Русский микромир

Запущен первый проект исследования генома бактерий, живущих внутри россиян. Вслед за учеными в тонкостях национальной микрофлоры попробовал разобраться и "Огонек"

Если кто не знает, научный мир (и прежде всего биологи) сегодня увлечены изучением сообществ бактерий, проживающих внутри человека. Число статей на эту тему в авторитетных журналах зашкаливает. А их авторы выдвигают все более головокружительные гипотезы о влиянии жизнедеятельности бактерий, находящихся внутри нас, на нас с вами,— от банальной физиологии до религиозных убеждений.

— Про патогенные микроорганизмы, которые вызывают заболевания, науке известно давно и много,— объясняет "Огоньку" Андрей Шестаков, руководитель лаборатории микробной биотехнологии МГУ им. Ломоносова.— А вот в отношении дружественных нам бактерий прорыв, можно сказать, недавний — в 2012-м завершился проект "Микробиом человека", по итогам которого ученые получили генетический портрет 10 тысяч микроорганизмов, обитающих внутри человеческого организма. С тех пор микробиологи все решительнее утверждают, что бактерии, живущие у нас на коже или в кишечнике, играют в нашей жизни куда большую роль, чем думали раньше.

Генетический анализ бактерий дал уникальный шанс "познакомиться" с микроорганизмами, населяющими человека. Ведь до сих пор о нашем внутреннем бактериальном мире ученые судили по старинке: высеивали обнаруженные в организме человека бактерии в чашках Петри и смотрели, что вырастет. Увы, из более чем 15 тысяч видов микробов, обитающих, к примеру, в нашем кишечнике, 90 процентов таким образом просто не культивируются. Отсюда вывод: вплоть до начала ХХI века мы почти ничего не знали о важной и, кстати, весомой (бактерии, населяющие взрослого человека, весят примерно 2-3 килограмма) составляющей собственного организма. Сегодня эту совокупность всех обитающих внутри человека микроорганизмов исследователи обозначают термином "микробиом" (или "микробиота"), а некоторые даже говорят об отдельном органе, чтобы подчеркнуть то воздействие, которое он оказывает на нас с вами.

Есть ли у микробов национальность?

Выяснить на уровне ДНК, просматривается ли у микробиома национальный характер, решили довольно скоро. Первым проектом такого рода стала работа Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге (ФРГ), которая в 2013-м сравнила геном бактерий, обитающих в кишечниках жителей Европы, США и Японии. Главным сюрпризом стала возможность поделить исследуемых на три группы по типу преобладающих в них бактерий. При этом принадлежность к группе определялась не местом жительства, а типом питания.

Что касается геномного портрета российской бактерии, то он лишь стартовал, объясняется это просто: генетический анализ стоит недешево. Больше того, проект "Исследование микробиоты российского человека" осуществляется на краудфандинговой платформе — деньги собирают всем миром.

— Метод работы основан на технологии метагеномного ДНК-секвенирования, который позволяет "посчитать" сотни видов бактерий, в том числе и некультивируемых,— рассказывает "Огоньку" биохимик Дмитрий Алексеев, директор компании "Кномикс", которая работает над проектом вместе с биомедицинским холдингом "Атлас".— Из образцов мы выделяем ген — 16S рРНК, по которому принято классифицировать бактерии. В итоге получаем на руки полный геномный портрет обитателей кишечника человека: это позволяет сказать, от каких заболеваний защищен организм, какие вещества, включая витамины, способен синтезировать, а с чем справиться в данный момент не может. Так же — в целом — оценивается сбалансированность микробиоты и ее разнообразие.

Исследовав первые 500 российских образцов, ученые поняли, что в России преобладает несколько типов бактерий, связанных по большей частью с тем, где живет человек — в городе или в деревне. А вот расположение населенного пункта большой роли не играет.

Так, внутри россиян-горожан преимущественно обитают бактероиды (от латинского Bacteroides), которые произрастают на полисахаридах и поэтому процветают у любителей так называемой западной диеты с обилием фаст-фуда, мяса, яиц, молока, очищенных зерновых продуктов и сахаросодержащих напитков. А у сельских жителей главенствуют фирмикуты (Firmicutes) — микроорганизмы, которые питаются пищевыми волокнами — той самой клетчаткой, которой советуют хранить верность адепты здорового питания. Пищевые волокна проходят через весь желудочно-кишечный тракт, не расщепляются и в таком виде попадают в кишечник — место, где пребывает основная масса микробиоты человека. В целом состав полезных микробов у сельчан намного разнообразнее и богаче, чем у горожан. И это объяснимо: "деревенские" не покупают молоко полугодичного хранения, едят свои овощи-фрукты, а иногда и мясо (которого в целом сельские жители едят меньше городских).

