Човекът и неговите бактерии NZZ

Няколко трилиона бактерии живеят върху хората и поемат жизненоважни задачи там. Въпреки че видовият състав може да варира значително в зависимост от човек, целият геном, който населението носи със себе си, е много сходен.

Бактериите на ешерихия коли се чувстват добре в червата на човека. Картината е направена със сканиращ електронен микроскоп. (Изображение: NIH/Wikipedia)

Когато човешкият геном беше напълно секвениран през 2003 г., за мнозина изглеждаше невероятно, че същество, толкова сложно, колкото хората, може да се справи само с 30 000 гена. За тези хора със сигурност е успокояващо да чуят, че това не е така. Защото без приблизително 100 трилиона (10 14) бактерии, които колонизират хората, те не биха били жизнеспособни, поне не във формата, в която съществуват днес. Навсякъде по кожата, в устата или в червата гигантски брой бактерии образуват малки процъфтяващи екосистеми. Те се хранят с човешки отпадъци, разграждат несмилаеми фибри, произвеждат някои важни витамини и подпомагат домакина си в защита срещу патогенни бактерии. Ето защо някои учени също разглеждат хората като вид суперорганизъм, който се състои от много човешки клетки и около 10 пъти повече бактериални клетки. Погледнато по този начин, бактериалният геном ще разшири човешкия геном до около 30 милиона гени. И до днес обаче се знае малко за влиянието, което тези гени и техните носители наистина оказват върху хората. Но това е обект на нарастваща изследователска област.

Бактериите на ешерихия коли се чувстват добре в червата на човека. Картината е направена със сканиращ електронен микроскоп. (Изображение: NIH/Wikipedia)

Бактериите колонизират бебета

Бактериалните колонии, които колонизират човек, са уникални за всеки индивид. Как възникват тези различия - например по отношение на диетата, генетичните характеристики на човека или случайно излагане на микроорганизми - все още е въпрос на спекулации. Някои заболявания, като хронично възпалително заболяване на червата или инвазии на патогенни бактерии, са свързани с нарушаване на вътрешния баланс в бактериалната екосистема. Най-добре изследваното човешко бактериално общество досега е чревната флора; счита се, че е най-гъсто населената от всички известни екосистеми и се оценява като дом на около 500 до 1000 различни вида и около 7000 подвида. Появата и численото съотношение на видовете съставляват индивидуалния профил, така да се каже личен пръстов отпечатък, на човек.

Патрик О. Браун и Чана Палмър от Медицинския факултет на Станфордския университет в Калифорния изследват как възниква отделното бактериално общество. За целта те редовно анализираха бактериите в пробите на изпражненията от 14 бебета от раждането до двегодишна възраст. Защото веднага щом се роди бебе от стерилната среда в утробата, бактериите от различни родове и видове завладяват все още напълно угарната зона. Беше показано, че всяко бебе има много личен състав от самото начало, който, макар и да се променя с течение на времето, винаги запазва безпогрешно индивидуален профил.

Паралелните колебания в появата и изчезването на отделни видове при дизиготна двойка близнаци предполагат, че генетиката и случайният контакт с различни среди играят роля в колонизацията. Първите имигранти идват от резервоара на майката за бактерии, както се вижда от сравнения с проби от влагалището им, изпражненията и кърмата. След около година всички бебета имат относително подобен профил, ставайки все по-сходен с този на типично възрастно бактериално общество. Преминаването към твърда храна представлява ясен преломен момент от бактериално общество, подобно на бебе, към типична чревна флора за възрастни. Бактериите се адаптират в идеалния случай към условията в червата и въпреки това индивидуалният профил, но също и приликите между тях, остава Членовете на семейството съществуват от години. Последното е показано от резултатите от наскоро публикувано проучване с 31 идентични и 23 дизиготични възрастни близнаци и техните майки.

В него изследователи от групата на Джефри Гордън от Вашингтонския университет в Сейнт Луис успяха да покажат, че чревната флора между членовете на семейството е по-сходна от тази между несвързаните хора. Приликата между еднояйчни близнаци беше най-голяма, тази между дизиготите само малко по-малка и тази с майките малко по-голяма. Това би могло да предположи, че генетиката има по-малко въздействие от общата среда, защото въпреки че еднояйчните близнаци споделят 100 процента от гените, а дизиготите - само около 25 процента, приликите между бактериалните общества сред еднояйчните близнаци са само малко по-големи. Ако обаче се вземат предвид резултатите на други изследователски групи по тази тема, все още няма единна картина.

