Камера в колесе жизни

 

Хотя трудами двух микробиологов наука и получила почти полный перечень бактерий нашего кишечника, представления о том, как эти микроорганизмы заселяют свою среду обитания – и даже приспосабливают ее под собственные нужды, – еще продолжают постепенно формироваться. Как и заселение ротовой полости и кожи, заселение человеческого пищеварительного тракта – вместилища 99 % микрофлоры нашего организма – начинается во время рождения с лактобактерий, с которыми младенец встречается в родовых путях. Когда голова младенца показывается из родовых путей, она сжимает прямую кишку матери, выдавливая наружу небольшое количество стула. Врачи и медсестры спешат стереть следы этой неприятности, но их щепетильность, возможно, противоречит задачам природы – немедленно и непосредственно передать младенцу кишечных бактерий матери. Если так, то не случайность, а естественный отбор может быть причиной того, что голова новорожденного при ее появлении из родовых путей обычно расположена лицом к прямой кишке матери и остается в таком положении, пока продолжающиеся схватки не выведут на свет плечи и все тело24. Положение головы лицом к заднему проходу служит гарантией того, что первыми из миллиардов бактерий, с которыми младенец столкнется уже в первый день своей жизни, будут как раз те, к которым иммунная система его матери выработала защитные антитела. (Временный запас этих антител уже передан младенцу через плаценту.) Когда младенец запивает этих бактерий материнским молоком, в его организм поступает вторая волна микрофлоры – миллионы бифидобактерий.

Все проникающие внутрь микроорганизмы, прежде чем попасть в кишечник младенца, должны пройти через прихожую его желудка. В желудке детей постарше и взрослых высокие концентрации соляной кислоты создают убийственный для микробов барьер. Но интенсивное выделение этой кислоты по‑настоящему начинается лишь в возрасте около трех месяцев, и лишь через несколько лет её концентрация достигает такого же уровня, как у взрослых Эта задержка гостеприимно открывает двери для заселения желудка и кишечного тракта в первые годы жизни ребенка Представим себе, к примеру, как он в течение этого периода сталкивается с желудочной бактерией Helicobacter pyiorj Эти бактерии обычно попадают в организм ребенка через руки или губы кого‑то, кто ими уже заселен. Будучи проглоченной, верткая бактерия вбуравливается в слизистую оболочку, которой предстоитзащищать желудок от той соляной кислоты, что будет в нем плескаться. По ходу созревания выделяющих кислоту клеток желудка некоторые штаммы Н. pylori вводят в них белки, заставляющие данные клетки понижать кислотность до уровня, легче переносимого бактерией, но все же достаточно высокого, чтобы убивать большинство других разновидностей микробов. Этот метод позволил Н. pylori сохранять что‑то вроде монополии на человеческий желудок в течение примерно шестидесяти тысяч лет. Определение штамма H. pylori, свойственного некоторой семье или популяции, можно даже использовать, чтобы отслеживать ее происхождение и пути миграций ее предков вплоть до тех времен, когда представители Homo sopiens впервые расселились за пределы Африки.

С одной стороны, это понижение кислотности в желудке защищает взрослых людей от изжоги и снижает риск развития рака пищевода. С другой стороны, у некоторых, хотя и немногих зараженных Н. pylori вызывает воспаления, достаточно серьезные, чтобы приводить в более позднем возрасте к развитию язвы или рака желудка. Один из давних парадоксов современной медицины состоит в том, что Н. pylori начал вызывать язвы только в середине или в конце XIX века, как раз тогда, когда он стал исчезать из человеческих желудков из‑за улучшения качества воды и внедрения первых антибиотиков, таких как препараты висмута.

В тридцатые годы XIX века молодые европейские женщины, недавно здоровые, начали умирать от тяжелых форм, вызывавших прободение стенки желудка. Внезапная и мучительная смерть этих женщин ясно свидетельство о том, что ее причиной была скорее какая‑то новая, чем не выявленная ранее болезнь. Недуг распространился от женщин на мужчин и из Европы в Северную Америку, и оставался преимущественно болезнью городского населения, из чего был сделан вывод, что развитие язвы вызывается стрессами, характерными для современной жизни. На заре XX века медики считали, что фермеры и другие сельские жители в основном не подвержены этому заболеванию благодаря “жизни на свежем воздухе и сравнительной свободе от тревог <…>, что позволяет им успешно переваривать продукты, которые были бы губительны для желудка бухгалтера или его работодателя”.

