Я – суперорганизм! Человек и его микробиом - Джон Тёрни

Над многими из сложных крахмалов и других углеводов, попадающих в нашу пищеварительную систему, совместно трудятся различные виды бактерий. Некоторые микробы, в ходе эволюции приспособившиеся к работе с нами, чрезвычайно хорошо экипированы для того, чтобы справляться с самым неподатливым материалом.

Чемпион в этом смысле (по крайней мере среди микроорганизмов, которые ученые успели изучить подробно) – Bacteroides thetaiotaomicron, вид, обнаруживаемый лишь в кишечнике. Эта бактерия обладает генами для синтеза 260 различных ферментов, помогающих разлагать углеводы. В нашем собственном геноме всего 95 генов, ориентированных на синтез ферментов, хотя ДНК в нем в тысячу раз больше. Оказывается, нам удобнее позволить сверхмногофункциональному микробу проделывать за нас всю остальную работу. Бактерия умеет ловко переключаться между разными комбинациями ферментов в зависимости от того, какая пища в данный момент доступна, реагируя на сочетание питательных веществ, которые потребляет организм-хозяин, на то, какие ферменты вырабатываются клетками хозяина и какие продукты метаболизма могут использовать окрестные бактерии. Набор разнообразных генов, нацеленных на синтез ферментов, дополняется двумя сотнями бактериальных генов, которые, как предполагается, кодируют белки, участвующие в связывании или транспортировке крахмала. Вот вам бактерия, всерьез посвятившая себя перевариванию неперевариваемого. Это своего рода столп микробного сообщества кишечника. Благодаря ей мы извлекаем из пищи больше пользы; кроме того, она помогает другим бактериям, которые используют некоторые из продуктов ее ферментативных процессов для поддержания собственной жизни.

Bacteroides thetaiotaomicron эволюционировала вместе с нами (и другими млекопитающими) в сторону взаимовыгодного сосуществования. Опыты на безмикробных мышах, подвергнутых воздействию B. thetaiotaomicron, показали, что в ее присутствии эпителиальные клетки мышиного кишечника усиливают выработку одного сложного углевода с определенным сахаридным фрагментом на конце цепочки; этот фрагмент бактерия может отсекать и использовать в пищу. То, что эпителиальные клетки вырабатывают молекулы, столь хорошо приспособленные к предпочтениям бактерии, как бы поощряет ее к колонизации кишечника.

На самом деле эти взаимоотношения еще теснее. У взрослой безмикробной мыши меньше (по сравнению с обычной мышью) капилляров в ткани, залегающей под поверхностным слоем кишечника. Введение этого микроорганизма заставляет кровеносные сосуды расти снова, тем самым помогая новому хозяину бактерии абсорбировать питательные вещества, которыми она будет его снабжать, расщепляя при помощи своего арсенала ферментов те углеводы, с которыми иначе не смогла бы справиться пищеварительная система мыши[59].

Вспомним, что бактерии отлично умеют обмениваться генами. Это один из способов, при помощи которых один вид может приобрести такое огромное количество ферментов, направленных на работу с определенным рационом. Представление о том, как B. thetaiotaomicron получила в распоряжение некоторые из этих ферментов, дает нашумевшая статья 2010 года. Показано, как родственный вид кишечных микробов (представитель рода Bacteroides) некогда заполучил фермент порфориназу от морской бактерии, принадлежащей к тому же роду. Этот фермент часто встречается в кишечном микробиоме жителей Японии, многие из которых регулярно потребляют сложный полисахарид порфиран, входящий в состав водорослей, использующихся для приготовления суши, известного японского блюда. Возможно, рассуждение носит косвенный характер и движется несколько кружным путем, однако вывод очевиден: в Японии (но не в Северной Америке) ген, отвечающий за синтез порфориназы, перенимается микроорганизмами кишечника у морской бактерии, которую человек может потреблять вместе с водорослями.

Легко представить себе аналогичный сценарий и для других растений. Всякая пища, нуждающаяся в ферментативной обработке, наверняка будет поступать в организм (по крайней мере иногда) вместе с некоторым количеством бактерий, которые берутся расщеплять сложные молекулы, с таким трудом синтезируемые растением. Остальное – дело бактериальной генетики. Существуют убедительные доказательства, что в человеческом кишечнике процессы генетического обмена у бактерий происходят гораздо чаще (порой в 25 раз), чем у похожих микробов, живущих где-то еще.

