целом сельские жители едят меньше городских).

Есть еще третий вид бактерий — превотеллы (Prevotella) — бактерии-вегетарианцы, но они в организмах россиян преобладают нечасто. Впрочем, изучение российских бактерий продолжается: в перспективе, обещают ученые, оно подтолкнет к конкретным и более детальным рекомендациям.

Глобализация кишечника

Главный же вывод, который ученые разных стран сделали в ходе попыток выявить национальный состав бактерий, в том, что в смысле кишечной микрофлоры среднестатистический россиянин мало чем отличается от англичанина, француза, американца. Это при том что традиционно рацион россиян считается менее разнообразным, чем у жителей перечисленных стран.

Похоже, иными словами, что универсальный микробиом — то, к чему движется человечество. Это пугает медиков, и не столько потому, что мы становимся одинаковыми, а потому, что мы становимся одинаково бедными, то есть наш микробиом представлен относительно небольшим числом видов бактерий.

Дело в том, что каждый кишечный микроб специализируется на переваривании определенного вида пищевых волокон. Чем больше видов попадает в нашу пищу, тем разнообразнее микробиота. А чем она, в свою очередь, разноплановее, тем увереннее чувствует себя наша иммунная система — бактерии вырабатывают целый букет ферментов, стимулирующих ее работу. Получается, сбалансированность и разнообразие — ключ к здоровью. Мы же в большинстве своем сегодня питаемся все более однообразно, понятие "национальная кухня" зачастую сводится к туристическому аттракциону. Не случайно термин "глобализация питания" можно услышать все чаще: на полках супермаркетов Рима, Барселоны, Бостона или Москвы стоят практически те же продукты. Как следствие, специфичные для каждого региона бактерии тоже нивелируются. Происходит глобализация микробиома: у жителей разных частей мира он теперь мало чем отличается.

— Наше исследование показало, что сегодня состав микрофлоры фактически не привязан к географии проживания,— рассказывает биохимик Дмитрий Алексеев.— Более того, чтобы заселить кишечник определенными бактериями, необязательно переезжать в другую страну, достаточно изменить тип питания: если вы продолжаете есть привычный фаст-фуд, бактерии даже не заметят вашего переезда. Это произойдет, если вы перейдете на экзотическую еду, и то не сразу: бактерии будут первое время адаптировать ситуацию под себя и только когда новая диета затягивается, в работу вступают бактерии, отвечающие за долговременные изменения.

Впрочем, еда — лишь одно, хотя и важнейшее условие возникновения "хорошего" микробного сообщества. Вообще же, на состав наших бактерий влияет масса факторов. Это и антибиотики, которые в буквальном смысле приводят микробиоту в ужас. И возраст: у пожилых состав микрофлоры беднее. И даже гендерная принадлежность, если взять мужчину и женщину одного возраста с одинаковой медицинской историей, то их микробиота будет различаться, поскольку с полом ассоциированы и пищевые привычки, и особенности организма. Главное, что их состав можно и нужно регулировать, но для этого важно вовремя понять, что с бактериями что-то не так.

Измени себя сам

Выяснить, нужно ли беспокоиться о своем микробиоме, жители США или ЕС могут, сдав анализ на геном кишечных бактерий, потребуется около 300 долларов и неделя ожидания. Пациентам, озабоченным тем же вопросом в РФ, до последнего времени предлагали традиционный бактериальный посев, известный еще с прошлого века. Теперь в ряде клиник появилась услуга определения генома бактерий, но сервис омрачен высокой ценой — около 40 тысяч рублей (вдвое больше, чем на Западе).

— Бактерии населяют многие части нашего организма, но больше всего их в кишечнике,— говорит один из разработчиков российского теста "Генетика микробиоты", кандидат биологических наук Анна Попенко,— потому кишечник и интересует ученых: это самая богатая микробная среда, бактерии живут в ней, питаются и влияют на множество процессов нашего организма. Каждый член этого бактериального сообщества занят определенной работой и выполняет свою задачу. Идея теста — через питание воздействовать на микробиоту, меняя ее состав и соотношение разных бактерий. Иногда это чрезвычайно важно.

Ученые поняли, что в России преобладает несколько типов бактерий, связанных с тем, где живет человек --- в городе или в деревне. А вот география большой роли не играет

К примеру, известно, что наш организм синтезирует не все витамины, часть из них поступает из пищи и производится бактериями. Это, в частности, витамины группы B и K, которые нужны для работы нервной системы и головного мозга, функционирования мышц и кожи, копирования ДНК, других процессов. Соответственно, низкий уровень определенного вида бактерий укажет на дефицит витаминов. А получив распечатку своего "бактериального портрета", пациент поймет, какая диета поможет ему поддержать своих бактерий.

— Впрочем, понятие нормы относительно. Сегодня мы можем лишь определить более или менее здоровые варианты микробиоты,— поясняет генетик Дмитрий Алексеев.— Это скорее карта местности, на которой есть города, где все хорошо, а есть удаленные участки, которые могут приводить к дисбалансу. Но есть, конечно, соотношение бактерий, которое повышает риск развития заболеваний, например чрезмерное (более 3-6 процентов от всего состава) присутствие в микробиоте кишечной палочки свидетельствует о патологии.

