Джессика Сакс - Микробы хорошие и плохие. Наше здоровье и выживание в мире бактерий.
За четырнадцать дней жизни с В. theta мыши увеличивали свои запасы жира в среднем на 60 %.
“Мы видим здесь, как В. theta оказывает на своего хозяина гормоноподобное действие, — изумляется Гордон. — Бактерия как бы говорит хозяину: “Оставь это про запас, нам это может еще пригодиться”.
Дальнейшие исследования сложной структуры подобных симбиотических взаимоотношений, проводившиеся командой Гордона, показали, что на ранних этапахжизни организма клетки кишечника и иммунная система начинают выделять вещества, помогающие полезным бактериям, таким как В. theta, закрепляться на своем месте, в то время как другие, потенциально опасные микробы вымываются из толстой кишки. В. theta, судя по всему, платит за это хозяину тем, что воздерживается от злоупотребления своим положением. Например, эти бактерии не начинают пастись на покрытых сахаром эпителиальных клетках, пока те не оказываются сброшены стенкой кишечника. Кроме того, они не начинают требовать сахара, пока в их распоряжении имеются запасы их обычной непереваренной растительной пищи.
Отсюда Гордон пришел к выводу, что все эти особенности позволяют В. theta придавать своей экосистеме определенную устойчивость. Когда не хватает поступающей извне пищи, бактерии обращаются за помощью к своему хозяину, а в лучшие времена обеспечивают хозяина дополнительными калориями и указанием запасать на черный день хотя бы часть этого подарка судьбы. В самое последнее время Гордон и его команда получили данные, указывающие на то, что представители другой обширной группы кишечных бактерий, отдела Firmicutes, возможно, способны добывать калории и делиться ими еще успешнее, чем бактерии из отдела Bacteroidetes (важнейшим представителем которого является В. theta). “Хотя жители переедающих стран могут и не оценить важность этих дополнительных калорий и жира, — говорит Гордон, — я полагаю, что человеческая история знала продолжительные периоды, когда такого рода динамикой и определялась разница между выживанием и смертью от голода”. Неудивительно, что открытия Гордона пробудили интерес к возможности способствовать похудению страдающих ожирением людей путем корректировки работы их кишечной микрофлоры.
Другие сотрудники лаборатории Гордона рассказывают еще об одном интересном результате: что происходит, когда мыши, внутри которой живет монокультура В. theta, впрыскивают клетки метаногенного микроорганизма Methanobrevibacter smithii. В кишечнике такой мыши в итоге оказывается в сто раз больше клеток В. theta, чем было бы без этого впрыскивания. Оказывается, такие метаногены, как М. Smithii, существенно повышают эффективность жизнедеятельности клеток В. theta, питаясь ее отходами — водородом и углекислым газом — и превращая их в метан и воду. В отсутствие метаногенов накопление этих отходов замедляет обмен веществ В. theta и ограничивает способность этих бактерий размножаться. В практическом плане такое повышение эффективности дает мышам, которым ввели клетки обоих микроорганизмов, дополнительные 15 % жира.
Сотрудница той же лаборатории Рут Ли в свою очередь начала масштабное исследование черт сходства и различий в микрофлоре человека и животных — чтобы лучше разобраться в эволюционных корнях нашего внутреннего государства. Как она отмечает, лишь восемь из пятидесяти пяти известных науке отделов бактерий планеты Земля имеют представителей, поселяющихся в пищеварительном тракте животных, что заставляет предположить высокую степень избирательности этих взаимоотношений. “Согласно нашей гипотезе, — говорит она, — они сформированы за миллионы лет коэволюции”.
Стоя над ведерком со льдом, которое набито пузырьками с фекалиями зверей из Сент-Луисского зоопарка (гепарда, льва, слона, кенгуру, гиены), а также образцами навоза, собранными коллегой по ходу собственных исследований у водопоя в Африке, Рут говорит: “Если мы, млекопитающие, действительно коэволюционировали вместе с нашей кишечной микрофлорой, то мы должны найти определенные черты сходства, заставляющие предположить, что некая древняя бактерия в свое время попала в организм некоего древнего предка всех этих видов и начала там свое дело”. Рут уже удалось найти немало общих черт подобного сходства. При этом из восьми отделов бактерий, встречающихся в кишечном тракте у млекопитающих (в том числе у людей), преобладают только три: Bacteroidetes, Firmicutes и Proteobacteria.
