Я – суперорганизм! Человек и его микробиом Тёрни Джон

Проект получил название «Микробиом человека», явно намекающее ученым (и спонсорам), что это естественный наследник проекта «Геном человека», ознаменовавшегося громким успехом. Новый проект запустила сеть американских Национальных институтов здравоохранения в конце 2007 года. Предполагалось провести обследование биоматериала, взятого у выборки здоровых добровольцев. Содружество лабораторий изучало биологические пробы, взятые у 242 взрослых, с 15 различных участков тела у мужчин и 18 – у женщин. (Большинство этих мужчин и женщин жили в двух американских городах – Хьюстоне и Сент-Луисе.) Общее количество процедур анализа превысило 11 тысяч, поскольку каждого донора просили в течение 2 лет дважды предоставить соответствующий биоматериал. Примерно из половины образцов выделили базовые последовательности 16S рРНК, которые позволяют идентифицировать типы микробов, но не определяют, какие именно штаммы присутствуют в пробе или каков их конкретный генетический состав. Сравнительно небольшой набор из 681 пробы секвенировали после фрагментирования ДНК на небольшие кусочки; так удалось получить общее представление о том, какие белки способны производить эти микробы. Наконец, для 800 бактериальных штаммов, выделенных из проб этих 242 участников эксперимента, провели полное секвенирование геномов. Всё это обошлось куда дешевле проекта «Геном человека», однако общие затраты составили немалую сумму – 170 миллионов долларов.

Благодаря новейшим технологическим достижениям эта сумма позволила получить больше данных, чем когда-либо получали биологи. Сообщество лабораторий, участвовавших в проекте, собрало в общей сложности 18 терабайт информации – примерно в 5000 раз больше, чем проект «Геном человека». В середине 2012 года первый масштабный анализ этих данных с подобающим триумфальным шумом появился в самых читаемых научных журналах – Nature и Science.

Эти данные позволили подтвердить еще одно важнейшее открытие относительно человеческого микробиома – его необычайную сложность и изменчивость. Картина микробиома здорового американца, нарисованная проектом «Микробиом человека», оказалась широкой во всех смыслах. В общей сложности участники эксперимента несли в себе и на себе более 10 тысяч видов микробов, то есть в соответствующих «человеческих экосистемах» имелось примерно 8 миллионов дополнительных генов – в 360 раз больше, чем собственных генов организма-хозяина. Само огромное количество различных микробов, бьющихся за жизненное пространство в каждом из нас, означает, что результаты вашего микробиологического обследования наверняка будут отличаться от результатов такого же обследования вашего соседа. «Все здоровые люди существенно отличаются друг от друга» – такой вывод сделало сообщество ученых, работавших в рамках проекта «Микробиом человека». Это заключение прозвучало в самом начале их программной статьи-отчета[32]. Как объяснял Роб Найт из Колорадского университета, это означает, что если у какого-то человека есть среди других микробов один в большом количестве, всегда найдется другой человек, у которого этого микроба практически нет.

Следующее важнейшее открытие показало еще одну сторону этого разнообразия. Различные участки тела сильно отличаются друг от друга, в этом нет ничего удивительного. Однако большой неожиданностью стал тот факт, что микробиомные образцы, взятые с одного и того же участка тела разных людей, тоже очень отличаются. Сие открытие не очень-то порадовало организаторов проекта. Проект «Микробиом человека» продвигали среди спонсоров как подобие проекта «Геном человека». Стратеги от науки искренне надеялись, что он даст возможность выявить своего рода универсальный микробиом, точно так же как предыдущий проект выявил универсальную геномную последовательность человека. Такой микробиом стал бы стартовой площадкой для дальнейшей работы по изучению мелких различий между конкретными людьми. Но теперь мы видим, что никакого универсального микробиома нет, а есть лишь огромное множество микробиомов, весьма отличающихся друг от друга. Авторы одной статьи даже временно отказались от строгого языка науки, чтобы объявить: открытие того, что «нет филума, который присутствовал бы на определенном участке организма у всех людей», попросту «сбило их с ног»[33].

Разумеется, можно сгрести все эти данные вместе и вывести коллективный микробиом всех участников того или иного исследования – или всего набора исследований. Так и поступили.

Эти 20 дюжин здоровых взрослых американцев с их 10 тысячами видов микробов[34] на всех стали донорами микробов из ряда мест организма, выбранных отчасти из соображений научного интереса, отчасти же просто из соображений удобства. Девять из этих участков находились во рту или возле него: отбирались пробы слюны, двух видов зубного камня, пробы с поверхности языка, нёба, внутренней части щеки, с десен, миндалин и горла. Четыре участка находились на коже: левый и правый локтевой сгиб, а также заушные складки. При этом сравнительно недоступная нижняя часть пищеварительного тракта с ее куда более значительной микробной нагрузкой была представлена лишь своими выделениями – фекалиями. Микробы из перечисленных мест отбирали у всех участников проекта. Женщины давали еще три вида образцов – из наружного отверстия, из срединной и задней области влагалища.

Полученные результаты подтвердили, что основную часть бактериального населения наших микробиомов составляют представители всего четырех филумов: Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria и Proteobacteria. Первые два преобладают в кишечнике среднего здорового человека, особенно в толстой кишке, хотя Firmicutes можно обнаружить практически во всех остальных местах. Actinobacteria и Proteobacteria в изобилии встречаются во рту; имеются они и на коже.

Пока не очень-то информативно. Каждый из этих филумов содержит в себе большой набор видов. К примеру, Firmicutes (по-английски название звучит трогательно: firm and cute – «очаровательно твердые») – это просто бактерии с относительно твердой внешней оболочкой. Эту черту использовали, чтобы отличить их от хлюпиков Mollicutes (molli в переводе с латыни означает «мягкий»), к которым у меня личный интерес (об этом в главе 5) и у которых практически нет клеточной стенки.

Поэтому не так-то легко оценить значимость результатов, получаемых на первой стадии микробиомных исследований. Гарвардский эпидемиолог Уильям Хейнидж говорит: попробуйте-ка интерпретировать изменение в микробиоме кишечника, когда вам известно лишь, как изменилось соотношение содержания двух бактериальных филумов; по степени информированности вы окажетесь в положении человека, уверенного, что вольер, где живут 100 птиц и 25 улиток, идентичен аквариуму, где обитают 8 рыб и 2 кальмара, ведь оба вместилища содержат вчетверо больше позвоночных, чем моллюсков[35].

Но как только вы спуститесь от уровня филумов пониже, микробное разнообразие может показаться несколько озадачивающим. В рамках проекта «Микробиом человека» удалось обнаружить 1000 видов микробов лишь во рту, 440 – на локтевых сгибах, 1250 – за ушами. Влагалище, как выяснилось, обладает наименее многообразным микробным населением из всех обследованных зон тела: зачастую в нем обитает лишь несколько видов из рода Lactobacillus.

Во всех же прочих местах мы неизменно сталкиваемся с длинным (часто весьма длинным) списком видов, различным даже для довольно небольших участков организма. Так, в каждой из обследованных зон рта имеется микробное население особого состава. На сухих, влажных и маслянистых участках кожи (вы сами знаете, где они у вас располагаются) живет различная микробная флора. Особое микробное население у таких маленьких образований, как волосяные фолликулы или потовые железы. В кишечнике – самом крупном вместилище микробов – имеется множество различных экологических ниш для микробов, но в рамках проекта не планировалось подробно исследовать еще и эту область. Как предостерегал один ученый, полагаться лишь на образцы фекалий для того, чтобы разобраться в кишечной микробиоте, – все равно что пытаться представить себе окраску «феррари», нюхая выхлопные газы.

Столько видов! Их можно перечислить все, но это было бы бессмысленно. Скорее всего в списке нам окажутся хорошо знакомыми лишь немногие названия. На самом-то деле мы больше всего хотим узнать, что все эти микробы делают и каковы особенности их деятельности в разных местах организма, у разных людей, при заболеваниях и в здоровом состоянии. Для этого следует внимательнее вглядеться в наши многообразные микробные ниши, а затем – на перекрывающиеся друг с другом карты, отражающие результаты другого рода исследований. Давайте рассмотрим все наши основные экосистемы по очереди, кратко перечисляя главные их свойства. Самая сложная из них, кишечник, заслуживает отдельной главы (ее номер – 5). Здесь же я обращусь к целому ряду других мест, которые не столь сложны с точки зрения микробной жизни, однако и не обязательно просты. Начнем с той части нашего организма, которую микробы (как и все прочие, кто с нами знакомится) встречают первой, – с кожи.

Чувствовать кожей

Кожа постоянно находится в контакте с бактериями. Кроме того, легко видеть, что на микроуровне она представляет собой весьма разнообразный ландшафт. Вечно влажная среда между пальцами ног, благоприятная для роста грибков, заметно отличается от участков на кончиках пальцев рук, под мышками, в паху или от обширных областей спины.

Некоторые микробы, пасущиеся у нас на коже (отмершие клетки постоянно отшелушиваются от ее внешнего слоя, снабжая микроорганизмы пищей), привлекают к себе внимание из-за того, что делают жизнь человека некомфортной или просто слегка вонючей. К тому же брать пробы с кожи легко. Поэтому кожную микробиоту изучают уже много лет. Как отмечает Джессика Снайдер Сакс в книге 2007 года «Микробы хорошие и плохие» (Jessica Snyder Sachs, Good Germs, Bad Germs), толстый том с вполне современным заглавием «Экология человеческой кожи» вышел еще в 1965 году.

Как и в случае с другими областями тела, это не означает, что мы всё о ней знаем. Например, Staphylococcus epidermis, бактерия, названная по ее излюбленной среде обитания (эпидермису), почти неизменно является колонизатором кожи. Она принадлежит к числу нескольких видов, которые, как долго считалось, вытесняют своих менее невинных конкурентов, в особенности бактерию Staphylococcus aureus, которая часто служит причиной кожных инфекций и еще более неприятных вещей. При этом она может преспокойно жить в носу, не причиняя его владельцу никакого вреда.

Однако эксперименты, с большой тщательностью выполненные в 2012 году на безмикробных мышах, показали, что S. epidermis еще и способствует активации иммунных реакций кожи, необходимых для защиты от патогенов. У мышей присутствие этой бактерии позволяет избежать воздействия Leishmania major, совершенно неродственной ей эукариоты, которая у людей вызывает тропическую лихорадку (лейшманиоз)[36].

Многообразие микробного населения кожи показывает, что бактерий мы избежать не можем. Мы лишь невольно влияем на то, какие микроорганизмы поселяются на нас и в нас. Работа кожи, в отличие от работы кишечника, относительно проста: не пускать внешних микробов внутрь, а внутренних – наружу. Она держит бактерии в узде при помощи двух типов потовых желез. Пот такой соленый не для того, чтобы помогать вам охлаждаться; высокое содержание соли подавляет рост бактерий. Еще один противомикробный щит создают выделения сальных желез.

Впрочем, в областях, где эти железы наиболее активны, тоже имеются микробы. Они способны переносить соленую и кислотную среду или же поедать сальные выделения. Печально известная Propionibacterium acnes считает очень благоприятным для себя низкий уровень кислорода во впадинах сальных желез и обладает целым арсеналом ферментов, позволяющих ей поедать липиды, которые она там обнаруживает. В период полового созревания гормоны заставляют эти железы усиливать секрецию и представители рода Propionibacterium, в том числе P. acnes, начинают усиленно размножаться. Частым следствием этого является acne – угревая сыпь. Впрочем, здесь есть своя компенсация: данная бактерия создает из липидов жирные кислоты, обладающие антибактериальным действием. К несчастью для прыщавых подростков, эти кислоты действуют лишь на другие виды бактерий.