Чревната флора влияе върху теглото

В няколко проучвания обаче изследователите от групата на Гордън са успели да покажат, че диетата има силен ефект върху структурата на чревната флора. Учените изследват влиянието на бактериите върху усвояването на енергия при мишки и хора в продължение на няколко години и са показали, наред с други неща, че бактериите увеличават усвояването на захарните молекули в червата. В допълнение, те изглежда насърчават усвояването на мастни киселини в мастните клетки чрез сложен и все още не напълно разбран механизъм. По този начин многото бактерии помагат на своя гостоприемник да използва по-добре храната, която яде. Както при мишките, така и при хората, около 90% от чревната флора се състои от бактериални видове от 2 от около 70 съществуващи бактериални отделения, Firmicutes и Bacteroidetes. И както изследователите успяха да покажат, диетата има голямо влияние върху това кои видове бактерии са предимно в червата.

Мишките, които бяха поставени на типична западна диета с високо съдържание на мазнини и въглехидрати, показаха промени в чревната флора в рамките на няколко седмици. Обикновено някои членове на определен клас от подразделението Firmicutes, моликутите, не са особено разпространени в червата на мишките. След промяната в диетата обаче те станаха значително по-чести. В същото време представителите на Bacteroidetes бяха инхибирани. Изследователите също са наблюдавали натрупване на класове Mollicutes при хора във връзка със затлъстяването. Въпреки това, след като тези хора бяха поставени на диета, те отслабнаха и в същото време чревната флора се нормализира. Човек може да промени структурата на чревната си флора чрез диета.

Но самите бактерии също могат да окажат силно влияние върху гостоприемника: Те могат да окажат пряко влияние върху теглото му. Изследователите показаха това, като напълно трансплантираха бактериите от мишки, които бяха хранени с високоенергийна диета в продължение на седмици, в тънки мишки, които нямаха собствена чревна флора, защото бяха отгледани при абсолютно стерилни условия. Въпреки че тънките мишки поддържат нормална диета, те се напълняват след трансплантацията, значително повече от мишките, които са получили чревна флора от мишки с нормално тегло. Както изследователите успяха да покажат, това изглежда се дължи на факта, че видовете бактерии, които са по-често срещани при мастните мишки, превръщат несмилаемите фибри в лесно смилаеми мастни киселини много по-ефективно от тези при тънки мишки. Отделното бактериално общество има решаващо влияние върху това колко енергия печели мишката от храната.

Гени като често срещани

Същите изследователи наскоро намериха доказателства, че подобни метаболитни различия се контролират от генома, донесен от чревните бактерии и че има по-големи прилики между два индивида на ниво геном, отколкото на ниво вид. За да направят това, в гореспоменатото проучване те изследваха таксономичния и генетичния състав на бактериите в проби от изпражнения от 31 монозиготни и 23 дизиготични близнаци, които или бяха дебели, или и двете са слаби, и техните майки. Както се оказа, разнообразието на бактериалните видове беше значително ограничено по отношение на дебелината. Очевидно свръхпредлагането на храна води до намалено разнообразие в чревната флора.

Но сега изследователите искаха да знаят дали има общ знаменател за всички индивиди, т.е. определени видове или бактериални гени, които винаги са представени. За да направят това, те анализираха целия бактериален геном, така наречения микробиом, в проби от изпражнения от 18 души - 3 дебели и тънки двойки близнаци и техните майки. Анализът показа, че всъщност има повече прилики на генно ниво, отколкото на видово ниво. Изглежда, че различните видове бактерии с едни и същи гени изпълняват много сходни функции в червата. След това изследователите сравняват микробиомите на дебелите хора с тези на слабите, беше установено, че някои бактериални гени са значително по-често срещани при затлъстели хора, особено тези, които разграждат въглехидратите.

Генетичният състав на бактериите определя доколко ефективно човек използва храната си. Човек може да използва диетата си, за да контролира кои видове или кои бактериални гени се срещат по-често в червата, а те от своя страна влияят върху това колко енергия приема човекът. Как точно се осъществяват тези взаимодействия между бактериалните и човешките клетки в човешкия суперарганизъм и дали тези ефекти могат да се използват в допълнение към диета, все още не е известно. Допълнителните знания за това и възможните приложения обаче могат да се превърнат в доходоносен бизнес в добре храненото общество с оглед на нарастващите здравни разходи.