Если же сравнивать свойственных разным млекопитающим бактерий на уровне рода (систематической категории на одну ступень выше вида), то обнаруживается масса общих групп. Например, представители рода Bacteroides, такие как В. theta, В. vulgatus и В. distasonis, преобладают у всеядных млекопитающих (таких как мы сами, мыши или свиньи — питающихся как растительной, так и животной пищей). У растительноядных, таких как коровы, овцы или кролики, первое место занимают представители близкородственного рода превотелла (Prevotella ruminicola, P. brevis, P. albensis и др.). Специалист по эволюционной биологии ожидал бы появления именно такого рода различий в результате отделения новых ветвей древних млекопитающих, переходивших к иному образу жизни.
Новое окно в мир микробов
Методы выращивания анаэробных культур, разработанные Холдеман и Муром, наряду с использованными Гордоном способами “генетического подслушивания” сделали микрофлору толстой кишки самой изученной из множества микробных экосистем нашего организма. Но по меньшей мере 10% видов бактерий, постоянно обитающих у нас в кишечном тракте, никто еще не выращивал в культуре и не описывал. В первые годы XXI века появилась новая революционная технология, которая дала науке возможность далеко продвинуться в поисках последних из них — самых загадочных обитателей нашего организма. Попутно она сильно озадачила мир медицины, обнаружив бактерий в таких частях нашего организма, в которых, как считалось, микробы могут оказаться только при серьезном расстройстве.
Эта технология — генное зондирование — появилась благодаря трудам микробиолога Карла Вёзе, работающего в Иллинойсском университете. В семидесятых и восьмидесятых годах Вёзе занимался поисками генетического мерила для определения степеней родства между разными группами бактерий нашей планеты. Ученые уже давно искали лучший способ объединять организмы в систематические группы, чем по внешним признакам, таким как внешний вид и особенности деятельности (эта тактика могла, например, приводить к попаданию в одну группу микробных аналогов бабочек и летучих мышей). Вёзе понял, что, поскольку все гены со временем накапливают не имеющие никаких последствий крошечные изменения, ему нужен был ген, который был бы одновременно жизненно необходимым всем живым клеткам и достаточно сложным, чтобы небольшие изменения в последовательности его ДНК-букв можно было использовать для измерения эволюционного расстояния. В качестве такого мерила Вёзе выбрал ген, кодирующий одну из ключевых частей бактериальной рибосомы — белковой фабрики бактериальной клетки. Это позволило ему открыть совершенно неожиданное разветвление древа жизни — древнее расхождение, в результате которого возникла отдельная ветвь похожих на бактерий микроорганизмов, которых он назвал археями. Как оказалось, генетически отличные от настоящих бактерий археи живут преимущественно в экстремальных условиях, таких как глубоководные “черные курильщики” и горячие серные источники, но среди них нашлось и несколько обитателей человеческого организма, таких как метаногенные Methanobrevibacter”.
Пока Вёзе перерисовывал древо жизни, один из его постдоков, Норман Пейс, понял, что подобный ключевой ген можно применить также в чем-то вроде ДНК-дактилоскопии, чтобы выявлять множество бактерий в образцах населенной ими среды, например почвы или воды. Иными словами, можно было сделать ДНК-зонд, который позволил бы искать рибосомные гены бактерий в почве или воде, используя в качестве мишени участок одного и того же гена, имеющегося у всех бактерий. Извлекая эти отрезки ДНК из образца, можно было затем изготовить тысячи копий подобных участков с помощью ПЦР, или полимеразной цепной реакции, — той самой методики амплификации (увеличения числа копий) генов, которую используют судмедэксперты для амплификации генетических “отпечатков пальцев”, оставленных на месте преступления. После этого можно было рассортировать эти фрагменты на основании небольших различий между ними. Красота нового метода состояла в том, что он позволил Пейсу выявлять бактерий в смешанном образце, используя ДНК-буквы единственного гена в качестве “штрих-кода”, — что намного проще, чем выделять и выращивать представителей каждого вида в культуре, впоследствии определяя их по химическим и визуальным отличительным признакам.
К концу восьмидесятых микробиологи всего мира с энтузиазмом взяли на вооружение изобретенный Пейсом метод. При этом они остановились на одном рибосомном гене (кодирующем одну из частей рибосомы — так называемую 165 рРНК), чтобы использовать его в генетической дактилоскопии бактерий. Вскоре секвенирование этого гена у каждой исследуемой бактерии стало общей практикой. В результате этих исследований была создана постоянно растущая библиотека вариантов гена 165 рРНК, которую можно было использовать для определения бактерий тем же способом, каким судебно-медицинские эксперты сравнивают обнаруженную на месте преступления ДНК с ДНК известных преступников.