Наряду с этими основными игроками кожа поддерживает существование целого ряда других микробов, а также грибков и клещей (последние – недостаточно микроскопические существа, чтобы описывать их в этой книге). Они различны у разных людей и в разное время. Возможно, кожная микробиота – самая разнообразная и изменчивая в человеческом организме. Наша интуиция готова с этим согласиться, ведь мы контактируем с окружающим миром главным образом через кожу. Каждый из нас обладает своего рода эпидермисовым зверинцем. Это подтверждают многочисленные исследования: так, специалисты показали, что можно идентифицировать человека по составу микробных популяций, которые он невольно переносит с пальцев на компьютерную клавиатуру[37].

Всеобъемлющий обзор исследований кожи, сделанный в 2013 году, описывает разнообразие кожной микробиоты у здоровых взрослых как «фантастическое»[38]. Как показано в одной работе, пробы, взятые с предплечий 6 разных людей, имели меньше 10 % общих родов бактерий. Кисти одного человека обладают разным составом микробного населения, перекрывание здесь, по данным анализа, достигает лишь 17 %. Однако мы обычно имеем больше общих кожных бактерий с нашими партнерами и домашними животными, чем с незнакомцами. Авторы упомянутого обзора полагают, что все эти результаты «бросают вызов устоявшейся идее человеческого микробиома». Возможно, добавляют они, следует рассматривать совокупный микробиом «всех обитателей нашего жилища и нашего места работы».

Как подчеркивается в другом исследовании, кожа не только поддерживает существование микробов, но и постоянно сбрасывает их с себя, притом с такой скоростью, что любая комната, где мы оказываемся, быстро получает наш «микробный автограф». Мы движемся в облаке своих микробов. В рамках проекта «Домашний микробиом», организованного в США, в 2014 году опубликованы первые результаты долговременного обследования 7 семей и их жилищ. Пробы отбирались из различных мест по всему жилищу, а также у каждого члена семьи. Удалось выявить четкую связь между человеком и его окружением. Так, в микробном отношении пол больше похож на ступни ног, чем на стены, а выключатели заимствуют микробов у наших рук. Люди – более богатый источник микробов, чем комнаты, где они живут, так что движение здесь по большей части одностороннее. Одна супружеская пара, участвовавшая в исследовании, переехала из гостиничного номера в отдельный дом. Их новое окружение вскоре стало напоминать по микробному составу номер, который они недавно покинули[39].

Еще одна яркая демонстрация микробного разнообразия выходит за пределы, которыми ограничивали себя первые исследователи микробиома, бравшие образцы лишь у обитателей процветающих стран Северного полушария. Сравнение биоматериалов у жительниц Танзании и американок, проведенное под руководством группы йельских ученых, показало существенные различия в составе микробов на кистях рук[40]. Исследовались небольшие группы: 29 танзанийских женщин, воспитывавших детей, и 15 жительниц США, на чьем попечении не находились дети (для удобства исследователи брали пробы лишь у старшекурсниц). Различия бросались в глаза. Все распространенные бактерии присутствовали у обеих групп, однако на руках американок обнаружилось гораздо больше Propionibacteria и Staphylococci, тогда как у танзаниек имелось больше бактерий, обычно присутствующих в почве. Кроме того, у обследованных жительниц Танзании оказалось вдесятеро больше особей бактерий на квадратный сантиметр, зато количество видов бактерий у них – лишь две трети от американского. Не удивительно: обследованные американки проводили почти все время в помещении традиционного западного типа, тогда как сама конструкция танзанийских жилищ позволяла африканкам постоянно непосредственно контактировать с окружающим воздухом. Полученные результаты лишний раз подтверждают идею, что на кожный микробиом оказывает сильное воздействие ежедневный контакт со средой. Кроме того, они опровергают предположения, что пребывание на открытом воздухе непременно увеличивает наше микробное разнообразие.

Хотя кожа встречается со множеством микробов самым случайным образом, она, подобно другим частям нашего тела, в ходе эволюции научилась привечать некоторые виды в качестве долговременных жильцов. Мы склонны считать, что кожу легко очищать: в конце концов, мы регулярно моем руки, нас этому научили в детстве. Что ж, это полезное занятие, но оно должно приводить к избавлению лишь от бактерий, недавно оказавшихся на коже, а не от всех бактерий вообще. Последнее (если такое возможно) сделало бы нашу кожу весьма уязвимой для колонизации менее желательными видами.

Более того, недавние интригующие исследования показывают, что некоторые бактерии проникают под эпидермис, в более глубинные слои кожи. Группа Ричарда Галло, работающая в Калифорнийском университете, искала бактерии как раз в глубоком слое кожи – дермисе – и в жировой прослойке под ним[41]. И там, и там ученые обнаружили свои бактериальные сообщества. Эта находка, способная несколько встревожить, важна в двух отношениях. Получается, что бактерии, сумевшие пробраться в глубинные слои кожи, имеют более прямой контакт с нашей иммунной системой, которая вообще поддерживает сложные взаимодействия с микробиомом (об этом мы поговорим в главе 7). Кроме того, мы видим, как увеличивается перечень участков тела, которые раньше считались стерильными и которые, как выясняется ныне, служат приютом по крайней мере для некоторых организмов, пришедших откуда-то извне. Мы заселены куда плотнее, чем считалось раньше.

Рот: множество микробиомов в одном

Полость рта, где много лет назад началось исследование микробиома человека, до сих пор служит зоной и самых простых, и самых сложных исследований. Итак, рот продолжает всех удивлять, что блестяще продемонстрировал с помощью ДНК-анализа первопроходец микробиологии Дэвид Релман.

Начнем с простого. Что может быть проще поцелуя? Однако в микроскопическом масштабе лобзание – штука довольно сложная. Исследование 2014 года, в шутку названное «Микробиом влюбленных», показывает интенсивность микробного переноса при самых разных чмоканьях – от ритуального клевка в щечку до более интимных шалостей. Группа голландца Ремко Корта опросила 21 парочку, интересуясь тем, как и насколько часто те целуются, и вовлекла целующихся в эксперимент, при котором один из партнеров пил между поцелуями пробиотический йогурт. Подтвердилось то, что вы наверняка и так предполагали: поцелуй – отличный способ передать бактерии, живущие на языке любителя йогурта, партнерше. Как сообщают ученые, при десятисекундном поцелуе передается около 10 миллионов бактерий[42].

Однако результаты поцелуев в долгосрочной перспективе куда сложнее – как в человеческих отношениях, так и в микробиологическом смысле. Состав микробов на поверхности языка действительно более схож у партнеров, чем просто у случайно выбранной пары людей, однако сходство это не так уж сильно зависит от того, насколько часто парочка целуется. Прямой перенос ведет к возникновению устойчивых популяций одних бактерий, но не других. Видимо, на процесс отбора здесь влияет целый ряд иных факторов. Поцелуи оказывают свое воздействие, но последнее слово все равно остается за экосистемой.

Ведутся и более трудоемкие исследования орального микробиома. Уместно вспомнить одну программную статью, где этому микробиому уделяется особое внимание. Она вышла в середине 2014 года, и в ней по-новому использованы результаты старых изысканий. (Открытия в биологии всё чаще совершаются именно так.) Уже изученные ДНК-последовательности хранятся в базах данных, к которым могут обратиться все желающие. Компьютерные кудесники порой ставят новые вопросы, ответы на которые можно получить из уже имеющегося массива информации.

Мурат Эрен из Лаборатории морской биологии, располагающейся в массачусетском городке Вудсхол (сегодня эта оснащенная по последнему слову техники лаборатория занимается далеко не только биологией моря), задался вопросом: может быть, повторный анализ данных, полученных в рамках проекта «Микробиом человека», только выиграет, если учесть информацию о типах бактерий, выясненную при анализе собранных образцов?[43] Для примера взяли фрагмент базы данных ДНК-последовательностей и информацию, касающуюся микробов из американских ртов. И в самом деле, работа принесла результат.

В этих ртах таится много неведомых бактерий, поскольку базовый 16S рРНК-анализ при всей невероятной полезности имеет свои ограничения. В частности, отыскивая ярко выраженные бактериальные типы путем сравнения некоторых гипервариабельных участков генов, этот метод отбирает лишь немногие участки, устанавливая своего рода порог для определения того, что следует считать отдельным видом (или операционной таксономической единицей). Последовательности, отличающиеся в этом отношении меньше чем на 3 %, считаются одинаковыми.

Такая процедура помогает избегать завышенной оценки уровня разнообразия, поскольку при секвенировании постоянно происходят небольшие ошибки. Однако в результате мы сваливаем в одну кучу некоторые микроорганизмы, различающиеся по немаловажным параметрам. Эрен заново рассмотрел старые данные, используя более действенный подход, направленный на поиск «наиболее информационно насыщенных нуклеотидных позиций» в наборе 16S рРНК. Его метод рассуждения базируется на теории информации и энтропии, созданной в 1948 году Клодом Шенноном. Мы можем рассматривать этот метод просто как применение сети с более мелкими ячейками при рыбалке в пруду, где плавают всевозможные генетические последовательности.

Ячейки оказались столь мелкими, что выделенные благодаря им новые бактериальные разновидности (теперь они именуются олиготипами, а не операционными таксономическими единицами) могут различаться в одном определенном гене всего лишь на одну пару нуклеотидных оснований ДНК из 1500.

Команда Эрена выбрала для обкатки своего метода именно оральный микробиом, поскольку интенсивное изучение микрофлоры рта уже дало обширный массив систематически организованной информации. Это одна из наиболее тщательно изученных групп нашего микробного населения. Многообразие жизни у нас во рту можно в полной мере оценить, обратившись к базе данных «Оральный микробиом человека», где, по состоянию на 2014 год, насчитывалось 688 видов (определение виду давалось через последовательности 16S рРНК). Целых 440 из них удалось вырастить в культуре – самая высокая доля среди всех участков тела, поскольку во рту меньше анаэробных бактерий (не выносящих присутствия кислорода), чем, к примеру, в кишечнике. У нас даже есть полные геномные последовательности для 347 из них. Самое давнее место исследования наших микробов ученые успели довольно подробно изучить. Однако новые, более изобретательные способы отсеивания данных показывают, что микрофлора рта еще многое способна поведать.

Эта новая процедура анализа состояла из двух основных стадий. Данные проекта «Микробиом человека», набор из 10 миллионов «показаний» для двух отдельных коротких участков гена 16S, классифицировали по олиготипам (490 на одном участке и 360 – на другом). Затем эти олиготипы сопоставили с полными последовательностями из более богатой базы данных «Оральный микробиом человека».

Оказалось, что олиготипы – то же, что и виды. Так ли это? На этот вопрос нет простого ответа, точно так же, как и на вопрос: что такое вообще «вид» у микробов? Какой же тогда смысл можно извлечь из всех этих данных? Видите ли (вздохнем поглубже), некоторые олиготипы (около 15 % общего числа) оказались не отличимыми от некоторых видов, описанных в каталоге. Некоторые группы из двух и более видов оказались не отличимыми по олиготипу. И (главный вывод, ради которого стоило затевать исследование) более 150 видов из базы данных принадлежали к множественным олиготипам, тем самым – по меньшей мере – повышая вероятность того, что исходная классификация видов пренебрегает существенными различиями. Еще 86 олиготипов, похоже, не описывали ни одно из существ, данные о которых содержались в базе «Оральный микробиом».