Только в восьмидесятых годах XX века австралийским патологам Робину Уоррену и Барри Маршаллу удалось наконец убедить скептиков от медицины, что хвостатая бактерия, обнаруженная ими при биопсии пораженных язвой тканей, как‑то связана с самим поражением28. При этом язва желудка остается в наши дни заболеванием, почти неизвестным в развивающихся регионах, например в Африке, где большинство людей приобретают Н. pylori еще в младенчестве. Возможно, что задержка или нарушение заселения желудка этой бактерией, связанные с улучшением качества воды или с применением антибиотиков, каким‑то образом сказывается на иммунологическом “перемирии”, заключенном между микробом и нашей иммунной системой за тысячи, а возможно, и за миллионы лет.

Так или иначе, Н. pylori быстро исчезает на Западе – быть может, освобождая желудки для заселения другими микробами, которые не могут похвастаться такой продолжительной коэволюцией с людьми. Сегодня в Северной Америке и Западной Европе доля носителей Н. pylori среди детей составляет меньше 10 %, хотя эту бактерию можно обнаружить примерно у 30 % их родителей и у большинства их дедушек и бабушек. Хорошая новость состоит в том, что подобный упадок Н. pylori привел к резкому снижению заболеваемости как язвой, так и раком желудка. Но есть и плохая новость: возможно, что именно исчезновение H. pylori и вызвало отмеченный за последние тридцать лет беспрецедентный рост заболеваемости гастроэзофагеальной рефлюксной болезнью и раком пищевода – одной из тех причин смерти, частота которых в развитых странах особенно быстро повышается.

Пройдя через прихожую желудка, оставшиеся в живых бактерии оказываются в извилистом лабиринте тонкой кишки – ее стенки покрыты густым лесом пальчатых выростов, или кишечных ворсинок, до предела увеличивающих площадь поверхности, через которую питательные вещества могут попадать в кровоток. Низкая кислотность (то есть нейтральный pH) тонкой кишки создает в ней идеальную среду для роста бактерий. Но мало кто из них остается здесь надолго, потому что мощные сокращения стенок создают поток разжиженной пищи, который смывает всех, кроме самых цепких.

Именно в тонкой кишке попадающие в организм микробы особенно непосредственно сталкиваются с еще не проснувшейся иммунной системой младенца. Колышущиеся ворсинки местами расступаются, открывая голые склоны, поверхность которых покрыта мозаикой из странных ямчатых и уплощенных клеток. Это так называемые Пейеровы бляшки (названные в честь впервые описавшего их швейцарского анатома XVII века Иоганна Конрада Пей‑ ера) – куполообразные структуры, под которыми располагаются важнейшие военные училища иммунной системы. Ямки на поверхности уплощенных клеток представляют собой полости, в которые постоянно ловятся проплывающие мимо бактерии (как живые, так и мертвые). Они, как вращающиеся двери, движутся к внутренней поверх‑ ности клеток, препровождая своих пассажиров в расположенную под этими клетками лимфатическую ткань.

Внутреннее строение Пейеровых бляшек сходно с внутренним строением лимфатических узлов, которые будут созревать у младенца на шее, в паху и под мышками. Но если лимфатические узлы напоминают полигоны, на которых иммунные клетки учатся, что им атаковать, то лимфатическая ткань Пейеровых бляшек напоминает дипломатическое представительство, где входящие микробы пользуются презумпцией невиновности: их по умолчанию считают “дружественными” или, по крайней мере, “мирными”, пока не будет доказано обратное.

Однако неправильно было бы сказать, что иммунная система учится игнорировать кишечных бактерий. Взаимодействие микробов с Пейеровой бляшкой, вместо того чтобы вызывать убивающую их воспалительную реакцию, запускает массовый синтез антитела, которое называют иммуноглобулином А, или IgА. Как и все антитела, IgА прикрепляется к специфическим мишеням, в данном случае – к определенной разновидности кишечных бактерий. Вместо того чтобы помечать бактериальную клетку для уничтожения (как делает большинство антител), IgА просто скапливается островками на ее поверхности, не давая ей прикрепиться к стенке кишечника, то есть как бы вежливо говоря ей: “Проходите! Не задерживайтесь!” Кроме того, встреча, оказываемая микробам на нейтральной территории Пейеровой бляшки, вызывает размножение Г‑клеток и B‑клеток, которые поведут атаку на тех же микробов, если они вдруг окажутся на запретной территории, например в крови. Так незрелая иммунная система младенца учится терпимо относиться к проглоченным бактериям и в то же время бдительно держать их на безопасном стоянии. Чтобы по достоинству оценить всю важность этой дипломатии, представьте себе, что происходит, когда в её работе случается сбой. При болезни Крона и неспецифическом язвенном колите иммунная система реагирует на соприкосновение с безвредными кишечными микроорганизмами бурным, убивающим ткани воспалением из‑за которого возникают вызывающие мучительную боль язвы, в тяжелых случаях приводящие к гибели человека из‑за их прободения.

