Микробиом Все повече и повече от нашите чревни бактерии се губят. Спектър на науката
Микробиом: Нашето чревно разнообразие е застрашено
Жив коралов риф, където голямо разнообразие от риби и други морски обитатели плува през ослепителен подводен свят. Или тропическа дъждовна гора, в чието тъмно зелено се крият най-разнообразните обитатели, от пеперуди до жаби и от папагали до горили. Такива образи идват първо на ум, когато става въпрос за особено разнообразни общности, пълни с фино изтъкани взаимоотношения.
От друга страна, едва ли някой ще мисли за собствените си черва по този въпрос. Той съдържа една от най-сложните екосистеми, които учените познават. Милиарди и милиарди микроби живеят там и тяхното сложно взаимодействие има далечни последици за човешкото здраве. Но подобно на рифовете и горите по света, това местообитание изглежда се променя, така че някои видове стават все по-редки. Но какво, ако в резултат се загубят и медицински важни функции и генетична информация? За да се предотврати това, в момента учените изграждат колекции, в които трябва да се запази възможно най-голяма част от микробното разнообразие за в бъдеще: вид Ноев ковчег за чревни обитатели.
Има достатъчно кандидати, които биха могли да се качат на борда. Смята се, че всеки човек носи около 1,3 пъти повече бактерии и други микроорганизми в и в тялото си, отколкото собствените си клетки. Общо има няколкостотин грама съквартиранти, повечето от които живеят в дебелото черво.
Изследванията на микробиома процъфтяват
Един грам чревно съдържание съдържа около 100 милиарда микроби, които са свързани помежду си и с техния гостоприемник чрез различни взаимоотношения. Те се съревновават и си сътрудничат помежду си, използват богатата храна в червата и превръщат трудно смилаемите компоненти в нови съединения. Стотици видове микроби отделят хиляди вещества, които имат голямо разнообразие от ефекти в организма и по този начин оказват голямо влияние върху здравето му. Експертите наричат „всички микробиоми“ всички тези микробни съжители, включително техните местообитания и екологични функции.
Изследванията върху собствената екосистема на това тяло отчитат истински бум напоследък. Всяка година по темата се появяват хиляди научни публикации. „Това е така, защото благодарение на съвременните методи генетичният състав на тези организми може да бъде анализиран много по-бързо и по-ефективно, отколкото преди десет години“, обяснява Александър Лой от Виенския университет. Той е съосновател на Австрийската инициатива за микробиоми (AMICI), в която учени от различни дисциплини се опитват да разберат по-добре общността в червата и нейните функции. „Искаме да разберем как отделните видове работят заедно, кои вещества отделят и какво правят“, обяснява изследователят. "И разбира се ни интересува дали има връзка с определени заболявания."
Разплитането на всичко това обаче е сложен въпрос. Първата стъпка е да се изследват фекални проби за микробна ДНК и по този начин да се създаде своеобразен инвентарен списък на организмите, живеещи в тях. Необходимите за това генетични анализи се фокусират главно върху изследването на последователността на изграждащите ДНК блокове в така наречения 16S rRNA ген. Тази последователност позволява да се различават особено добре различни видове бактерии.
„Това голямо разнообразие от чревни обитатели се дължи на факта, че в тази екосистема има ниши за най-различни изисквания“ (Александър Лой)
При такива изследвания отново и отново излизат на бял свят нови, все още непознати чревни обитатели. Например екип, ръководен от Самюел С. Форстър от британския институт за изследване на генома Wellcome Sanger Institute близо до Кеймбридж, наскоро откри 273 различни вида бактерии във фекалиите на 20 души от Великобритания и Канада. В края на краищата 105 от тях никога преди не са били изолирани.
„Голямото разнообразие на чревните обитатели се дължи на факта, че в тази екосистема има ниши за най-различни изисквания“, обяснява Александър Лой. Например, докато малко кислород все още е наличен директно върху чревната лигавица, която е добре снабдена с кръв, той е в недостиг по-нататък в дебелото черво. Съответно има само анаеробни бактерии, които са приспособили метаболизма си към условия без кислород.