В этом немаловажный урок для всех, кто берется оценивать микробиомные исследования. То, что вы находите, зависит от того, где вы ищете. Возможно, скрытые от нас уровни разнообразия еще ждут своего обнаружения. Изучение микробиома при помощи алгоритмов, позволяющих обрабатывать гигантские массивы данных о генетических последовательностях, чем-то напоминает выслеживание животных в джунглях при помощи бинокля с линзами, пропускающими лишь лучи с узким диапазоном длин волн – только одного цвета из всего спектра. Поставив линзы, настроенные на другой цвет, вы увидите другой набор обитателей леса, хотя он и будет в чем-то перекрываться с тем, который вы уже видели через первую пару линз.

Из такого анализа можно сделать и другие выводы. Разнообразие, открываемое путем классификации на олиготипы, действительно играет важную роль; в этом нас больше всего убеждает то, что различные олиготипы микробов, кажущихся весьма похожими, обитают в разных местах. Отсюда наверняка можно узнать что-то новое об экосистеме, хотя пока и не очень понятно, что именно. Проверьте биоматериал более двух сотен человек, представленный в проекте «Микробиом человека», и может оказаться, что во всех пробах, взятых с языка, присутствует один олиготип, а в пробах, взятых с зубов, неизменно присутствует другой. Иногда бактерии, живущие, как правило, в разных местах, отличаются лишь на пару нуклеотидов в гене 16S.

Эрен проявляет очаровательную искренность, совершенно не скрывая того факта, что биологическую значимость таких данных нам еще предстоит выяснить[44]. Он обращает особое внимание на два организма, различающихся по распределению. Один – уже идентифицированный вид F. periodonticum, важный для науки, поскольку связан с воспалительным заболеванием десен. Другой достаточно сходен с ним, чтобы носить такое же название, однако с кое-каким довеском: «F. periodonticum 98,8 %». Как объясняет Эрен, это временное наименование как бы говорит: «F. periodonticum – самое близкое к этой штуке существо в базе данных, но все-таки перед нами явно два разных существа».

Как предполагают ученые, такие малые различия в 16S рРНК сопровождаются большими отличиями в других генах, а значит, и в том, как и где способны жить эти бактерии. Для подтверждения этой гипотезы следует внимательнее исследовать индивидуальных микробов. А поскольку микробов для исследования теперь больше, само расширение массива соответствующей информации заставляет оральный микробиом выглядеть еще более сложной системой.

По части разнообразия этот микробиом уже сейчас получает высокие баллы. Все 12 микробных филумов (11 филумов бактерий и 1 филум архей), обнаруженных у человека, найдены и во рту, где насчитываются сотни, а то и тысячи видов. Самое большое количество различных видов обнаружено в области зубов и поддесневых карманов, однако свои сообщества имеются и в других областях рта (или близких ко рту) – в горле, на миндалинах и языке.

Более подробные исследования выявили ключевые аспекты нашего взаимодействия с некоторыми из весьма значимых видов микробов, особенно обитающим на зубах. Некоторые из них, особенно представители рода Streptococcus, специфично связываются с белками или углеводами, находящимися в покрывающем зубы тонком слое смеси, которая состоит из слюны и жидкости, выделяющейся из поддесневых карманов. Едва захватив новую территорию, эти микробы уже сами предоставляют участки для связывания колонистам второй и третьей волны. В итоге поверхность зуба покрывает комплексная биопленка взаимодействующих бактерий. Целая отрасль медицинской и бытовой промышленности занимается удалением этой пленки и даже полным устранением оральных бактерий (в качестве меры профилактики кариеса). Специалисты строят всевозможные гипотезы насчет связей между той или иной частью человеческого микробиома и возникновением заболеваний. Такие связи порой кажутся весьма зыбкими. Однако в данном случае связь выстраивается самая ясная: нам известно, что бактерии биопленки действительно разрушают зубную эмаль, производя кислоту из сахара. Однако преимущества микробиомной науки станут очевиднее, если благодаря ей мы научимся лучше понимать экологию таких сообществ и сумеем разработать более тонкие методы сохранения зубов, чем полоскание или чистка антибактериальной пастой. Я попробую умозрительно описать некоторые будущие методы в главе 11.

Вагинальный микробиом – экосистема для защиты

Похоже, у каждого микробиома собственная история. Вагинальный микробиом, по понятным причинам имеющийся лишь у половины населения, является одним из самых простых по микробному составу, однако может служить отличным примером того, как новые инструменты для наблюдения за микробами позволяют пересматривать идеи о системах, которые кажутся нам хорошо изученными. Давно укоренившаяся в науке и довольно несложная история об одном типе бактерий, поддерживающем одно полезное свойство (уровень кислотности), теперь уступила место одному из множества неоконченных рассказов о смещении равновесия в экосистеме.

Влагалище давно вызывает интерес микробиологов – отчасти из-за тех интенсивных исследований, которыми сопровождались в XIX веке жаркие споры о причинах родильной горячки. Полезное дополнение к этим работам появилось в 1891 году, когда один немецкий гинеколог сообщил на медицинском конгрессе, что ему удалось вырастить в культуре новый палочкообразный организм, полученный из вагинальных мазков.

В конце 1920-х годов организм, который он обнаружил, классифицировали как Lactobacillus acidophilus. Как и в случае со многими другими видами микробов, теперь известно, что это целый набор тесно связанных между собой организмов. У них есть общая особенность: все они вырабатывают молочную кислоту путем ферментации углеводов, в том числе и тех, что находятся в слизистой оболочке. В последующие десятилетия широко распространилось мнение, что высокий уровень содержания Lactobacillus свидетельствует о здоровом влагалище, поскольку оно поддерживает нужную кислотность (низкое значение рН). А кислая среда, в свою очередь, препятствует росту других бактерий – болезнетворных.

Что ж, такое бактериальное дополнение к вагинальной химии казалось логичным. Клетки внутреннего слоя эпидермиса влагалища (в среднем 20 см² ткани), также получают энергию, превращая глюкозу в лактат, который затем просачивается через эпителий в слизистую оболочку. Лактобактерии затем снижают рН дальше. Вагинальные клетки и их бактериальные гости совместно трудятся над тем, чтобы предотвращать колонизацию влагалища другими видами.

Однако недавние микробиомные исследования показали, что картина не столь проста. Представители рода Lactobacillus по-прежнему являются наиболее распространенными бактериями в вагинальных пробах; так, они присутствуют примерно у 320 из 400 жительниц Северной Америки, обследованных в 2010 году группой Ларри Форни из Университета штата Айдахо. Но данная работа[45] выявила также немало совершенно здоровых женщин, поддерживающих нужный вагинальный рН без всякой помощи бактерий Lactobacillus. Сходные результаты получены в ходе исследования, проводившегося в Японии. По следам этих работ в США были предприняты изыскания, показавшие, что у четверти обследованных взрослых женщин сравнительно мало Lactobacilli или же их нет совсем. Похоже, что для работы по поддержанию кислотности привлекались другие виды из примерно 280 обнаруженных. Однако недавние микробиомные исследования заставили кардинально пересмотреть ряд научных идей в этой области.

Бактериальный вагиноз – распространенное заболевание из числа тех, чье название легко расшифровать: речь идет о бактериальном заражении влагалища. Казалось бы, такой диагноз предполагает традиционное понимание инфекционных болезней как результат вторжения нежелательных патогенных организмов. Это неприятное заболевание часто связано с целым рядом серьезных проблем при беременности, в том числе с преждевременными родами и выкидышами. Весьма полезно было бы иметь соответствующий индикатор риска для беременных, а еще лучше – метод профилактики вагиноза.

Вариации, которые мы наблюдаем сегодня в микробиомах женщин, не демонстрирующих симптомов вагиноза и кажущихся совершенно здоровыми, показывают, что это не так-то просто осуществить. Да и сами эти вариации неоднородны. К примеру, в Северной Америке они различны у представительниц разных этнических групп. Картина складывается весьма мозаичная. Исследования показывают 5 широких типов вагинальных микробных сообществ. Четыре из них имеют значительную долю определенных Lactobacilli. При этом все 5 типов встречаются в разных пропорциях у 4 этнических групп. Эти работы показывают, что наше знание микроорганизмов остается фрагментарным. Самую распространенную из лактобактерий, L. iners, удалось обнаружить (пусть даже иногда в сравнительно небольших количествах) у 66 % обследованных женщин. Ее идентифицировали только в 1999 году, когда прошло больше века после появления самых первых сообщений о «нормальных» вагинальных микробах, поскольку эта бактерия критичнее других относится к лабораторной среде, в которой ее пытаются вырастить.

Общий подсчет по-прежнему демонстрирует, что штаммы Lactobacillus доминируют в микробном населении вагины. У обследованных белых женщин их вклад составляет 90 %, у женщин азиатского происхождения – 80 %, но у темнокожих женщин и латиноамериканок – лишь 60 %. Возможно, именно из-за этого у них чуть выше средний вагинальный рН (то есть среда менее кислая).

Однако есть данные о том, что здесь играет роль конкретный штамм лактобактерий – и не из-за его влияния на кислотность. Некоторые Lactobacilli вырабатывают заметные количества перекиси водорода, что препятствует развитию других бактерий; оказывается, такой вариант защиты эффективнее предотвращает вагиноз. Странная находка: уровень содержания кислорода в вагине сравнительно низок, а значит, вероятность производства пероксида водорода, казалось бы, не очень велика. Возможно, эти бактерии занимаются еще чем-то? Да, некоторые их штаммы вырабатывают и другие вещества-антибиотики. Выявление генов человеческого микробиома, отвечающих за синтез групп ферментов, которые в свою очередь помогают синтезировать малые молекулы, и анализ соответствующих продуктов позволили обнаружить неведомый науке антибиотик лактоциллин. Его вырабатывают обычные вагинальные бактерии. Вероятно, это неединичный случай[46].

Как показало еще одно исследование, состав вагинального микробного населения может довольно быстро меняться. Вероятно, такие изменения связаны с тем, занимались ли сексом исследованные женщины (отметим: все участницы эксперимента продолжали оставаться здоровыми), а также с исходным составом их микробиома. А значит, простые методы диагностики в таких случаях не очень-то применимы.

Выявление признаков физиологических неполадок путем исследования вагинальных микробов затрудняется из-за менструального цикла. Работы, где состав вагинальной микробиоты отслеживался на фоне менструального цикла, показывают, что состав бактериальных популяций влагалища довольно сильно меняется в зависимости от фазы цикла. Но конкретные изменения, по-видимому, носят индивидуальный характер и происходят у разных женщин в разное время.

Среди всей этой сложности можно выделить один довольно ясный факт: видимо, все-таки существует связь между лактобактериями и успешно протекающей беременностью. И человек, возможно, приспособился к тому, чтобы этой особенностью пользоваться. У женщин в период до полового созревания и после менопаузы обычно меньше вагинальных лактобактерий (или же их нет совсем), а изменения содержания эстрогена в репродуктивные годы делает соответствующую экологическую нишу более привлекательной для этой разновидности бактерий. Современные исследования служат подтверждением давних наблюдений: в США доля преждевременных родов у темнокожих женщин и латиноамериканок действительно выше.

Казалось бы, все это подтверждает гипотезу, согласно которой низкое содержание лактобактерий означает высокий уровень риска. Однако, к разочарованию врачей, ищущих четкие диагностические признаки, это скорее всего лишь полезный индикатор. Интенсивный анализ множества микробиомных образцов, взятых с данного участка женского организма, показывает, что простые определения «отклонений от нормального состава микробной смеси» здесь не очень-то пригодны. Не существует четкой границы нормы. Один из стандартных тестов на вагиноз использует в качестве критерия отсутствие лактобактерий. Это совершенно неправильно, подчеркивает Роксана Хики, коллега Форни. Здесь используется порочная логика, ведь присутствие Lactobacilli может свидетельствовать о здоровье, но их отсутствие еще не означает болезнь. Возможно, работу лактобактерий взяли на себя какие-то другие виды. Присутствие лактобактерий в таком микробиоме, быть может, и является достаточным условием здоровья, но не является необходимым его условием.