Число Пейеровых бляшек в выстилке тонкой кишки ребенка по мере его взросления постепенно сокращается от нескольких сотен до примерно тридцати. Последняя' оставшаяся группа этих бляшек концентрируется на стенках последнего отдела тонкой кишки, перед самым выходом в толстую кишку, служащую для бактерий обширным пересыльным центром. В оставшихся бляшках сильно сокращенный дипломатический корпус иммунных клеток продолжает следить за ежедневным передвижением миллионов микроорганизмов, узнавая в подавляющем большинстве из них нормальных и заслуживающих терпимого отношения мигрантов.

Пройдя через тонкую кишку с ее мощными сокращениями и отлавливающими микробов клетками, бактерии попадают в отстойник толстой кишки. Хотя в момент рождения она стерильна, впоследствии ей предстоит стать настоящим тропическим лесом для населяющих человеческий организм микробов. В 1905 году французский микробиолог Анри Тиссье первым начал исследовать становление экосистемы этих джунглей, изучая изменения в продукции, которую она дает на выходе.

Под конец первого дня жизни рожденного естественным путем ребенка состав имеющихся в его стуле немногочисленных бактерий отражает микрофлору влагалища и кишечника его матери. У ребенка же, рожденного с помощью кесарева сечения, в стуле обнаруживается менее предсказуемый набор микробов, попавших в организм от акушеров и в целом из окружающей среды. Если ребёнка кормят грудью, то на третий день, независимо от способа родов, его стул содержит почти что монокультура бифидобактерий, которые продолжают доминировать вплоть до начала питания твердой пищей. Кишечник ребенка, вскармливаемого искусственно, тоже содержит бифидобактерий (хотя источник их неизвестен), но в гораздо меньшем количестве, в составе неустойчивой смеси с другими микробами.

Бифидобактерии в кишечнике младенца, как и на его коже и в ротовой полости, препятствуют росту микробов, способных вызвать неприятности, таких как стафилококки, помогают отобрать первых постоянных поселенцев. Кроме того, исследования показывают, что обилие кишечных бифидобактерий способствует повышению уровня защитных антител в крови ребенка – антител, мишенями которых служат не только потенциально опасные бактерии, но и многие разновидности вызывающих понос желудочно‑кишечных вирусов. Этот факт помогает объяснить, почему смертность выкармливаемых грудью младенцев в странах третьего мира с плохим санитарным состоянием воды в целых шесть раз ниже, чем смертность младенцев, растущих на искусственном питании. Даже в США, где смерть младенца от вызывающей понос инфекции остается редким явлением, эпидемиологи отмечают на 20 % более высокую выживаемость в течение первых шести месяцев жизни у младенцев, вскармливаемых грудью, по сравнению с получающими искусственное питание – независимо от доходов и уровня образования родителей.

Первая волна кишечных микробов вызывает также созревание выстилки толстой кишки. Расположенные в глубине кровеносные сосуды протягиваются к поверхности кишечной стенки и образуют там густую сеть тонких капилляров, необходимых для поддержания здоровья кишечной стенки, а также для поглощения питательных веществ, высвобождаемых кишечными бактериями. При этом первое её соприкосновение с бактериями вызывает пробуждение миллионов стволовых клеток кишечника. После активации клетки начинают нескончаемо делиться, и их размножение позволяет постоянно обновлять нежный поверхностный слой выстилки кишечника. Сами эти поверхностные клетки в свою очередь начинают отпадать с частотой несколько миллиардов клеток в день. Непрерывная замена клеток делает кишечный тракт устойчивым к повреждениям, неизбежно возникающим при переходе к питанию твердой пищей, в которой в изобилии содержатся природные токсины, а время от времени попадаются и острые предметы или болезнетворные микробы.

