Я – суперорганизм! Человек и его микробиом - Джон Тёрни

Еще одно, менее противоречивое упрощение предполагает непосредственное изучение ошеломляющего разнообразия обитателей кишечного микробиома. Тут есть два аспекта: можно заниматься количеством видов, которые человек несет в себе и на себе, а можно обратиться к микробным различиям между людьми.

Микробное разнообразие в каждой толстой кишке громадно и обычно измеряется сотнями видов. Однако зачастую лишь несколько видов (может быть, с полдюжины) присутствуют в значительных количествах, а численность всех остальных постоянно остается на гораздо более низком уровне. Неизвестно, можно игнорировать эти длинные хвосты графика распределения или хотя бы какую-то их часть. Вероятно, эти малочисленные виды представляют некий ресурс, генофонд, из которого при необходимости можно черпать материал. При благоприятных условиях бактерии размножаются быстро, а значит, любое меньшинство может вмиг стать большинством. Однако такое положение вещей всё же заставляет обращать главное внимание на самые распространенные и массовые виды, тем самым помогая формировать приоритеты для дальнейших исследований.

Из первого обзора данных проекта «Микробиом человека» ученые вывели еще одно упрощение. Этот подход остается действенным и сегодня. Дело в том, что при выявлении видов, обнаруживаемых в кале, соответствующие микробиомы разных людей оказываются весьма различными. Но если не только применять разбиение на типы при помощи 16S рРНК, но и проанализировать весь массив ДНК иным способом, не обращая внимания на конкретные виды, картина становится более четкой.

Чтобы ее увидеть, нужно вычленить все фрагменты ДНК, похожие на функционирующие гены; такие фрагменты идентифицируют по характерным контрольным последовательностям. Будем игнорировать те, у которых нет явного аналога в базах данных. Выяснением того, что они делают, займемся позже. Но значительное число фрагментов, имеющих уже известные функции (или создающих такое впечатление), можно объединить в функциональные группы. Большинство генов кодируют ферменты. Метаболическая обработка часто представляет собой цепочку химических реакций, каждую из которых катализирует определенный фермент. Эти ферменты-заговорщики обычно кодируются наборами генов – так называемыми «метаболическими модулями».

Постройте карту распространенности таких модулей, и окажется, что вариации в функциях микробных генов между образцами гораздо меньше, чем можно было бы предположить, исходя из различий между представленными в этих образцах видами. Похоже, даже если у всех кишечных микробиомов неодинаковые бактерии (и бактериальные гены), их гены делают примерно одно и то же. Это верно и для других участков тела, откуда брались пробы для «Микробиома человека», но данные по кишечнику позволяют построить наиболее стабильную генетическую карту. Можно прийти к выводу, что пищеварительные функции кишечных бактерий, по-видимому, подвергаются тщательному внутреннему контролю[57].

Данные продолжают накапливаться, и их анализ не прекращается. Новые сведения заполняют пробелы в этой картине, однако не вносят в нее радикальных изменений. Расширенный каталог из 10 миллионов бактериальных генов, обнаруженных в кишечных образцах, предоставляет отличный материал для дальнейшей работы в этом направлении. Вот хитроумный вариант: когда удастся собрать всю нужную информацию, можно будет (несмотря на то что в базе данных значатся лишь индивидуальные гены) использовать ее для того, чтобы снова погрузиться в общую базу образцов и идентифицировать те микроорганизмы, которых мы не знали раньше. В природе гены никогда не встречаются как отдельные, изолированные куски ДНК: они собираются в хромосомы. У бактерий по одной хромосоме. Если компьютерное сопоставление покажет, что какая-то комбинация генов всегда встречается совместно, это означает, что они объединены в том или ином виде бактерий. Такой подход (идея соприсутствия) действительно позволяет составлять списки генов, соответствующих тем геномам видов, которые уже имеются в отдельных базах данных по бактериям с полностью секвенированным геномом. А значит, разработанный алгоритм действительно можно применять. Он позволит выявить не замечавшиеся прежде комбинации генов, представляющие совершенно новые виды, чью роль в микробном сообществе затем можно будет исследовать. Вот еще один метод просеивания информации с целью разглядеть невидимое.