Оптимальный вывод на сегодня: лучше всего рассматривать вагинальную микробиому как экосистему и при изучении ее поведения опираться на то, как экосистемы вообще поддерживают стабильность или же как в них могут вноситься возмущения. Ученые, занимающиеся другими микробиомами нашего организма, по большей части пришли к такому же выводу.

Специализированная кожа – пенис

С микробиологической точки зрения пенис не так интересен, как вагина. Если рассматривать его как среду обитания микробов, то это просто кожа. Организаторы проекта «Микробиом человека» наверняка так и считали. Они решили, что вагина достойна разделения на три зоны, а вот на пенис вообще не обратили внимания.

Впрочем, специалисты все-таки провели несколько исследований, ориентированных именно на этот орган. Они обнаружили своеобразные микробные сообщества на поверхности пениса, взяв пробы биоматериала под крайней плотью (если таковая имелась) и пробы мочи. Первые оказались сходными по составу с пробами других участков кожи, но в них обнаружились бактерии, которые часто находят в вагине, в том числе и представители рода Lactobacillus.

Небольшое обследование подростков призвано было выявить, вносит ли здесь какие-то изменения половая жизнь. Ответ: особых изменений она не вносит. Впрочем, тут явно открывается перспектива для более масштабных исследований – скажем, для изучения интимных микробных обменов, которые должны происходить при вагинальном, анальном или оральном сексе; можно сравнить образцы, взятые у дюжины подростков 14–17 лет, которые занимались сексом, и у полудюжины их сверстников, которые ничего такого не делали.

Впрочем, проведенное исследование лишь усложняет картину.

Специалисты и раньше знали, что бактерии, считавшиеся характерными для вагины, иногда обнаруживаются в мужском мочеиспускательном канале. Напрашивается вывод: они, не принося никакого вреда, просто перешли от женщины к ее сексуальному партнеру. Однако данное исследование заставляет предположить, что некоторые из них поселились в организме мужчин еще до первого сексуального контакта. Авторы работы предупреждают, что они выполняли только секвенирование 16S рРНК, поэтому не могут поручиться за точность идентификации микробных видов, но полагают, что лактобактерии могут выполнять какую-то экологическую функцию не только у женщин, но и у мужчин.

Этот проект служит также хорошим пособием по искусству убеждать. В описании его методики читаем: «Первую порцию выделяемой мочи собирали в стерильную чашку для сбора проб. Образцы из ВБ (венечной борозды полового члена – сверхчувствительной области под головкой) получали после тренировки на модели расслабленного члена. Участников инструктировали оттянуть крайнюю плоть (если таковая имеется) и затем обвести венечную борозду по окружности (с использованием гибкого ручного 4-миллиметрового элюирующего пробоотборника, плотно прижимая последний). Образцы сразу же помещали в охладитель и в течение не более 4 часов доставляли в лабораторию, где хранили при 280 °C до выделения ДНК»[47]. Каждый участник проделал означенную процедуру не один раз, а четырежды. Тинейджеры в этом исследовании оказались весьма покладистыми.

Другие исследования пролили свет на еще одно очевидное различие – между обрезанными и необрезанными мужчинами. Это различие успели хорошо изучить из-за давно известной связи между обрезанием и пониженным риском заражения ВИЧ.

Самое масштабное исследование микробиома пениса на данный момент – сбор образцов «до и после» у 79 угандийцев, согласившихся подвергнуться обрезанию, и сравнение результатов с данными о том же количестве их соотечественников, остававшихся не обрезанными до завершения эксперимента[48]. Пробы собирались в рамках большого исследования, ориентированного главным образом на профилактику СПИДа: микробиомный анализ стал здесь лишь дополнением. Как выяснилось, после обрезания заметно уменьшается количество анаэробных бактерий (то есть способных жить без кислорода) в пользу аэробных штаммов, процветающих на воздухе, окружающем области пениса, прежде закрытые крайней плотью. Один из авторов работы заметил: «Это как откатить камень и наблюдать, как будет меняться экосистема под ним».

Впрочем, в этом эксперименте есть нечто странное. Через год после начала обследования у обрезанной и у контрольной групп оказалось значительно меньше бактерий. Вы скажете, что участие в эксперименте, где ученые исследуют ваш родной пенис при помощи тампонов и пробирок, вообще может изменить ваше отношение к генитальной гигиене. Авторы не комментируют свое наблюдение, так что догадки остаются догадками. Однако возникает неизбежный вопрос: насколько достоверными, надежными и воспроизводимыми могут быть такие микробные открытия?

Кроме того, не столь уж ясно, как обрезание связано со снижением риска заражения ВИЧ, хотя уменьшение общего бактериального разнообразия при этом действительно происходит. По мнению некоторых исследователей, бактерии, обитающие под крайней плотью, могут вызывать слабую воспалительную реакцию, которая облегчает вирусу иммунодефицита доступ к поражаемому им классу клеток иммунной системы.

Все работы подтверждают также, что на поверхности пениса имеется куда меньше бактерий, чем в других, более населенных местах организма. Однако среди этих бактерий иногда встречаются такие, которые вызывают вагинальные инфекции. Поэтому взаимная передача генитальных микробов, происходящая при сексе без презерватива, в будущем должна подвергнуться тщательному исследованию (если удастся набрать достаточное количество добровольцев). Пока же наши знания по данному вопросу с замечательной лаконичностью описывает один сайт, где рассказывается об упомянутом угандийском исследовании: «После обрезания у вас совсем другая живность».

Микробы в самых неожиданных местах

Мы перечислили малые микробиомы, которые удалось распознать еще до наступления эпохи ДНК-анализа. Скудная и туманная картина известного нам микробного населения человека в свете новых технологий прояснилась. Однако эти технологии дали нам и многое другое: позволили обнаруживать следовые количества микробов для популяций с низкой «плотностью населения» или же для тех видов, которые трудно вырастить в культуре. В результате ученым удалось выявить жизнь в таких уголках нашего тела, которые раньше считались стерильными (например, в области женской груди или плаценты; подробнее об этом – в главе 6). А теперь, дабы закончить наш первый беглый обзор, остановимся на недавних открытиях, касающихся двух видов органов с собственными микробиомами – легких и глаз.

Вполне очевидно, что наши легкие открыты для воздействия окружающего мира. Можно почувствовать, как воздух проходит через ноздри при вдохе и выходит из них при выдохе. Однако в медицинских учебниках до сих пор утверждается, что здоровые легкие стерильны.

Микроанатомия и биохимия дыхательных путей и легких действительно, казалось бы, хорошо приспособлены для того, чтобы удерживать микробиоту в верхней части респираторного тракта (выше гортани), которая неизбежно подвергается воздействию постоянного потока микроскопических пришельцев. Воздух, которым мы дышим, обычно содержит от 100 тысяч до миллиона бактерий на кубический метр.

Глотка рефлекторно сжимается, когда ощущает попадание чужеродного материала, тем самым помогая нам не задохнуться. В дыхательной системе существуют и более хитроумные барьеры, препятствующие проникновению микроорганизмов, и механизмы избавления от них. Похоже, в отличие от кишечника, легким вообще не нужны бактерии, так что они предпринимают всевозможные усилия, чтобы не пускать их к себе. Особая слизь, становясь флегмой (мокротой), захватывает все, что в нее попадает, – будь то бактерии, пыль или пыльца растений; ритмично движущиеся реснички дыхательной системы выметают флегму из легких в горло, а затем она сплевывается либо проглатывается.

Такому механическому выметанию сопутствует действие целого ряда антибактериальных агентов – скажем, фермента лизоцима, в больших количествах присутствующего в слизи и слюне, в иммунных клетках, которые стараются не допустить в бесконечно ветвящийся лабиринт внутренней части наших легких микроорганизмы, находящиеся в воздухе, и те, что обитают во рту и в носу. Поэтому, решили врачи, такие системы защиты обычно обеспечивают не осложненный никаким микробным влиянием обмен кислородом и углекислым газом в капиллярах, снабжающих кровью самые тонкие дыхательные пути в глубине легких.

Считалось, что если микробам все-таки удалось колонизировать легкие, это неизбежно сигнализирует о какой-то болезни – бронхите (вирусном или бактериальном заражении бронхов – крупных ветвей «системы газоснабжения» легких) или пневмонии. (Диагноз «пневмония» стоит на многих свидетельствах о смерти, выписываемых в домах престарелых. Она напоминает бронхит, но часто оказывается более серьезной: бактериальная или вирусная инфекция вызывает воспалительную реакцию. Если эта реакция не помогает избавиться от инфекции, альвеолы на концах последних, самых крошечных веточках легких забиваются отмершими клетками и жидкостью, что мешает кислородному обмену.)

Однако современные микробиомные исследования разрушили и этот миф. В респираторном тракте имеется микробное население, характерное только для него (во всяком случае, нам сейчас так кажется). Эту зону изучать не так легко, как другие. Верхняя часть респираторного тракта (рот, нос, горло) обладает собственной микрофлорой, образцы которой проще отбирать, чем пробы из нижней части тракта (из легких как таковых). Идея о том, что в легких бактерий нет, укоренилась в сознании ученых столь прочно, что при первом картировании микробного населения человека в рамках проекта «Микробиом человека» (под эгидой американских Национальных институтов здравоохранения) легкие вообще не учитывались.

Тем, кто пытался восполнить этот пробел, пришлось нелегко. Отбор проб здесь требует бронхоскопии: специальная трубка пропускается в нос или в горло. Обычно добровольцы не соглашаются на повторную процедуру. Большинство исследований опирается на данные, полученные от немногочисленных участников, у каждого из которых пробу отбирали всего один раз. В образцах, которые все-таки удается получить, могут содержаться примеси микробных видов, обитающих в носу и во рту, в пищеварительных соках, даже в биопленках, покрывающих внутреннюю поверхность гибких пластиковых эндотрахеальных трубок, которые применяют, чтобы добраться до легких. Самый надежный способ избежать всего этого – брать пробы непосредственно из легких в процессе трансплантации, но тогда придется довольствоваться лишь больными легкими, поскольку материал от здорового донора нужно срочно использовать по прямому назначению; тут уж не до анализа. Такого рода исследования невозможно повторять регулярно. Однако в ходе одной такой работы все-таки удалось выяснить, что бактериальные популяции различны в разных областях легкого. Можно применять и менее громоздкие методики, однако они достаточно трудоемки, поскольку требуют, например, вымывания образцов из легких или вставки крошечных щеточек в дыхательные пути. Поэтому большинство исследований пока опирается на образцы, полученные у больных. Диапазон заболеваний тут весьма широк: от муковисцидоза, при котором легочная инфекция является постоянной угрозой, до СПИДа и хронической обструктивной болезни легких, которой страдают многие курильщики.

На данный момент, впрочем, можно считать почти доказанным, что здоровые легкие и в самом деле обычно населены определенными видами бактерий, которые непросто вырастить в культуре, но которые можно идентифицировать при помощи секвенирования 16S рРНК или других современных методик. Однако не так-то легко переубедить людей в том, что все микробы – злокозненные захватчики, несущие болезнь. Когда выяснилось, что в здоровых легких постоянно живут свои бактерии, сразу же посыпались предположения: мол, такие результаты получены из-за попадания в пробу бактерий изо рта и из носа, где их наверняка полным-полно. Но исследования, проводимые при самом тщательном контроле, дали надежные и воспроизводимые результаты, уже не позволяющие усомниться в реальности получаемой картины. Да, микробиота нормальных легких относительно скудна и проста, но здоровые легкие несвободны от бактерий.