Начало питания твердой пищей более или менее выравнивает различия между бактериальными сообществами младенцев, вскармливаемых грудью и растущих на искусственном питании, хотя в мире и нет двух людей, у которых в кишечниках обитали бы абсолютно одни и те же виды и штаммы бактерий. В среднем около тридцати видов становятся доминантами, а сотня или около того присутствуют в небольшом количестве. К самым многочисленным и продуктивным из них относятся палочковидные представители бактероидесов (Bacteroides) и эубактерий (Eubocteria). Первые, такие как В. theta iotaomicron (В. theta), В. vulgatus и В. fragilis, составляют от 20 до 30 % кишечных бактерий человека и каждый день выделяют около литра лишенных запаха углекислого газа и водорода. Микроорганизмы из рода Eubacteria заявляют о себе, выделяя более пахучий сероводород, имеющий знакомый всему свету запах тухлых яиц.

Кроме того, рано или поздно мы становимся хозяевами деленного набора кокков – шарообразных анаэроб‑ ° бактерий. К ним относятся представители родов Тterococcus, Peptococcus, Streptococcus и Peptostreptococcus, сбраживающие определенный набор сложных белков С жиров (гликопротеинов и гликолипидов) до более простых сахаров и жирных кислот, которые наш организм способен усваивать. Попутно они выделяют еще одно пахучее вещество – маслянную кислоту с ее характерным запахом испорченного масла.

В совокупности виды из родов Bacteroides и Eubacteria и разнообразные кокки высвобождают до 30 % калорий, потребляемых человеком с пищей, особенно из богатых углеродами продуктов, таких как кукурузные хлопья или макароны.

Еще один важный компонент кишечной микробиоты составляют клостридии. Некоторые из них производят токсины, и все они умеют пережидать неблагоприятные условия в виде спор. Самая печально известная из них, Clostridium difficile, обладает отвратительной склонностью вызывать понос и воспаление толстой кишки после курса антибиотиков, устраняющего конкурентов этой бактерии. Как ни странно, С. difficile живет в кишечниках большинства детей, не вызывая у них никаких неприятных последствий. К зрелому возрасту, когда этот микроб может стать источником неприятностей, нормальная микрофлора обычно держит его под жестким контролем.

К представителям меньшинств в сообществе кишечных бактерий относятся полдюжины разновидностей лактобактерий и небольшое число факультативных анаэробов, таких как кишечная палочка, чья способность выживать на открытом воздухе позволяет ей забредать куда не следует и иногда вызывать неприятности в таких местах, как женские мочевые пути. Кроме того, примерно у каждого пятого из нас в достаточном количестве, чтобы их можно было обнаружить, живут метаногенные кишечные микробы, так как Methonobrevibacter smith i i и Methanosphaera stadma. Эти метаногены питаются водородом и углекислым газом, которые выделяются их соседями, переваривающие пищевые волокна. Как и водород, метан не имеет запаха но легко воспламеняется (последнему свойству этих газов' не устают радоваться мальчишки всего мира).

Кожа. Рот. Нос. Пищеварительный тракт. К концу восьмидесятых годов прошлого века микробиологи уже могли похвастаться базовыми представлениями о том, кто где обитает на человеческом теле, а также зачаточными знаниями как о пользе этих обитателей, так и о связанных с ними опасностях. Чего наука пока не могла объяснить, это как иммунная система терпит их присутствие – особенно в случае перенаселенного государства, живущего у нас в кишечнике. Другая, не меньшая, загадка – как именно населяющие наш организм бактерии запускаютте глубокие изменения, которые их присутствие явно вызывает в наших клетках и тканях. Ответы на эти вопросы обещали не только удовлетворить чисто научный интерес, но и открыть, каким образом нарушения хитроумной дипломатии, определяющей взаимоотношения микробов и людей, могут приводить к болезням.

 

Кто здесь главный?

 

Джеффри Гордон, бывший гастроэнтеролог, ставший микробиологом и специалистом по кишечной микрофлоре, возглавляет процветающий новый Центр геномных исследований Университета Вашингтона в Сент‑Луисе. Обширное, освещенное полосками солнечного света помещение лаборатории этого Центра располагается над прославлений университетским Центром секвенирования (прочтения ДНК‑букв) генов – одним из главных участников проекта «геном человека”: в его рамках к 2003 году были секвенированы все те 20 или 25 тысяч генов, которые читаются как Homo sapiens.