Есть еще третий вид бактерий — превотеллы (Prevotella) — бактерии-вегетарианцы, но они в организмах россиян преобладают нечасто. Впрочем, изучение российских бактерий продолжается: в перспективе, обещают ученые, оно подтолкнет к конкретным и более детальным рекомендациям.

Глобализация кишечника

Главный же вывод, который ученые разных стран сделали в ходе попыток выявить национальный состав бактерий, в том, что в смысле кишечной микрофлоры среднестатистический россиянин мало чем отличается от англичанина, француза, американца. Это при том что традиционно рацион россиян считается менее разнообразным, чем у жителей перечисленных стран.

Похоже, иными словами, что универсальный микробиом — то, к чему движется человечество. Это пугает медиков, и не столько потому, что мы становимся одинаковыми, а потому, что мы становимся одинаково бедными, то есть наш микробиом представлен относительно небольшим числом видов бактерий.

Дело в том, что каждый кишечный микроб специализируется на переваривании определенного вида пищевых волокон. Чем больше видов попадает в нашу пищу, тем разнообразнее микробиота. А чем она, в свою очередь, разноплановее, тем увереннее чувствует себя наша иммунная система — бактерии вырабатывают целый букет ферментов, стимулирующих ее работу. Получается, сбалансированность и разнообразие — ключ к здоровью. Мы же в большинстве своем сегодня питаемся все более однообразно, понятие "национальная кухня" зачастую сводится к туристическому аттракциону. Не случайно термин "глобализация питания" можно услышать все чаще: на полках супермаркетов Рима, Барселоны, Бостона или Москвы стоят практически те же продукты. Как следствие, специфичные для каждого региона бактерии тоже нивелируются. Происходит глобализация микробиома: у жителей разных частей мира он теперь мало чем отличается.

— Наше исследование показало, что сегодня состав микрофлоры фактически не привязан к географии проживания,— рассказывает биохимик Дмитрий Алексеев.— Более того, чтобы заселить кишечник определенными бактериями, необязательно переезжать в другую страну, достаточно изменить тип питания: если вы продолжаете есть привычный фаст-фуд, бактерии даже не заметят вашего переезда. Это произойдет, если вы перейдете на экзотическую еду, и то не сразу: бактерии будут первое время адаптировать ситуацию под себя и только когда новая диета затягивается, в работу вступают бактерии, отвечающие за долговременные изменения.

Впрочем, еда — лишь одно, хотя и важнейшее условие возникновения "хорошего" микробного сообщества. Вообще же, на состав наших бактерий влияет масса факторов. Это и антибиотики, которые в буквальном смысле приводят микробиоту в ужас. И возраст: у пожилых состав микрофлоры беднее. И даже гендерная принадлежность, если взять мужчину и женщину одного возраста с одинаковой медицинской историей, то их микробиота будет различаться, поскольку с полом ассоциированы и пищевые привычки, и особенности организма. Главное, что их состав можно и нужно регулировать, но для этого важно вовремя понять, что с бактериями что-то не так.

Как они нас меняют

Досье

Все больше исследователей уверены, что бактерии — "серые кардиналы" нашего организма, тайно управляющие самыми разными процессами, которые в нем протекают. Вот только некоторые гипотезы

Депрессия

Бактерия Evtepia gabavorous, недавно открытая учеными из Северо-Восточного университета (США), питается... нашим хорошим настроением. Точнее, так: предполагается, что она поглощает гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), одну из важнейших сигнальных молекул нашей нервной системы. Снижение уровня ГАМК приводит к депрессиям, тревожным состояниям и расстройству поведения.

Онкология

Активность противораковых препаратов изменяется в зависимости от того, какие бактерии преобладают в кишечнике — к такому выводу пришли исследователи из Университетского колледжа Лондона. Речь идет о некоторых бактериальных штаммах, которые помогают перерабатывать фторпиримидин (распространенный препарат для лечения рака) в активную лекарственную форму. Бактерии усиливают деятельность лекарства и к тому же стимулируют гибель онкоклеток.

Ожирение

В свою очередь, исследователи из Университета Дьюка (США) уверены, что некоторые микробы напрямую регулируют работу наших генов. Им, в частности, удалось доказать, что бактерии влияют на работу особого древнего белка Hnf4a. На протяжении тысячелетий он прикреплялся к ДНК и тем самым блокировал работу генов человека, связанных с развитием воспаления кишечника, ожирения и диабета. Бактерии же не дают этому белку прикрепиться и тем самым снимают естественную блокировку вредных для организма процессов.