Относительная простота микробиоты легких побудила некоторых исследователей задуматься о возможных преимуществах подхода, при котором микробиом каждого участка тела рассматривается как отдельная экосистема. Этот подход часто предлагают применять для изучения микробиомов, хоть и не всегда понятно, как же его использовать[49]. Легко заявить, что все триллионы микробов толстой кишки – одна экосистема, но ее сложность вряд ли поможет нам выяснить, что же происходит в этой микрофлоре.

Роберт Диксон, работающий на медицинском факультете Мичиганского университета, предлагает три «экологических» пути исследований легочного микробиома. Можно представить себе легкие как место колонизации бродячими микробами. Лучшая модель здесь – теория островной биогеографии, разработанная в 1960-х годах для анализа популяций, живущих на клочках суши посреди океана, в отдалении от материков. Самый простой случай – новый остров, возникший после извержения вулкана. Вначале жизни на нем нет, но постепенно он заселяется животными-колонистами, которые к нему плывут, прилетают или даже приносятся на плотах или бревнах. Количество видов, попадающих на остров, зависит от его размеров и от того, какое расстояние отделяет его от ближайшей области суши со стабильной экосистемой. Количество выживших видов также зависит от размера острова, но здесь играют роль и другие локальные факторы. Модели, разработанные для учета всех таких факторов, можно применить и к легким. Эту мысль высказали Диксон и соавторы в статье 2014 года[50].

«Расстояние» здесь – то, насколько глубоко в легкие вы проникаете, то есть насколько далеко вы оказываетесь от источника микробов. В числе других факторов – размеры бактериальной популяции рта и носа, а также эффективность работы ресничек и иммунных клеток. По мнению Диксона и его коллег, такая модель поможет оценивать степень видового разнообразия микробов, присутствующих в легких, но не общую численность микробного населения. Эта численность зависит от скорости воспроизводства бактерии, нашедшей место для колонизации.

Кроме того, модель помогает отказаться от идеи о разделении респираторного тракта на верхнюю и нижнюю части (верхние и нижние дыхательные пути). На самом деле в нем можно выделить множество субрегионов со своими локальными условиями, способными влиять на то, кто может там обитать. Внутренняя поверхность легких (ее общая площадь примерно в 30 раз больше суммарной площади нашей кожи) – область, участки которой отличаются по целому ряду параметров, в том числе по температуре, содержанию кислорода, кислотности, структуре клеток легочного эпителия. Если вы бродячая бактерия, все это для вас имеет значение. Конкретные эффекты еще предстоит исследовать, однако, по словам Диксона, «постоянная взаимосвязь между параметрами среды и типами микробов может стать убедительным доводом в пользу того, что бактерии не просто присутствуют в нижних дыхательных путях, но и активно размножаются там, а кроме того, подвергаются действию факторов отбора».

Экологический подход меняет наши представления о том, что считать болезнью, а что – нормой. Если в здоровых легких имеются заметные популяции микробов, следует отказаться от упрощенческого взгляда на легочные болезни (особенно на пневмонию – убийцу миллионов) как на результат негативного воздействия микроскопических захватчиков.

Диксон отмечает: пневмония – результат разрушения комплексной экосистемы, которая зачастую может адаптироваться к потенциально инфекционному виду микробов. Микробиомные исследования все чаще показывают, что вид, казавшийся причиной того или иного конкретного случая пневмонии, – лишь один из многих присутствующих видов, причем каждый из них постоянно сталкивается с совместным действием катализаторов и ингибиторов роста. Виды, которые для некоторых людей оказываются патогенными и вызывают острые инфекционные заболевания, у других, как выясняется, тихо обитают в легочной микробиоте, не давая никаких симптомов инфекции.

Как заключает ученый, «микробная экосистема легких – комплексная адаптивная система, где пневмония может возникать как некое разрушительное явление». Звучит впечатляюще, но есть ли тут связь с главным – с тем, как нужно диагностировать, лечить или даже предотвращать эту болезнь, распространенную по всему миру? Диксон полагает, что связь есть. Его гипотеза призывает сосредоточить внимание на особенностях различных этапов пневмонии.

Раньше считалось, что пневмония поражает человека, когда большое количество инфекционных бактерий попадает в стерильную ткань легких и нарушает нормальную работу ее систем защиты. Но если в легких уже имеется набор бактериальных видов, которые взаимодействуют с клетками организма-хозяина и друг с другом, то такая комплексная система может подвергаться существенным изменениям, скажем, из-за внезапного всплеска инфекции, вызванного относительно малым сдвигом равновесий, поддерживающих нужный состав бактериальной популяции.

Возможно, этим и объясняется одна из самых неприятных особенностей бактериальной пневмонии – то, что она развивается скоротечно, за несколько дней или даже часов. Как такое может происходить? Диксон предполагает наличие множества «циклов обратной связи», способных давать резкий популяционный сдвиг у очень большого количества представителей одного вида. Допустим, избыточное размножение вредоносного вида сдерживают ограниченное количество питательных веществ и воспалительная реакция невысокой интенсивности. Если интенсивность воспаления возрастет, результатом может стать повреждение клеток, и из тканей, где они находятся, начнет вытекать жидкость, насыщенная питательными веществами, тем самым способствуя развитию бактерий и дальнейшему воспалению, еще больше увеличивающему поступление питательных веществ. Происходит взрывной рост популяции патогена (что-то подобное бывает с океанскими водорослями). С этим механизмом мы еще встретимся в других частях тела.

Это лишь одна идея, но она показывает, как меняются представления о заболевании, когда мы уже знаем о существовании микробиома здоровых легких. Есть и другие варианты. Так, при заражении резко усиливается выработка слизи, но эта слизь не только действует как очиститель, но и может служить пищей опасным бактериям.

Осознание новой легочной экологии позволяет осмыслить некоторые давно известные клинические наблюдения. Пациенты, подключенные к системе искусственной вентиляции легких (лишь благодаря этому они продолжают жить), рискуют заработать пневмонию, и риск выше, если им вводили антибиотики. Этот факт трудно объяснить, если считать, что в нормальном состоянии легкие стерильны.

Похоже, важную роль нормальной легочной микробиоты подтверждают первые исследования влияния пробиотиков (бактерий, считавшихся здоровыми) на больных, подключенных к системе искусственной вентиляции. Проведенное методом случайной выборки обследование 146 пациентов показало, что у группы, получавшей пробиотики, пневмония возникала вдвое реже[51]. В данном случае пациенты просто глотали эти пробиотики (введение их непосредственно в легкие до сих пор считается чересчур смелым методом), но некоторые пробиотические микробы, очевидно, все-таки пробирались в респираторную систему по той же причине, по которой возник и сам легочный микробиом, – все, что вы глотаете, может попасть и в легкие.

Даже глаза…

Наши глаза снабжены встроенной системой очистки от бактерий, сочетающей в себе омывание и выметание. Долгое время полагали, что бактериальная нагрузка в этой области невелика, если только в ней не начнет размножаться какой-нибудь патоген, которому там не место.

Детальный ДНК-анализ опроверг и эту гипотезу. Валерий Шестопалов, офтальмолог, работающий в Университете Майами, обнаружил, что слизистые оболочки глаза (роговица и внутренняя поверхность век) отнюдь не исключение из общего правила: бактерии любят теплые и влажные поверхности тела – внутренние или внешние. По его беглым подсчетам, на конъюнктиве (внутренней поверхности век) имеется целых 300 видов бактерий – вчетверо больше, чем когда-либо удавалось вырастить в культуре применительно к данной области. Некоторые из них оказались совершенно неизвестны науке[52].

Итак, встречайте: проект «Микробиом глаза», руководителем которого как раз и стал Шестопалов. Первые результаты проекта опубликованы в начале 2014 года[53]. Его целью стало подробное изучение нормальной микробной популяции здоровой роговицы и век, а также того, как на эту популяцию влияет беспрецедентный современный инструмент для улучшения зрения – контактные линзы, как бы плавающие на поверхности слезной жидкости. Группа ученых, занимающаяся глазным микробиомом, стремится выяснить, поддерживает ли нормальная роговичная микрофлора равновесие, которое препятствует заражению этой зоны менее желательными колонистами, и нарушают ли контактные линзы состав этой популяции.

Подробности еще не опубликованы, но уже сейчас ясно, что в нормальной конъюнктиве живет примерно дюжина родов бактерий. Приблизительно таков и уровень микробного разнообразия на самой роговице, хотя тамошние организмы не совсем те же. Нормальная, здоровая роговица, как и другие участки организма, может иметь весьма различные бактериальные популяции, что лишь затрудняет разграничение здоровья и болезни.

Впрочем, роговичные инфекции сопровождаются снижением бактериального разнообразия; это снижение можно отследить еще до того, как в полной мере проявится сама инфекция. Кроме того, участники проекта составляют каталог бактерий, обнаруживаемых на контактных линзах. Линзы со временем покрываются биопленкой, поддерживающей существование сообщества микробов, отчасти сходного с тем, которое имеется на здоровой роговице.

Мы уже знаем, что использование контактных линз порой вызывает у некоторых людей появление инфекций, которые влекут за собой раздражение или более неприятные симптомы. Пока неизвестно, связано ли это с их воздействием на обычные бактериальные колонии, и если связано, то как. Во всяком случае, я даже рад, что инстинктивное нежелание вставлять в глаза кусочки стекла или пластика всегда мешало мне заменить контактными линзами очки, которые я обычно ношу. Рискну заметить, что мои очки тоже кишат бактериями, но эти бактерии, насколько я знаю, все-таки не сражаются за жизненное пространство с микроскопическими обитателями моих глаз.

Большое и малое

Ни одну из перечисленных экосистем нашего тела нельзя назвать незначительной. Изучению каждой из них можно посвятить всю жизнь. И о каждой из них можно сказать еще больше, если углубиться в исследование того, что же такое болезнь и здоровье. Список действующих лиц в нашем совокупном микробиоме очень велик, однако даже третьестепенный актер порой произносит реплику, влияющую на понимание всей пьесы в целом.

Но в этом спектакле есть одна несомненная звезда – вместилище бесчисленных микробов, которое мы пока обходили вниманием. Кишечник больше полагается на работу микроорганизмов, чем любой другой орган или ткань. Именно здесь бактерии находятся ближе всего к главным процессам нашей физиологии – и вызывают больше всего проблем, если что-то идет не так. Отчасти это происходит потому, что здесь их гораздо больше, чем где-либо еще. Если другие наши собрания микробов (пускай и крупные) насыщены взаимодействиями, которые можно медленно и аккуратно распутывать, микробиом кишечника – ошеломляюще сложная система. Так или иначе, после краткого обзора малых микробиомных сообществ нашего организма пришло время обратиться к сообществу по-настоящему большому. И задача эта весьма нелегка.

Глава 5. Нечто по-настоящему большое

Откройте банку консервированного супа обычных размеров и опорожните ее в глубокую чашу. Повторите процедуру один-два раза. Порция органической похлебки, которая окажется перед вами, будет примерно равна по объему всем бактериям, обитающим в вашей толстой кишке.

Факт неновый, но он постоянно всплывает у меня в сознании, когда я пытаюсь как-то осмыслить микробиом. Микробы – существа маленькие и незаметные. Они только рады вести незаметное существование. Приличных размером колония бактерий может жить на пятнышке, точечке, завитке, тонкой пленке жизни. Легко забыть о том, что при своем стремительном размножении бактерии способны быстро набрать значительную общую массу, едва им представится такая возможность. Сегодня существуют промышленные ферментационные установки, производящие микроорганизмы миллионами литров.