“Теперь пора взглянуть на человеческий геном шире, – говорит Гордон, – принимая во внимание, что наш организм содержит, по‑видимому, в сотню раз больше микробных генов, чем человеческих”. В 2005 году Гордон и его коллеги из Стэнфордского университета в Калифорнии и Института геномных исследований в Мэриленде вложили средства, выделенные по нескольким многомиллионным грантам (как частными фондами, так и государственными учреждениями), в осуществление своей инициативы “Микробном человеческого кишечника” – проекта, в рамках которого им предстоит выделить, секвенировать и проанализировать всю совокупность микробных генов, задействованных в поддержании здоровья и жизнедеятельности человеческого организма, а иногда и в возникновении неполадок в его работе. Один из аспектов этого огромного проекта состоит в том, чтобы подготовить характеристику генетических способностей кишечной микрофлоры. Другой – в том, чтобы полностью секвенировать геномы сотни самых многочисленных бактерий, обитающих в толстой кишке человека.

Этот проект, посвященный “другому геному человека”, представляет собой лишь один из дюжины с лишним исследовательских проектов, над которыми единовременно работают сотрудники Гордона, и все эти проекты направлены на изучение влияния на здоровье и болезни человека кишечных микроорганизмов, обитающих не только в толстой кишке, но и в других частях человеческого тела. Штат сотрудников его лаборатории состоит из постоянно эволюционирующей группы из двадцати с лишним аспирантов и постдоков, специалистов по широкому кругу дисциплин от экологии бактерий до рентгеноструктурного анализа.

Гордон заинтересовался бактериями толстой кишки еще в семидесятых и восьмидесятых годах, когда работая гастроэнтерологом и изучал гены, управляющие делением клеток, благодаря которому выстилка человеческого кишечника непрерывно обновляется. Эта постоянная замена клеток (старые клетки гибнут, когда им исполняется всего три дня) не только делает выстилку кишечника устойчивой к повреждениям, но и не дает обитающим в толстой кишке бактериям ни проникнуть слишком глубоко, ни достичь слишком высокой численности: подавляющее большинство бактериальных клеток, сидящих на сброшенных клетках эпителия, ежедневно удаляется из организма при дефекации. Гордон осознавал, что все это деление клеток дается дорогой ценой: рождение каждой новой клетки сопряжено с риском какой‑нибудь случайной мутации, которая может отключить механизм торможения деления и привести к образованию раковой опухоли. Гастроэнтерологов ничуть не удивляет, что рак толстой кишки составляет вторую по частоте причину смертей от рака в промышленно развитых странах (уступая только связанному с курением раку легких).

Ранние исследования Гордона были посвящены механизмам включения и выключения различных генов на определенных этапах развития клетки кишечной стенки, по мере того как клетка перемещается из углубления между ворсинками к вершине ворсинки. Он пришел к выводу, что гены при этом строго следуют поступающим откуда‑то инструкциям. Но откуда? Рассуждая в традиционном ключе, Гордон стал бы искать источник подобных биохимических сигналов в тканях и органах, лежащих глубже выстилки кишечника. Вместо этого он заинтересовался возможностью того, что клетки кишечника маршируют по указке бактерий, сидящих на их наружной поверхности.

Гордон учитывал, что внутри толстой кишки в каждый момент времени обитают сотни разновидностей бактерий и других микроорганизмов, а значит, для проверки его теории требовалась некая упрощенная модельная система. Сотрудники лаборатории Гордона научились у Абигайль Сэльерс, микробиолога из Иллинойсского университета, искусству выращивания безмикробных мышей. С помощью таких мышей Гордон мог выяснить, что происходит, когда им по одному возвращают представителей микробиоты мышиного кишечника. Абигайль Сэльерс играла для его лаборатории роль неофициального наставника. Гордон получил от нее культуру клеток В. theta, выделенных из стула здорового человека. Ранее она выяснила, что В. theta растет не только в человеческом, но и в мышином кишечнике. Впоследствии Гордон установил, что эта бактерия играет в микробном сообществе кишечника особую, ведущую роль.