Этот всеобъемлющий каталог позволил провести более детальный анализ индивидуального микробного разнообразия, который отчасти реабилитировал идею о «главном» кишечном микробиоме человека – в функциональном, а не в видовом отношении. Широкомасштабный анализ полного набора всех генов, какие когда-либо удавалось обнаружить в человеческом кишечнике (мы уже знаем, что их более 10 миллионов), также позволил ученым показать, что примерно 300 тысяч из них присутствуют почти у всех, кто сдал образцы. Каждый из нас в тот или иной момент времени несет в себе лишь около 600 тысяч бактериальных генов из этого набора. Так что, возможно, половина метагенома здорового кишечника у всех одинаковая.

Все это вполне понятно на интуитивном уровне. Даже если бактерии образуют экосистему путем случайной колонизации и в ходе последующей борьбы за существование, потенциальные питательные вещества в одной и той же (к примеру) толстой кишке должны оказаться у них в значительной мере сходными. А если какой-то вид не сможет использовать какие-то из присутствующих в системе непереваренных кормов, то ими воспользуется другой вид, задействуя такие же или сходные ферменты. Когда тот или иной вид приживется в системе, другому виду труднее поселиться в ней таким же манером. Результат – различные экосистемы со сходным коллективным метаболизмом. Это подводит нас к попытке получить общий ответ на вопрос, который немедленно возникает при мысли обо всех этих триллионах бактерий, населяющих кишечник. Вопрос такой: чем они там все занимаются?

Предоставляемые услуги

Если вы руководите организацией, вам приходится принимать серьезные решения насчет того, какие работы следует поручить собственным сотрудникам, а какие выгоднее отдать сторонним компаниям[58]. С организмами точно так же, как с организациями. Как выясняется, большой организм отдает множество работ на аутсорсинг более мелким существам.

Кишечные бактерии часто рассматриваются как организмы-комменсалы. В предисловии я уже упоминал, что этот экологический термин (означающий «сотрапезники») применяется к организмам, которые живут на каких-то других существах, не причиняя им вреда.

В микробиоме вполне могут иметься микробы-комменсалы, но кишечные бактерии – явно не просто комменсалы. В основе всей этой системы лежит взаимовыгодное сотрудничество, то есть такая деятельность, от которой выигрывают обе стороны. Мы обеспечиваем своих микробов пищей, уютным местом для жизни, где поддерживается комфортная температура, а посредством выведения части этих существ с фекалиями – возможностью распространения, которая необходима всем организмам для осуществления их долгосрочных планов. Бактерии в свою очередь выполняют для нас целый ряд немаловажных задач, о которых именно по этой причине совершенно незачем заботиться нашему собственному геному.

В числе этих задач помощь при пищеварении: переработка неиспользованных компонентов пищи с целью высвобождения энергии частично для самих бактерий, частично же – для нас. Кроме того, они производят для нас целый ряд малых молекул (в том числе витамины), а еще помогают избавляться от самых разных токсинов и метаболизировать многие лекарства.

Самая же заметная их роль (благодаря ей толстую кишку называют вторым желудком) состоит в переваривании сложных углеводов. Растения, трудно поддающиеся разжевыванию, выстраивают свои клетки, используя множество крупных молекул, которые без изменения проходят через желудок и тонкий кишечник. Часть потребляемого нами крахмала, уклончиво именуемая резистентным крахмалом, также избегает расщепления в желудке или тонком кишечнике. Когда этот частично переваренный или непереваренный материал попадает в толстую кишку, за него берутся тамошние бактерии, которые доделывают работу. Их ферменты помогают расщепить растительный материал на малые молекулы, которые затем можно использовать в наших собственных клетках для выработки энергии. Средний взрослый приобретает таким путем от 10 до 15 % энергии, получаемой с пищей.

Эту бактериальную помощь обеспечивает целый арсенал ферментов, которые умеют справляться с самой разной пищей. Взять хотя бы все известные нам типы пищевых волокон – от овсяных и пшеничных отрубей до сложного углевода инулина, входящего в состав лука, чеснока и спаржи. Растения строят свои клеточные стенки из молекул, от которых требуется долговечность. Эти молекулы создаются путем связывания растворимых сахаров в сложные разветвленные цепочки, которые уже отнюдь не являются растворимыми в воде. Почти все фрукты, овощи и зерновые поставляют в наш рацион вещества, которые достигают толстой кишки без особых изменений.