Именно избытком кишечной палочки объясняют сегодня ученые развитие таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и сахарный диабет. Есть и более экзотические гипотезы: мол, бактерии запускают в нашем организме ферментную реакцию, определяющую религиозные взгляды и даже определенные состояния во время религиозных обрядов. Впрочем, все это пока на уровне предположений.

— Исследования на эти темы появляются почти каждый день. Но нейробиологическая основа поведения человека крайне слабо изучена,— уточняет "Огоньку" Сергей Фетисов, профессор физиологии Университета Руана и ведущий научный сотрудник Лаборатории исследования связи питания с кишечником и работой мозга.— Пока мы можем утверждать следующее: наша связь с микробиотой двухсторонняя. Наше поведение влияет на наличие тех или иных бактерий в кишечнике, но и бактерии влияют на нас — на молекулярные, гормональные и иные системы.

Так, оказалось, что кишечная палочка (патогенный микроорганизм, виновник многих инфекционных заболеваний) также участвует в чувстве насыщения и влияет на наши проблемы с весом. Открыл механизм ее воздействия как раз наш собеседник — Сергей Фетисов, которому удалось доказать, что в мозг сигнал о насыщении поступает в результате сложной химической реакции, которую запускают микроорганизмы.

— Кишечная палочка выделяет белок, который по структуре похож на гормон меланотропин, вызывающий чувство насыщения. Благодаря этому спустя 20-30 минут после еды человек чувствует себя сытым. То есть кишечная палочка, хотя скорее всего не она одна, играет роль в регуляции аппетита. У пациентов с ожирением мы наблюдали снижение количества этих бактерий в кишечнике — на основе этих исследований одна компания уже разрабатывает пробиотики для коррекции аппетита и веса тела. Другое дело, что кишечные палочки есть безвредные, а есть и патогенные, вызывающие воспаления кишечника. Но и те, и другие запускают иммунную реакцию, при которой этот белок воспринимается как чужеродный элемент, с которым надо бороться. Одна из текущих задач — определить, какие конкретно из этих бактерий вызывают антитела, связывающие меланотропин.

Также пока до конца непонятно, почему происходит подобный иммунный сбой. Известны лишь основные факторы риска — хронический стресс и ограничительная диета. Оба фактора воздействуют на кишечные бактерии, которые, чтобы защитить себя, вынуждены производить этот белок. У открытия серьезные перспективы, ведь до сих пор эффективного лечения ожирения не существует.

Веселые ребята

Пробиотики называют главным средством борьбы с кишечными проблемами. Эти отобранные, заведомо полезные бактерии приносят положительный эффект почти всем пациентам: помогают быстрее и лучше переваривать пищу, производят масляную кислоту, которая защищает от воспалений. Да и взбодрить организм пробиотиками несложно, их содержат кефир, йогурты, квашеная капуста, продукты закваски. Но есть несколько "но".

— Представьте, что в маленький скучный городок приехали веселые молодые ребята. Городок сразу оживился. Но проходит время, и эти ребята уезжают, а жители снова погружаются в привычное болото. Вот так примерно действуют на наш организм пробиотики

,— объясняет Дмитрий Алексеев.

Другой недостаток пробиотиков в том, что они содержат лишь часть полезных бактерий и не смогут восполнить все разнообразие микробиоты. Не случайно сегодня все чаще говорят о более экзотичном методе лечения кишечника — "трансплантации микробиоты".

— Возможно, в будущем и пересадка, и хранение микробиоты станут обычной процедурой,— говорит Дмитрий Алексеев.— У каждого человека в жизни бывают моменты идеального состояния здоровья: он хорошо себя чувствует, только вернулся из отпуска, отдохнул, не болеет, не принимает антибиотики. Прекрасно, если бы можно было взять в этот момент его бактерии и сохранить. Возможно, однажды они пригодятся для поддержания здоровья.

К тому же трансплантация в будущем может стать и рецептом омоложения: после 60 лет метаболическая активность организма резко снижается: уменьшается потребность в калориях, питание становится менее разнообразным, вырабатывается меньше ферментов. Системы организма работают не так активно, снижается и активность бактерий. А если пожилому заменить его старую микрофлору на более молодую? Возможно, молодые бактерии запустят в организме процессы омоложения — швейцарские ученые уже высказывали такую гипотезу...

— А если не просто провести трансплантацию, но еще и разнообразить питание,— рассуждает Дмитрий Алексеев,— человек, возможно, станет не только моложе, но и здоровее.

Пока научный мир взвешивает за и против, медицинский бизнес готовится поставить метод такой трансплантации на коммерческие рельсы. В Европе уже есть компании, предлагающие услуги по хранению микробиоты — по принципу стволовых клеток,— которую в нужный момент можно будет достать из морозильной камеры.