Чревни организми - големите неизвестни
Същите видове обаче не живеят при всички хора. В зависимост от начина на живот, околната среда и генетиката, всяко черво има своя собствена, индивидуално съставена микробна общност. Нещата стават още по-сложни, защото всеки вид също се състои от различни племена. И всеки носи своя лична комбинация от тях със себе си.
"За съжаление не е възможно да се разграничат тези щамове с обичайните генетични анализи", казва Лой. Например, генът 16S рРНК не разкрива дали широко разпространените безвредни щамове на бактерията Escherichia coli живеят в червата на човек или са патогенни варианти. „По този начин можем да разберем нещо за състава на микробната общност, но не и за нейните функции“, обяснява изследователят. Особено след като в 40 до 70 процента от всички гени, открити в чревните организми, никой не знае за какво точно отговарят. „Това все още е голяма строителна площадка.“
Функциите на отделните чревни обитатели са особено интересни, що се отнася до човешкото здраве. Все по-очевидно става, че малките съквартиранти могат да влияят на най-разнообразните аспекти на метаболизма, имунната система и дори поведението. Вашият метаболизъм превръща захарта, протеините и мазнините от храната в по-малки молекули като кратковерижните мастни киселини оцетна, пропионова и маслена киселина. След това те се абсорбират през чревната лигавица и се транспортират до различни други органи чрез кръвния поток. Ацетатът, солта на оцетната киселина, достига мозъка по този начин, например, където се свързва с определени рецептори и по този начин предизвиква чувство за ситост, наред с други неща.
Издърпващите от червата
Но връзката с различни заболявания също се обсъжда отново и отново. Хората, които страдат от хронично чревно възпаление, диабет тип II или аутизъм, имат различен микробиом от здравите хора. "Това обаче не означава непременно, че тези заболявания се предизвикват от променената бактериална общност", обяснява Александър Лой. Теоретично може също така развитието да протича в обратна посока: Първо болестта избухва, това променя условията на живот в червата и накрая микроорганизмите реагират на това. „Какво е причината и какво е следствието, често не е лесно да се установи“, подчертава виенският изследовател.
В някои случаи обаче връзките са ясни. Когато броят на нормалните чревни обитатели се унищожи чрез антибиотична терапия, патогените, например, често рискуват. При липса на конкуренция те могат да се утвърдят много по-добре от обикновено в тази ситуация и по този начин също да причинят повече щети. Това е доказано например в скандалния болничен зародиш Clostridium difficile, който може да причини много силна и понякога животозастрашаваща диария и чревно възпаление.
Но дори хората, които не са приемали антибиотици, могат да имат изчерпан микробиом. В червата на градските жители в индустриалните общества като цяло изглежда има по-малко микробно разнообразие, отколкото при хората с по-традиционен начин на живот. Това е свързано главно с диетата, която при последната често е съставена от по-сложна химическа структура и поради това изисква по-разнообразен чревен плосък дял.
Микробиомът реагира на сезонните разлики
Самуел Смитс от Станфордския университет в САЩ и колегите му откриха това, например, когато изследваха микробиома Hadza в Танзания (PDF). За тези ловци и събирачи съставът на бактериалната общност се променя през годината. Те имат най-голямо разнообразие от микроби през сухия сезон, когато менюто е по-разнообразно и съдържа повече месо, отколкото през дъждовния сезон. Очевидно микробиомът реагира на такива сезонни разлики, така че видовете винаги са активни, което може да направи най-много със съответната диета. Ако диетата се промени, някои видове стават толкова редки, че вече не могат да бъдат открити във фекалиите. Те ще се появят отново до следващия сезон.
И изглежда, че точно тези гъвкави организми са в упадък в съвременните общества. Това установиха изследователите, когато сравниха данните си от Танзания с тези от хора от 16 други страни с различен начин на живот. Така че хората в съвременните общества губят ли част от съквартирантите, с които ги свързват стотици хиляди години споделена еволюционна история? И може ли това да е една от причините, поради които заболяванията в начина на живот като възпалителни заболявания на червата, затлъстяване, астма, диабет и алергии се увеличават?
Немалко микробиолози смятат, че това е напълно възможно. Тъй като има доказателства, че по-бедната чревна общност в ранна детска възраст крие по-висок риск от подобни заболявания. И тъй като все повече хора по света са привлечени от градовете и от съвременния начин на живот, тази тенденция може да се засили в бъдеще. Ето защо експертите не искат да останат настрана и да наблюдават намаляващото микробиологично наследство на човечеството.