Метаболическая виртуозность кишечных микробов простирается и в другие стороны. Они расщепляют полифенолы, содержащиеся в порошке какао, производя малые молекулы, которые могут оказывать противовоспалительное действие на кровеносные сосуды; поэтому, возможно, темный шоколад весьма полезен (очень приятное предположение). Вообще-то они не только расщепляют. Ферменты микробов помогают вырабатывать многообразные малые молекулы, в том числе витамины В и К, некоторые нейротрансмиттеры, а также основные питательные вещества для клеточной деятельности – скажем, аминокислоты. Некоторые из этих веществ синтезируются нашими собственными клетками, но многие – нет. Согласно приблизительной оценке, часто цитируемой в литературе, целая треть малых молекул, разносимых кровеносной системой по нашему организму, создается в кишечных бактериях[60].

Как и для многих разновидностей бактерий, мы мало что выясним, если просто попытаемся перечислить все молекулы, которые они помогают нам производить. Давайте попробуем хотя бы понять, на что способен лишь один тип молекул. Оказывается, на большее, чем вы могли бы себе представить.

Молекулярный промискуитет

«Маленькая молекула с впечатляющей эволюционной историей и хорошим ч/ю ищет партнера. При необходимости может служить источником энергии.»

Нет, молекулы не помещают объявления в газетных разделах знакомств, но некоторые из них все-таки заводят интрижки, устраивая краткие спаривания с целым рядом других. Эти альянсы имеют далекоидущие последствия. Эволюция всегда рада воспользоваться всем, что подвернется под руку; если какая-то небольшая и довольно стабильная молекула долго крутится в системе, эволюция обязательно находит ей новые области применения.

Частично поэтому роль кишечных бактерий далеко не исчерпывается помощью при пищеварении. Они вырабатывают множество малых молекул, которые воспринимаются как сигналы многими нашими клетками, тканями и органами. В результате создаются сети почти неисчерпаемой сложности. Полная карта, отражающая все взаимодействия, походила бы на схему Интернета. Заполучив такую карту, ученые наверняка открыли бы какие-нибудь общие принципы и свойства.

Во всяком случае ясно, что один из ключевых уровней взаимодействия здесь – молекулярный. А теперь я попробую дать вам, читатель, хоть какое-то представление о том, как набор крошечных организмов, обитающих у нас в кишечнике, может влиять на гораздо более крупную систему – наш организм. Для этого мы рассмотрим поведение всего одной молекулы.

Знакомьтесь: масляная кислота. Вот ее структурная формула (как нетрудно догадаться, буквы обозначают элементы, в данном случае углерод, водород, кислород, а линии – их связи).

Вещество относится к классу соединений, именуемых короткоцепочечными насыщенными жирными кислотами. Кислотная часть – карбоксильная группа – СООН на конце – неизменно присутствует у всех представителей этого класса. Атом углерода склонен образовывать 4 связи, что является ключевой особенностью, позволяющей таким атомам соединяться в цепочки, создавая множество веществ, что делает углерод одним из главнейших элементов живого. Используя четвертую связь группы – СООН для соединения с атомом водорода, вы получите HCOOH, муравьиную кислоту, раздражающее вещество, которое имеется в жалах насекомых. Цепочка из двух углеродов даст вам более благодушную уксусную кислоту, бутылочка которой наверняка есть у вас на кухне. Легко видеть, что в масляной кислоте имеется цепочка из 4 углеродных атомов. Такие цепочки могут быть довольно длинными (скажем, в молекуле церотиновой кислоты содержится цепь из 26 атомов углерода); они могут обладать множеством свойств, на которых здесь незачем останавливаться. Вещества с короткими цепочками – не очень «жирные»; масляная кислота, как и ее родичи с небольшим количеством атомов углерода в молекуле, растворима в воде. Она является кислотой, поскольку водород в ее ОН-группе может отщепляться в виде самой простого химического объекта – положительно заряженного иона водорода (иными словами, в виде протона). Атом кислорода, от которого он отщепился, в результате приобретает отрицательный заряд. Получается бутират-ион, дающий всевозможные бутираты.

Бутираты выделяют многие кишечные бактерии. На первый взгляд может показаться, что причина здесь та же, которую мы уже излагали выше. Выработка короткоцепочечных жирных кислот позволяет нам гораздо эффективнее использовать то, что мы едим. Данные, полученные при изучении безмикробных мышей, как будто подтверждают: бактерии делают именно это. Грызуны, лишенные естественных бактерий, обычно вынуждены есть на 10 % больше, чем мыши с нормальным микробиомом, чтобы поддерживать такую же массу тела. Это наблюдение позволяет по-новому взглянуть на пищевые волокна, к потреблению которых нас вечно призывают. Сложные углеводы, главный компонент клетчатки, обычно попадают в толстую кишку непереваренными. Мы привыкли думать, что они полезны, ибо каким-то образом помогают толстой кишке работать более гладко, увеличивая объем ее содержимого. Питаясь лишь такой едой, где нет клетчатки, вы рискуете заработать запор, а в конечном счете – рак толстой кишки.