Современные микробиомные исследования позволяют яснее осознать, что у человеческого тела имеется множество экологических ниш для других организмов. Однако в основном они так и остаются утешительно-миниатюрными как по размерам, так и по общему объему. С кишечником дело обстоит иначе. Если собрать все микробы из других участков тела в одну пробу, она займет меньше чайной ложки. А вот для микробов из моего пищеварительного тракта понадобится большой черпак.

Уже сама их совокупная масса подразумевает, что кишечный микробиом вполне можно представить себе как отдельный орган, причем весьма важный: по метаболической активности он не уступает печени. Но орган это необычный. Он состоит из клеток, предки которых обитали в самых разных местах. От значительной части этих клеток организм ежедневно избавляется. Могу ли я предположить, что данный орган, подобно другим, блюдет мои интересы? (Во всяком случае, касательно других органов вполне естественно сделать такое предположение.) И чем он, собственно, вообще занимается?

В совокупный микробиом человека входят и другие участки тела, где живут свои виды микробов, играющие свою роль. Но, судя по всему, важнее всего разобраться именно в микробиоме кишечника, особенно в микробиоме толстой кишки. Процессы, которые там происходят, влекут за собой далеко идущие последствия. В ближайших трех главках – о том, что ученым удалось выяснить.

Спускаясь в люк

Очевидный способ попасть в кишечник – через рот. Но бактерия, которая хочет присоединиться к кишечному микробиому, должна проделать долгий путь. И она может очутиться в самых разных местах.

Желудочно-кишечный тракт человека – единая система, но в ней можно выделить несколько областей, существенно отличающихся друг от друга. Три основные – желудок, тонкий кишечник (уложенный в брюшной полости) и толстый кишечник, или толстая кишка. Если представить все это как одну прямую трубку, ее общая длина (для взрослого) составит целых 7 м.

Проследим за маршрутом потребляемой еды. Рот богат микробами, однако содержимое желудка (смесь измельченной пищи, слюны и высококислотных выделений, помогающих расщеплять поступающие с пищей белки) поддерживает существование лишь десяти микробных клеток на грамм. Далее количество бактерий стремительно возрастает. К тому времени как мы достигнем двенадцатиперстной кишки, первой части тонкого кишечника (как мы знаем, он довольно длинный), плотность микробного населения составит уже 1000 организмов на грамм; при движении по тонкому кишечнику нас ждет рост этой величины еще в 10 тысяч раз: последний участок тонкого кишечника содержит 10 миллионов микробных клеток на грамм. Однако самый большой количественный скачок происходит между тонким и толстым кишечником. Толстую кишку, последнюю из основных частей нашего кишечника, когда-то считали довольно примитивной трубкой, где реабсорбируется жидкость из материала, который вот-вот превратится в фекалии. Однако именно здесь кормится несусветное количество микробов – миллион миллионов (10¹²) на грамм.

Вся эта живность обитает в зоне, чье сложное устройство, сформировавшееся в ходе эволюции, само являет собой микроскопическое чудо. Как толстый, так и тонкий кишечник выполняет две работы, требования к которым противоречивы. В отличие от кожи, на которой спокойно резвятся микробы, поверхность кишечника не может действовать просто как барьер. Все малые молекулы, производимые при переваривании пищи (главное занятие этого органа), должны абсорбироваться в кровь, чтобы их можно было использовать там, где они требуются. А значит, кишечник должен обладать не слишком толстой оболочкой и как можно большей поверхностью. Толщину оболочки легко оценить: для эпителия, внутреннего поверхностного слоя кишечника, она составляет около 10 микрон – примерно вдесятеро больше размера типичной бактерии. Площадь оценить труднее, поскольку кишечник имеет весьма извилистую форму. Если бы стенка кишечника (упомянутый нами тонкий слой) была плоской, она заняла бы меньше квадратного метра. Но она неплоская. Бесчисленные мелкие отростки (ворсинки) высовываются во внутреннее пространство кишечника – его полость. Каждая из этих ворсинок питает одноклеточной толщины слой эпителия. Но у клеток тоже есть внешний слой, едва различимый при помощи оптического микроскопа и кажущийся чуть щетинистым. Называется он щеточной каймой. Электронный микроскоп покажет вам, что она в свою очередь состоит из микроворсинок, усеивающих ту сторону клеточной мембраны, что обращена в сторону полости.

Подсчитать общую площадь всего этого – то же самое, что попытаться оценить общую поверхность самого пушистого из ваших банных полотенец. Анатомы сходятся во мнении, что этот показатель составляет от 200 до 250 м² (что сравнимо с размером теннисного корта). Возможно, это и не очень точная оценка, однако все равно понятно, так сказать, на какой площадке идет игра. Ясно одно: мы имеем дело с большой цифрой.

И это хорошо. Кишечнику (как и легким с их мелко разветвленными альвеолами, предназначенными для газообмена) для проведения эффективного молекулярного переноса необходима большая территория. Но здесь мы сталкиваемся с другим требованием. Кишечник полон не только пищи, но и бактерий, а нам не хочется, чтобы бактерии попадали в кровь. Мы привыкли считать кожу главным препятствием на пути бактерий, которые пытаются глубже проникнуть в наши ткани, и она действительно выполняет немаловажную барьерную роль. Но кишечник куда больше по общей площади, и ему приходится иметь дело с куда более значительным количеством бактерий в течение куда более значительного времени. Как он с этим справляется?

Свой барьер тут тоже, конечно, имеется. Эпителий, как и все биологически активные пограничные слои, осуществляет молекулярный перенос, при этом преграждая путь более крупным объектам, вроде микробных клеток. Соседствующие эпителиальные клетки объединены белковой сетью в тесную структуру наподобие той, что используют многоклеточные (так называемое «плотное соединение»). Она также помогает задерживать нежелательных гостей.

Однако для полного ответа на вопрос следует вспомнить об иммунной системе. Поскольку кишечник – центр метаболизма и основная часть нашего микробиома, он является к тому же самым крупным участком действия всех молекулярных и клеточных объектов, обеспечивающих иммунитет. Присутствие в кишечнике триллионов бактерий, вероятно, является главной движущей силой развития иммунитета как в эволюционном масштабе, так и у каждого конкретного человека. Это влияние мы лишь сейчас начинаем осознавать. Подробнее о том, как оно меняет наши представления о живом, читайте в главе 7.

А пока давайте рассмотрим микробное содержимое самого плотно заселенного региона – толстой кишки. Здесь находится наиболее сложная микробная экосистема нашего тела, а по клеточному разнообразию и по количеству клеток на единицу объема – возможно, и вообще самая сложная экосистема в мире. Ей посвящена основная часть обзоров, где дается количественная оценка наших микробов и их генов. И чем больше людей обследуют ученые, тем большее разнообразие выявляется. Первый опубликованный каталог микробных генов, составленный на основе данных по 124 добровольцам, содержит 3,3 миллиона генов кишечника. Самый же новый[54], объединяющий результаты обследования примерно 1300 жителей Америки, Европы и Азии, доводит это количество до десятка миллионов.

Так что эта единая система/культура, в которую постоянно поступают питательные вещества и из которой с более или менее постоянной скоростью выводятся микробы (при каждом опорожнении кишечника из нее вымывается несколько триллионов живых и мертвых бактерий), и в самом деле устрашающе сложна. Впрочем, можно придумать кое-какие полезные упрощения, помогающие нам понять, что важнее в толстой кишке. Приведу два таких упрощения. Первое более противоречиво, чем второе.

Сейчас вовсю обсуждается идея, что кишечные микробиомы могут принадлежать к небольшому числу довольно широких типов. Она появилась при первом анализе данных проекта «Метагеномика желудочно-кишечного тракта человека» («Metagenomics of the Human Intestinal Tract», «metaHIT»), осуществлявшегося (главным образом европейскими специалистами) примерно в то же время, что и американский проект «Микробиом человека». В 2011 году участники проекта сообщили, что выявили три группы людей, которые можно разделить по особенностям кишечной микрофлоры. В каждой группе доминировала своя разновидность микробов – Bacteroides, Prevotella или Ruminococcus.

Последовали бурные споры. Можно ли разработать на основе этого открытия диагностические тесты, в которых давно назрела необходимость? Способно ли это открытие помочь при идентификации людей (как при опознании по группам крови)? Однако эти результаты получены на основе обследования всего 39 человек; чем больше образцов анализировали, тем туманнее становилась картина: обычная история. У группы из 35 шимпанзе, живущих в кенийском национальном парке Гомбе, выявили энтеротипы, в некоторых отношениях сходные с нашими[55]. Однако при повторном отборе пробы год спустя у одной и той же обезьяны иногда обнаруживается другой энтеротип, так что долговременная стабильность данных остается под вопросом. Изменения не следуют какой-то явной закономерности. У одного семейства из трех особей (самец, самка и их мать) при первом отборе пробы обнаружили три разных энтеротипа (у каждого свой). Дальнейшие проверки показали, что эти энтеротипы со временем изменились, однако по-прежнему отличались друг от друга.

Я подробнее поговорю об эволюции микробиома в главе 6, пока же замечу, что в самом деле наблюдается тенденция к поддержанию соотношения энтеротипов (или хотя бы видовых кластеров), уходящая корнями в прошлое – к общему предку людей и шимпанзе. Домовые мыши, судя по работе 2014 года, также обладают такой особенностью, хотя пока удалось выявить лишь два их энтеротипа. Возможно, это лишь кластеры, выстраиваемые в соответствии с определенными параметрами. Возможно, это вообще лучший на данный момент способ описания того, что происходит с нашей микрофлорой: бактериальные кластеры в человеческих кишках отличаются от тех, которые мы находили у других животных. Ни у мышей, ни у шимпанзе пока не обнаружен энтеротип, где доминировали бы Prevotella.

Основная работа по изучению состава микробных популяций кишечника в зависимости от того, что человек (или мышь) ест, заключалась в выяснении того, как микробы влияют на ожирение (я коснусь этой проблемы в главе 8). Однако продолжается и более глубокий анализ данных проекта «Микробиом человека», предоставляющий новые подтверждения того, что микробиомы всех участков нашего тела, вероятно, существуют лишь в немногих широко распространенных состояниях, а все типичные кластеры микробных типов (свойственные кишечнику, рту, вагине и т. п.) можно обнаружить у здорового человека, имеющего эти органы. В интригующей статье, опубликованной группой ученых Мичиганского университета, перечислены все эти микробные типы, выявленные на основе анализа проб в рамках проекта «Микробиом человека»[56]. Как заявляет один из соавторов, Патрик Шлосс, удалось лишний раз подтвердить, что «не существует какого-то одного здорового человеческого микробиома». Обнаружены довольно таинственные корреляции, например, между составом микрофлоры рта, вагины, локтевых сгибов, заушных складок. Однако ярче всего прослеживаются корреляции между микрофлорой кишечника (или образцов кала) и микробными сообществами во рту. Как отмечает Шлосс, «по типу бактерий у вас во рту можно предсказать тип бактерий у вас в кишках». Возможно, это хорошая новость для тех, кто верит, будто можно стать здоровее, сознательно поедая «хорошие» бактерии.

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.

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.

Выяснятся, однако, что судьба клетчатки куда интереснее: это далеко не только добавка к фекалиям, доводящая их до необходимого объема[61]. Если в толстой кишке присутствуют нужные бактерии, крупные молекулы расщепляются при помощи бактериальных ферментов, давая короткоцепочечные насыщенные жирные кислоты. А те в свою очередь могут использоваться нашими собственными клетками для выработки энергии. Ацетат (обычно его производится втрое больше, чем бутирата) попадает в кровь, а потом используется мышцами и печенью, подобно глюкозе. Часть бутирата также абсорбируется из толстой кишки и применяется в печени. Однако свою важную метаболическую роль он начинает играть уже в толстой кишке, где быстро делятся эпителиальные клетки, жадные до бутирата. Не получая достаточного его количества, они переваривают собственное содержимое.