Аутизм

Изменения кишечной микробиоты могут влиять на проявления аутизма, утверждают микробиологи из Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне. Мало того, они же уверены, что некоторые симптомы, характерные для аутизма, можно ослабить, добавляя в пищу кишечную бактерию Bacteroides fragilis. Так, после трехнедельной терапии на основе коктейля из бактерий у мышей снизился уровень повторяющихся действий, характерный для аутичных расстройств, а также повысилась взаимная коммуникация.

Измени себя сам

Выяснить, нужно ли беспокоиться о своем микробиоме, жители США или ЕС могут, сдав анализ на геном кишечных бактерий, потребуется около 300 долларов и неделя ожидания. Пациентам, озабоченным тем же вопросом в РФ, до последнего времени предлагали традиционный бактериальный посев, известный еще с прошлого века. Теперь в ряде клиник появилась услуга определения генома бактерий, но сервис омрачен высокой ценой — около 40 тысяч рублей (вдвое больше, чем на Западе).

— Бактерии населяют многие части нашего организма, но больше всего их в кишечнике,— говорит один из разработчиков российского теста "Генетика микробиоты", кандидат биологических наук Анна Попенко,— потому кишечник и интересует ученых: это самая богатая микробная среда, бактерии живут в ней, питаются и влияют на множество процессов нашего организма. Каждый член этого бактериального сообщества занят определенной работой и выполняет свою задачу. Идея теста — через питание воздействовать на микробиоту, меняя ее состав и соотношение разных бактерий. Иногда это чрезвычайно важно.

Ученые поняли, что в России преобладает несколько типов бактерий, связанных с тем, где живет человек --- в городе или в деревне. А вот география большой роли не играет

К примеру, известно, что наш организм синтезирует не все витамины, часть из них поступает из пищи и производится бактериями. Это, в частности, витамины группы B и K, которые нужны для работы нервной системы и головного мозга, функционирования мышц и кожи, копирования ДНК, других процессов. Соответственно, низкий уровень определенного вида бактерий укажет на дефицит витаминов. А получив распечатку своего "бактериального портрета", пациент поймет, какая диета поможет ему поддержать своих бактерий.

— Впрочем, понятие нормы относительно. Сегодня мы можем лишь определить более или менее здоровые варианты микробиоты,— поясняет генетик Дмитрий Алексеев.— Это скорее карта местности, на которой есть города, где все хорошо, а есть удаленные участки, которые могут приводить к дисбалансу. Но есть, конечно, соотношение бактерий, которое повышает риск развития заболеваний, например чрезмерное (более 3-6 процентов от всего состава) присутствие в микробиоте кишечной палочки свидетельствует о патологии.

Именно избытком кишечной палочки объясняют сегодня ученые развитие таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и сахарный диабет. Есть и более экзотические гипотезы: мол, бактерии запускают в нашем организме ферментную реакцию, определяющую религиозные взгляды и даже определенные состояния во время религиозных обрядов. Впрочем, все это пока на уровне предположений.

— Исследования на эти темы появляются почти каждый день. Но нейробиологическая основа поведения человека крайне слабо изучена,— уточняет "Огоньку" Сергей Фетисов, профессор физиологии Университета Руана и ведущий научный сотрудник Лаборатории исследования связи питания с кишечником и работой мозга.— Пока мы можем утверждать следующее: наша связь с микробиотой двухсторонняя. Наше поведение влияет на наличие тех или иных бактерий в кишечнике, но и бактерии влияют на нас — на молекулярные, гормональные и иные системы.

Так, оказалось, что кишечная палочка (патогенный микроорганизм, виновник многих инфекционных заболеваний) также участвует в чувстве насыщения и влияет на наши проблемы с весом. Открыл механизм ее воздействия как раз наш собеседник — Сергей Фетисов, которому удалось доказать, что в мозг сигнал о насыщении поступает в результате сложной химической реакции, которую запускают микроорганизмы.

— Кишечная палочка выделяет белок, который по структуре похож на гормон меланотропин, вызывающий чувство насыщения. Благодаря этому спустя 20-30 минут после еды человек чувствует себя сытым. То есть кишечная палочка, хотя скорее всего не она одна, играет роль в регуляции аппетита. У пациентов с ожирением мы наблюдали снижение количества этих бактерий в кишечнике — на основе этих исследований одна компания уже разрабатывает пробиотики для коррекции аппетита и веса тела. Другое дело, что кишечные палочки есть безвредные, а есть и патогенные, вызывающие воспаления кишечника. Но и те, и другие запускают иммунную реакцию, при которой этот белок воспринимается как чужеродный элемент, с которым надо бороться. Одна из текущих задач — определить, какие конкретно из этих бактерий вызывают антитела, связывающие меланотропин.