Например, исследования команды Гордона продемонстрировали, что когда мышь не получает своей обычной порции пищи, В. theta начинает жить подаянием. Абигайль Сэльерс уже выяснила, что В. theta переносит такие голодные времена, питаясь особым сахаром (фукозой), выделяемым клетками кишечника. В лаборатории Гордона было показано, что клетки кишечника выдают это угощение только по требованию В. theta. Вначале исследователи продемонстрировали, что клетки кишечника безмикробных мышей перестают выделять фукозу в течение недели после рождения. “Они как бы готовились к приему гостей, которые так и не появились”, – говорит Гордон. Но стоит впрыснуть порцию микробов из рода Bacteroides в глотку взрослой безмикробной мыши, как выделение сахара сразу возобновляется. На следующем этапе исследователи воспользовались тремя разными штаммами мутантных В. theta (которых тоже предоставила им Абигайль Сэльерс), чтобы разобраться, что именно при этом происходит. Одной группе безмикробных мышей они ввели мутантные клетки В. theta не способные прикрепляться непосредственно к клеткам' кишечника. Но клетки кишечника при этом все равно начинали выделять фукозу. Другой группе безмикробных мышей ввели клетки В. theta, не способные усваивать фукозу. И все равно клетки кишечника начинали ее выделять. Поток этой пищи не поступал лишь у третьей группы мышей, которым ввели монокультуру В. theta, не способную вырабатывать определенный белок – в нем исследователи и подозревали биохимический сигнал, означающий просьбу о подаянии Иными словами, клетки кишечника начинали выделять сахар не просто в ответ на соприкосновение с бактериями или в случае недостатка фукозы. Ключом к их реакции был сигнал “покормите меня”, получаемый от В. theta и включающий в мышиных клетках ген, который без подобного сигнала отключается в течение первых нескольких дней жизни. Это открытие было первым из полученных Гордоном убедительных подтверждений его казавшейся некогда странной идеи, что кишечные бактерии могут напрямую управлять деятельностью клеток кишечника.

В девяностых годах, с появлением метода ДНК‑микрочипов, в распоряжении Гордона оказалось новое мощное орудие для исследований в этой области. ДНК‑микрочипы позволяют ученым одновременно проверять на предмет активности тысячи генов. Для этого используются тысячи помеченных флуоресцентными метками отрезков ДНК, расположенных в строго определенном порядке на сетке размером с предметное стекло. В 2002 году в лаборатории Гордона использовали содержащий около 20 тысяч известных генов мыши “мышиный” микрочип и установили, что сотни из этих генов включаются, когда безмикробной мыши впервые вводят порцию В. theta45. Как и ожидал Гордон, среди этих генов было немало задействованных в процессах нормального созревания выстилки кишечника.

Кроме того, введение В. theta включало также мышиные гены, задействованные в синтезе особых транспортных молекул, необходимых клеткам кишечника для поглощения и использования многих питательных веществ, поставляемых им В. theta и родственными видами бактерий. Все это усиливало складывавшееся у Гордона впечатление, что присутствие В. theta играет особенно важную роль в поддержании здоровья кишечника.

Команда Гордона завершила секвенирование всех 4779 генов В. theta, ответственных за синтез белков, в 2003 году – в тот же год, когда в рамках проекта “Геном человека” были секвенированы все гены Homo sapiens. Исследователи выяснили, что более сотни своих генов В. theta использует для добычи непереваренных растительных углеводов, а еще 170 генов служат для расщепления этих углеводов на составляющие, которые может усвоить организм мыши (или человека). Кроме того, оказалось, что В. theta обладает сложным аппаратом, позволяющим отслеживать, какие питательные вещества доступны клетке в каждый момент времени, чтобы подбирать подходящие наборы биохимических инструментов для работы с ними.

Кроме того, секвенирование генома В. theta дало исследователям из лаборатории Гордона возможность получить ДНК‑микрочип с генами этого микроорганизма, в дополнение к “мышиному” микрочипу. Теперь у них появился шанс выслушать обе стороны в биохимическом разговоре хозяина и микроба. В следующем, 2004 году они открыли, что главенствующее положение В. theta проявляется и за пределами кишечника. Исследователям удалось перехватить приказания, отдаваемые В. theta жировым клеткам брюшного отдела мыши48. При этом выяснилось, что В. theta останавливает синтез гормона, подавляющего образование жира, так называемого “индуцируемого голодом жирового фактора” – Fiaf {fasting‑induced adipose factor). Данное открытие во многом объясняло одно сделанное ранее наблюдение. Когда безмикробным мышам вводили в глотка клетки В. theta, у животных немедленно начинал откладываться брюшной жир, и это притом, что они получали на 30 % меньше еды, а интенсивность обмена веществ у них повышалась так, что они сжигали почти на 30 % больше калорий.

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 кишки49. 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)50. “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 размножаться51. 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 тра^ 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.

 






Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 922; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2021 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.022 сек.