Прелестная, изящная схема: бактерии представляют собой удобный источник энергии для близлежащих человеческих клеток, которым эта энергия так нужна. Однако молекула бутирата, избежавшая съедения клетками человеческого тела, может проделывать множество других вещей. Похоже, существуют рецепторы, способные повсюду распознавать ее – по форме и по распределению электрического заряда между ее атомами. Сколько таких рецепторов? Вероятно, пока мы знаем не все, но давайте остановимся хотя бы на некоторых. Молекулярные взаимодействия в живых системах зачастую мимолетны. Представьте себе молекулу в жидкой среде, окруженную другими, постоянно толкаемую, да при этом еще и ее собственные атомы «вибрируют» или даже вращаются вокруг межатомных связей[62]. Она может совершить краткое «рукопожатие» с каким-то рецептором или участком идентификации, но затем ее выталкивают обратно в поток. Если бы оказавшемуся в толстой кишке бутират-иону вручали список «двадцати действий, которые необходимо соверщить, прежде чем вас метаболизируют», этот список мог бы начинаться следующим образом.

Найдите рецептор, сопряженный с G-белком, и соединитесь с этим рецептором. Речь идет об обширном семействе рецепторов, расположенных на поверхности клеток и проделывающих то, на что указывает их название; находясь на клеточной мембране, они связывают малые молекулы, имеющиеся во внеклеточном пространстве. Это небольшое изменение заставляет рецептор изменить форму. Затем он активирует какой-то G-белок (G-белки – один из классов белковых молекул), который после этого передает сигнал внутрь клетки, тем самым вызывая целый ряд эффектов.

Многие сигнальные системы клеток работают таким образом. В наших тканях существуют тысячи различных рецепторов, сопряженных с G-белком, как и других рецепторов из того же семейства, действующих посредством разных агентов передачи сигнала. Поэтому не удивительно, что некоторые из них связывают бутират (и ацетат). Их так много, что им присваивают названия с номерами. В данном случае первый рецептор, который встречает наша молекула, именуется Gpr43. Его форма предназначена для связывания трех наиболее распространенных короткоцепочечных насыщенных жирных кислот. Он помогает приглушать воспалительные реакции.

Затем наша молекула бутирата слезает с этого рецептора и попадает на другой – Gpr109a. Он игнорирует иные короткоцепочечные насыщенные жирные кислоты и захватывает лишь бутират (хотя, поскольку клеточная биология вообще полна скрещивающихся путей, он способен также откликаться на присутствие витамина B3 – ниацина, еще одного продукта жизнедеятельности кишечных бактерий). Этот рецептор после активации выполняет в кишечнике сходную противовоспалительную роль. Похоже, он также снижает вероятность развития рака толстой кишки. И вот пример типичной сложной взаимосвязи, помогающей клеточным сообществам самоорганизовываться: выработка этого рецептора в толстой кишке резко усиливается в присутствии кишечных бактерий. Что это – еще один эффект бутирата? Мы пока не знаем.

Но и это лишь краткая встреча. Наша универсальная молекула бутирата плывет дальше, чтобы соединиться с рецептором Gpr41, который подает клеткам сигнал усилить выработку лептина – гормона, играющего весьма важную роль в контроле аппетита, метаболизма жиров и их накопления. И наконец, бутират прочно связывается с рецептором еще одного типа – транспортным белком, который переносит бутират внутрь клетки нашего тела (в данном случае – клетки эпителия толстой кишки). Оказавшись там, молекула высвобождается и может взаимодействовать с новыми партнерами. Так, одна из хорошо изученных функций внутриклеточного бутирата – ингибирование фермента, который ускоряет отщепление ацетильных групп от гистонов – белков, участвующих в упаковке нитей ДНК. Здесь следует отметить, что повышенная активность данного фермента – одна из характерных особенностей клеток злокачественной опухоли толстой кишки.

Таков лишь один из множества возможных конечных пунктов этого молекулярного путешествия. Если клетка, переносящая в себе бутират, окажется Т-лимфоцитом, присутствие бутирата может побудить ее стать более специализированной иммунной клеткой. Существуют транспортные агенты, переправляющие бутират через эпителий кишечника, чтобы это вещество попало в кровь. А уж вместе с кровью бутират может направиться практически куда угодно. По мнению некоторых специалистов, похожие транспортные агенты могут нести короткоцепочечные насыщенные жирные кислоты в мозг и нервные клетки. Возможно, существует даже некая связь между такой доставкой и тем фактом, что опыты на мышах как будто показывают – введение значительных доз бутирата может оказывать антидепрессивное действие. (К этой находке мы еще вернемся в главе 9.)

Но давайте закончим наше воображаемое путешествие именно здесь. Оно позволяет представить себе лишь некоторые детали, известные нам о бутирате и о том, что он способен делать. Конечно, пока мы знаем далеко не все. Однако этот беглый рассказ позволяет представить себе и другие похожие истории о молекулах, каждая разновидность которых успела сыграть множество ролей с тех самых пор, как в ходе эволюции начали складываться пути координации различных систем нашего организма (и организма наших эволюционных предшественников)[63].

Ученые пытаются столь же детально изучить другие подобные истории, каждая из которых напоминает о тонко настроенном взаимодействии и тщательной координации, необходимых, когда речь идет об управлении организмом, состоящим из триллиона клеток. Переход же на уровень суперорганизма подразумевает, что система в целом включает триллионы других клеток, которые действуют в какой-то степени независимо и интересы которых не всегда полностью совпадают с интересами «родных» клеток нашего тела.

Из истории о бутирате можно сделать еще два вывода. Обычно ни одна малая молекула не ограничивается выполнением лишь одной функции. Чаще всего молекула вовлечена в деятельность разных систем, причем ее функции подчас кажутся в чем-то противоречивыми. Одна молекула может участвовать в тонкой настройке многих систем организма. Более того, сети передачи сигнала, чью деятельность она модулирует, переплетаются со многими другими; ко всем этим взаимодействиям следует подходить весьма тщательно, если мы хотим получить сколько-нибудь ясное представление об их возможных конечных результатах. Все эффекты, которые оказывает моя гипотетическая гиперактивная молекула бутирата, зависят от конкретных клеточных обстоятельств. Нужно иметь все это в виду, пытаясь разобраться, означают ли новые открытия касательно микробиома именно то, о чем заявляют их авторы и пропагандисты.

А теперь следует вернуться на более высокие уровни микробиома – к экосистемам и комплексным взаимодействиям. Но пока мы еще здесь, внизу, играем в рьяных редукционистов и пытаемся изучать объекты по одному, давайте обратимся к очередной истории с единственным главным героем. Речь у нас пойдет не о молекуле, а о некоей бактерии.

«Хорошая» бактерия, «плохая» бактерия

Мешанина из бесчисленных результатов ДНК-анализа, получаемых современными специалистами, определенно говорит лишь одно: существует несметное множество разновидностей бактерий, которые могут оказаться среди микробного населения человеческого организма. Это разнообразие наряду с еще более огромным разнообразием генов, которые все эти микробы имеют в своем коллективном распоряжении (как мы уже знаем, таких генов больше 10 миллионов), представляет собой во всех смыслах гигантскую проблему, в которой еще только предстоит разобраться.

Впрочем, если сосредоточиться всего на одной бактерии, тоже можно немало узнать. Как и в случае с E. coli, лабораторное исследование которой плодотворно уже много лет, выяснение как можно большего количества информации об одной-единственной бактерии способно показать, как бактерии взаимодействуют с нашим организмом.

Возьмем, к примеру, интригующую историю Helicobacter pylori. Это существо особенно удобно для одновидовых штудий, поскольку устойчиво к воздействию кислой среды и поэтому может жить в желудке (где численность бактериального населения значительно ниже, чем в кишечнике). Возможно, по этой причине данная бактерия – нелучшая иллюстрация того, как мы взаимодействуем с прочими компонентами нашего микробиома, однако она позволяет демонстрировать немаловажные особенности наших связей с бактериальными видами.

История эта может похвастаться удивительными поворотами: в частности, за 30 лет она дважды коренным образом переменила господствующее в научных и медицинских кругах мнение, причем во второй раз потребовалось выкорчевать воззрения, прочно укоренившиеся на предыдущем этапе.

Пожалуй, H. pylori известнее всего благодаря исследованиям, в ходе которых утверждалось: она вызывает язву. До 1970-х годов ученые полагали, что язва – эта болезненная и иногда опасная эрозия стенки желудка – возникает из-за чрезмерного количества кислоты; эффект, к которому может приводить стресс. Затем австралийский патолог Робин Уоррен подметил, что в желудке имеются бактерии, активно заселяющие слизистую оболочку его стенок при воспалении. Эти бактерии наблюдали еще в XIX веке, но с тех пор столь основательно забыли, что преподаватели внушали будущим врачам: желудок стерилен. Как выяснилось, присутствие этих бактерий в организме человека напрямую связано с развитием язвы.

Эта ассоциация оказалась достаточно четкой, чтобы предположить: данный микроб – патоген, подчиняющийся правилам Коха. В 1982 году его удалось вырастить в лабораторной культуре. Раньше у микробиологов это не получалось. Затем даже удалось показать, что H. pylori можно выделить у пациентов, страдающих язвой, и у большего количества людей, страдающих гастритом (желудочным воспалением). Кроме того, Барри Маршалл, работавший вместе с Уорреном, выяснил, что проглатывание этих бактерий вызывает приступ гастрита. Еще более впечатляющее открытие: медикаментозное лечение заражения H. pylori помогает избавляться от язвы. Результат – Нобелевская премия по физиологии и медицине, присужденная Уоррену и Маршаллу в 2005 году, и мгновенно возникшая у множества врачей убежденность, что эта новая (для них) бактерия – опаснейший патоген. Итак, если желудок почему-либо оказался нестерильным, нужно срочно сделать его таковым. Хорошая H. pylori – мертвая H. pylori. А потому – принимайте антибиотики!

Однако дело с язвой оказалось не столь простым. Мартин Блейзер из Нью-Йоркского университета давно подметил, что не все носители H. pylori зарабатывают язвенную болезнь. В конце 1980-х он приступил к более тщательному исследованию этого микроорганизма. Вскоре его научная группа выяснила, что существует несколько вариантов данной бактерии и в крови зараженных ею людей содержатся антитела к ней[64].

Далее Блейзер принялся разделять H. pylori на разновидности, отличающиеся друг от друга по способам взаимодействия с эпителиальными клетками желудка, и показал, почему какие-то из этих разновидностей вызывают язву с большей вероятностью, чем другие. Вместе с коллегами он продемонстрировал также, что присутствие этих бактерий увеличивает риск развития рака желудка – одной из главных причин смерти современного человека. Что ж, тем больше оснований прописывать антибиотики: мы должны при первой же возможности избавляться от этого смертоносного микроба!

Однако на этом дело не закончилось. Связь с болезнью была обнаружена только потому, что не все люди оказались носителями H. pylori. Эта особенность возникла у человечества сравнительно недавно. Работы XIX века и современные обследования жителей Африки и Азии показали, что почти у всех испытуемых эти бактерии обитают в стенках желудка либо в их крови имеются антитела, свидетельствующие о наличии этих бактерий. Более тщательные изыскания, проведенные совсем недавно, позволяют заключить, что эта бактерия – наш весьма древний спутник. Похоже, в желудке у каждого млекопитающего имеется какой-то родич этой бактерии, эволюционировавший вместе со своим хозяином. Можно показать, что человек является ее носителем по меньшей мере на протяжении последних 100 тысяч лет, а скорее всего даже дольше. H. pylori живет лишь на человеке, а значит, после рождения ребенок должен как-то приобретать ее от себе подобных. В менее гигиеничные времена большинство детей подхватывали ее в течение первых десяти лет жизни.