Библиотеки за микроби
Около дузина учени около Мария Глория Домингес-Бело от университета Рутгерс в американския щат Ню Джърси са се събрали, за да формират международна инициатива, наречена The Microbiota Vault (сводът за микробиота). Те се застъпват за създаването на международно съоръжение, в което микробиологичните проби от цял свят могат да бъдат замразени за постоянно на безопасно и политически неутрално място. Моделът е Световното хранилище за семена на Шпицберген на остров Шпицберген, където семената се съхраняват от 2008 г., за да се запази разнообразието от култури на земята.
По много подобен начин „спасителната лодка за бактерии“ в бъдеще ще помогне да се запази и изследва разнообразието на съквартирантите в човешкото тяло. „Трябва да разберем по-добре кои щамове изчезват в човешките популации и какви функционални и патологични последици има това“, подчертаха някои от водещите умове на инициативата през 2018 г. в списание Science.
„Дължим на бъдещите поколения микробите, които нашите предци са колонизирали за поне 200 000 години от човешката еволюция“ (водещи изследователи на микробиоми в „Наука“)
В крайна сметка повече от половината от населението на света вече живее в градска среда. И се опасява, че може да има изгубени чревни обитатели, които са важни за човешкото здраве. Но човек не може да приеме това. „Дължим на бъдещите поколения микробите, които нашите предци са колонизирали за поне 200 000 години човешка еволюция“, пишат изследователите. Най-важното е да се запазят микробиомите на различни човешки общества по света. И особено от тези, които все още не са следвали тенденцията към градски живот. За това може да не остане много време, учените подчертават: "Трябва да започнем, преди да е станало твърде късно."
Първите стъпки по този път вече са предприети. Eric Alm, Mathieu Groussin, Mathilde Poyet и Ainara Sistiaga от Масачузетския технологичен институт (MIT) в Кеймбридж, САЩ, стартираха друга инициатива за защита на микробите, Global Microbiome Conservancy (GMC), през 2016 г. Експерти от около 70 научни и медицински институции по света сега работят заедно тук. Включени са широк спектър от учени от различни дисциплини - от микробиолози и лекари през антрополози до еколози и еволюционни биолози. Заедно те се опитват да съберат и съхранят колкото се може повече от разнообразието на живота от човешкото черво.
Служителите на GMC стартираха своята библиотека с бактерии с повече от 7600 проби от червата на здрави жители на градовете в Северна Америка. След това те събраха и замразиха около 4000 щама бактерии от неиндустриализирани общества в Арктика, Канада, Камерун и Танзания. Понастоящем колекцията се разраства и включва повече от 11 600 проби от бактерии от 23 човешки популации по света. И работата продължава. Разрешенията за колекции в Гана, Руанда и Малайзия вече са там.
Всеки си запазва правата на собственост върху своите микроби
За да получат повече пътници за замръзналия си ковчег, изследователите искат да работят с възможно най-много различни хора по света - особено с членове на коренни народи. Те подчертават, че всеки участник, който дари изпражненията си за проекта, запазва собствеността върху своите микроби. Освен това тя трябва да бъде отворена и нетърговска колекция, до която всеки заинтересован учен има достъп. Ако един ден лекарствата или друга употреба могат да бъдат разработени от колекцията, страните на произход на донорите също трябва да се възползват.
„Това са всички важни моменти, които трябва да се спазват в такава колекция“, подчертава Александър Лой. Като цяло той смята, че усилията на GMC са много полезни. Вече има няколко големи колекции от бактериални щамове по света, които също съдържат чревни обитатели. В Германия например много богата колекция се съхранява в Лайбниц институт DSMZ - Германска колекция от микроорганизми и клетъчни култури в Брауншвайг; подобни институции има например в САЩ и Япония. „Тези колекции обаче засега съдържат значително повече човешки племена от индустриализираните страни“, обяснява Лой. „Не знаем толкова много за микробиомите в развиващите се страни.“ Той намира за още по-полезно да запълни тази празнина и да събира систематично проби от различни региони на света.