Потом пришла современная санитария, а позже – практика частого введения антибиотиков для борьбы с детскими инфекциями. Заражаемость бактериями H. pylori стала неуклонно снижаться. Между взрослыми людьми они не так-то легко передаются, а дети могут приобрести их, лишь если матери или братья-сестры являются их носителями. Поэтому доля людей, зараженных этим микробом, уменьшалась с каждым новым поколением. По оценкам Блейзера, у подавляющего большинства рожденных в США в начале прошлого века имелись в животе H. pylori, однако этой бактерией заражены лишь менее 6 % появившихся на свет после 1995 года.

Ну и отлично. У новых поколений будет куда меньший риск получить болезненную язву или рак желудка (зачастую летальный).

Однако не всё так безоблачно. Язвенная болезнь бывает и у взрослых, а рак желудка обычно возникает в среднем возрасте или позже. Если до недавнего времени все дети в истории человечества несли в себе бактерию, адаптировавшуюся к жизни в желудке человека, то, может быть, она оказывает и какое-то другое воздействие, в том числе и благотворное? Первое указание на это содержится в еще одной работе Блейзера. Ему хотелось выяснить, превышает ли норму содержание H. pylori у страдающих острым кислотным рефлюксом (попросту говоря, изжогой).

Вопреки всем ожиданиям ученых выяснилось: для тех, у кого нет H. pylori, вдвое больше вероятность развития тяжелой формы изжоги – гастроэзофагального рефлюкса. При такой болезни часть содержимого желудка время от времени поднимается к глотке. Это может происходить несколько раз в день, приводя к образованию рубцов и к еще более неприятным последствиям. Конечным результатом может стать аденокарцинома – заболевание, которое в последнее время становится все более распространенным (как и кислотный рефлюкс).

Группа Блейзера и другие команды ученых, продолжавшие ее работу, обнаружили, что избавление от H. pylori при помощи антибиотиков часто вызывает кислотный рефлюкс. Дальнейшие результаты выявили факт, который может показаться каким-то биологическим извращением. Оказывается, штаммы H. pylori, вырабатывающие белок под названием cagA, который способен повреждать эпителиальные клетки, с большей вероятностью вызывают язвенную болезнь и рак желудка, но при этом более сильно (по сравнению с другими H. pylori) снижают риск возникновения рефлюкса и аденокарциномы. Возможно, столь запутанная картина объясняется особенностями регуляции процессов выработки кислоты в желудке, хотя мы пока не до конца разобрались в соответствующих механизмах.

Но и этого мало. Как выясняется, дети, которые все-таки заражаются H. pylori (особенно штаммами, ассоциируемыми с язвенной болезнью), меньше рискуют заработать астму – еще один недуг, который врачи наблюдают все чаще и чаще. То же самое верно для сенной лихорадки и целого ряда других аллергических заболеваний.

Чтобы понять, как такое может быть, следует рассмотреть причины и преимущества воспалительных процессов, а также то, как наши спутники-бактерии взаимодействуют с нашей же иммунной системой. (Об этом мы поговорим в главе 7.)

Многообразные эффекты H. pylori побудили ученых заняться активным выявлением связей этой бактерии (как негативных, так и позитивных) с другими заболеваниями. Обзор положения дел в этой сфере, сделанный в 2014 году, включает ссылки на примерно 140 работ, авторы которых занимались такими различными недугами, как рак поджелудочной железы, анемия (малокровие), болезни печени и артериальный тромбоз[65].

Связи здесь по большей части слабые или противоречивые, но исследования продолжаются. Так или иначе, пример H. pylori показывает: по меньшей мере для некоторых видов бактерий не существует четкого разделения между безвредным (или даже полезным) микроорганизмом и патогеном. Иногда микроб делает одно, иногда – другое. Возможно, все зависит от мелких различий между штаммами, от генетических особенностей организма-хозяина, от других индивидуальных факторов и факторов среды. Возникает в лучшем случае весьма расплывчатая картина причинно-следственных связей, если хоть какая-то картина возникает вообще. Чтобы прояснить ее, придется собрать поистине гигантскую группу испытуемых, наблюдать их в течение долгого времени и затем анализировать чертову кучу полученных данных. И это лишь для одной бактерии, пускай нам и кажется, что она играет в нашем организме весьма важную роль.

Мое собственное

Есть ли H. pylori у меня в желудке? Не знаю. Зато я знаю, что когда-то у меня была легкая форма астмы и никогда не было язвы. Так что есть искушение дать отрицательный ответ на этот вопрос. Однако в моей пищеварительной системе все-таки имеется несметное количество микробов. Чтобы попытаться выяснить какие-то полезные вещи о микробиоме, можно перейти от мелких подробностей действия одной молекулы или единичной бактерии к широкомасштабному взгляду, охватывающему всё наше микробное сообщество. Так что для финала этой главы я приберег краткий отчет о конгломерате микроорганизмов, обитающих в моей собственной толстой кишке.

При желании вы легко сумеете заказать обследование своего микробиома. Оно даже может стать вкладом в науку, заполнить пробелы в наших знаниях о том, насколько сильно отличается микробиота у разных людей и что влияет на ее изменения.

Существует несколько учреждений, предлагающих услуги по отбору биологических проб и выяснению их состава. «Американский кишечник» – краудфандинговый проект, цель которого – выстроить максимально полную картину кишечной микробиоты американцев, индивидуально обследуя всех, кто захочет пройти такое обследование. Я обратился в «uBiome» – проект, также ставший одним из первых в этой сфере (и также американский). По словам организаторов, задача проекта – «снабдить всех желающих необходимыми средствами для изучения уникального бактериального баланса в организме».

Поначалу проект тоже финансировался путем сбора частных пожертвований, набрали таким образом 350 тысяч долларов. На сайте написано, что это вклад в «гражданскую науку». Идея создателей проекта состоит в том, чтобы предоставить всем возможность пользоваться данными, полученными при помощи секвенсоров «uBiome», и информацией, извлекаемой из сравнения этих данных с появляющимися сейчас другими результатами анализа, дабы планировать собственные исследования.

Пока проект действует довольно прямолинейно. За 89 долларов вы заказываете в «uBiome» специальный набор для анализа, и по почте вам присылают коробку с тампонами и пробирками. Я предпочел пойти по самому простому пути: соскоблил образец кала с туалетной бумаги, поместил его в пробирку со стабилизирующим раствором, встряхнул и запечатал. За дополнительную плату я мог бы приложить пробы, взятые из носа, рта, с половых органов и кожи, но мне показалось разумным начать с кишечника (по крайней мере, с конечного продукта его деятельности). Остальное подождет.

Количество использованного материала выглядело смехотворным, и я сомневался, хватит ли его для анализа, когда готовил посылочку для отправки в Сан-Франциско, где располагается штаб-квартира «uBiome». Всё ли я сделал правильно? (Кроме того, как-то странно отправлять образец фекалий по почте. Но, судя по всему, это никого не беспокоит.) Остальной мой вклад был онлайновым: я зарегистрировал свой набор и заполнил довольно простую анкету, тем самым заведя личный профиль в системе.

Проект пока находится в процессе развития, но после нескольких месяцев ожидания, как раз когда я писал эту книгу, мне представили доступ к бета-версии сайта, и я увидел данные о своем микробиоме.

Перед тем как углубиться в детали, отмечу, что сайт заранее предупреждает: эти данные предназначены исключительно для того, чтобы помочь мне больше узнать о моем микробиоме, их не следует использовать в медицинских целях. Кроме того, «названия некоторых бактерий могут походить на термины, которыми именуются инфекционные и другие болезни». Это не значит, что у меня есть соответствующая инфекция (или что у меня ее нет). Я и так это знал, поскольку «uBiome» использует секвенирование 16S рРНК, дающее весьма общую классификацию бактерий. Но я порадовался, увидев столь откровенное предостережение.

Из информации, предоставленной таким путем, всё же можно узнать массу деталей. Первым делом вам показывают красивенькую цветную диаграмму, отражающую распределение бактериальных филумов в вашем кишечнике (или по крайней мере в крошечной пробе вашего кала).

Основную часть бактерий в моем образце составляли Firmicutes – 74,5 %, что заметно выше среднего показателя для базы данных «uBiome», где представлены, по-видимому, в основном североамериканцы, а у них в среднем по 61,6 % микроорганизмов из этого филума. Это среднее значение основано на анализе образцов из всевозможных участков тела, но в данном случае оно почти полностью совпадает с результатом для кишечных проб здоровых всеядных существ (именно к ним я отнес бы себя), составляющим 61,67 %.

Ближе к среднему показателю я оказался по менее распространенным Proteobacteria (3,83 % при среднем в 3,46 %) и Actinobacteria (3,01 % при среднем в 2,72 %), почти вдвое ниже среднего – по Bacteroidetes (11,8 % при среднем в 20,4 %). Эта разница показалась несущественной, когда я углубился в детали и посмотрел на разброс значений для проб из кишечника здоровых всеядных людей: практически от нуля до примерно 50 %. Лишь чуть больше 1 % найденных разновидностей бактерий не удалось классифицировать.

Дальше меня ждал сюрприз. Оказывается, существует целый филум, о котором я никогда раньше не слышал, – Tenericutes. Судя по данным анализа, к нему принадлежат целых 5,4 % моих кишечных бактерий. А среднее по всей базе «uBiome» – 0,183 %.

Вот это да! Интересное открытие. Значит, мой кишечный микробиом – необычный. По крайней мере, хоть в каком-то отношении. В образцах из кишечного микробиома других людей эта величина обычно ниже 0,5 % (у веганов – в среднем 0,65 %, но я не веган). Диапазон значений довольно узок, статистические выбросы очень редки. А я оказался далеко за пределами нормального диапазона. Почему?

Пока мне придется умерить интерес. Я понятия не имею, что означает эта высокая величина. И, насколько мне известно, никто ее сейчас объяснить не может.

Все мои Tenericutes, сообщил мне «uBiome», принадлежат к классу Mollicutes – сравнительно простым бактериям, не имеющим клеточной стенки и являющимся паразитами с весьма примитивным геномом, вероятнее всего возникшим путем избавления от как можно большего числа маловажных генов.

Страницы:

Читать бесплатно другие книги:

Домашний хорек и его предок

Калинин Дмитрий

В предлагаемой книге домашние хорьки рассматриваются в эволюционной взаимосвязи со своими дикими пре...

Методы психологической коррекции личности

Крыжановская Лариса

В книге рассматривается концепция коррекции и саморегуляции личности путем психологического вмешател...

Летающий джаз

Тополь Эдуард

В новой книге Эдуарда Тополя рассказывается об операции «Фрэнтик» – общей советско-американской воен...

Психологические цветовые и рисуночные тесты для взрослых и детей

Шевченко Маргарита

Как цветовые предпочтения человека связаны с его эмоциями? Каким образом рисунки человека раскрывают...

Навстречу мечте. Сборник стихотворений

Кореновская Наталья

Приветствую, дорогие читатели! Радую вас очередным сборником своих произведений.Читайте с удовольств...

Отголоски прошлого. Детектив

Терентьева Наталья

Дело не только в музыке. Чем же привлекает убийцу 3-й этаж обычного дома? Очередное дело майора Алек...