Также пока до конца непонятно, почему происходит подобный иммунный сбой. Известны лишь основные факторы риска — хронический стресс и ограничительная диета. Оба фактора воздействуют на кишечные бактерии, которые, чтобы защитить себя, вынуждены производить этот белок. У открытия серьезные перспективы, ведь до сих пор эффективного лечения ожирения не существует.

Веселые ребята

Пробиотики называют главным средством борьбы с кишечными проблемами. Эти отобранные, заведомо полезные бактерии приносят положительный эффект почти всем пациентам: помогают быстрее и лучше переваривать пищу, производят масляную кислоту, которая защищает от воспалений. Да и взбодрить организм пробиотиками несложно, их содержат кефир, йогурты, квашеная капуста, продукты закваски. Но есть несколько "но".

— Представьте, что в маленький скучный городок приехали веселые молодые ребята. Городок сразу оживился. Но проходит время, и эти ребята уезжают, а жители снова погружаются в привычное болото. Вот так примерно действуют на наш организм пробиотики

,— объясняет Дмитрий Алексеев.

Другой недостаток пробиотиков в том, что они содержат лишь часть полезных бактерий и не смогут восполнить все разнообразие микробиоты. Не случайно сегодня все чаще говорят о более экзотичном методе лечения кишечника — "трансплантации микробиоты".

— Возможно, в будущем и пересадка, и хранение микробиоты станут обычной процедурой,— говорит Дмитрий Алексеев.— У каждого человека в жизни бывают моменты идеального состояния здоровья: он хорошо себя чувствует, только вернулся из отпуска, отдохнул, не болеет, не принимает антибиотики. Прекрасно, если бы можно было взять в этот момент его бактерии и сохранить. Возможно, однажды они пригодятся для поддержания здоровья.

К тому же трансплантация в будущем может стать и рецептом омоложения: после 60 лет метаболическая активность организма резко снижается: уменьшается потребность в калориях, питание становится менее разнообразным, вырабатывается меньше ферментов. Системы организма работают не так активно, снижается и активность бактерий. А если пожилому заменить его старую микрофлору на более молодую? Возможно, молодые бактерии запустят в организме процессы омоложения — швейцарские ученые уже высказывали такую гипотезу...

— А если не просто провести трансплантацию, но еще и разнообразить питание,— рассуждает Дмитрий Алексеев,— человек, возможно, станет не только моложе, но и здоровее.

Пока научный мир взвешивает за и против, медицинский бизнес готовится поставить метод такой трансплантации на коммерческие рельсы. В Европе уже есть компании, предлагающие услуги по хранению микробиоты — по принципу стволовых клеток,— которую в нужный момент можно будет достать из морозильной камеры.

Движение бактериального сопротивления

Фармакология

Коллектив ученых из московского Физтеха, Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины и Data Laboratory создал интерактивную мировую карту лекарственной устойчивости микробиоты кишечника человека — ResistoMap.

1 / 3

Интернет-ресурс дает возможность исследователям визуально оценивать уровень устойчивости у населения стран мира и сопоставлять его с социоэкономическими и клиническими факторами. Это позволит поднять контроль за нарастающей лекарственной устойчивостью на качественно новый уровень.

Еще один орган человека

Микрофлора (микробиота, или микробиом) человека — это совокупность всех микробов, населяющих тело человека. Больше всего бактерий в кишечнике — десять триллионов, что сопоставимо с числом клеток нашего тела (они меньше, поэтому компактно размещаются у нас в животе). Кишечная микробиота одна из самых важных для жизни человека, она помогает в пищеварении, защищает от болезнетворных бактерий, участвует в работе иммунной, эндокринной и даже нервной системы. По сути это еще один орган человека, только состоящий не из человеческих, а микробных клеток.

Прочтение генетической информации всех бактерий кишечника (их метагенома) показало, что у двух случайно выбранных людей могут диаметрально различаться составы кишечных сообществ, но их общая сумма будет обеспечивать схожий набор функций. Судя по анализу микробных генов, различных функций в микробиоте закодировано на два порядка больше, чем в геноме человека. Внутри себя каждый из нас носит настоящую биофабрику, способную к переработке и синтезу множества активных веществ.

Как мы селекционируем суперпатогены у себя в животе

При приеме антибиотиков человеком в его организме выживают те бактерии, которые несут гены, наделяющие их защитой от антибиотиков (гены лекарственной устойчивости). Весь набор генов лекарственной устойчивости в микробиоте называется резистомом. Получается, что, принимая антибиотики, человек проводит у себя в кишечнике искусственный отбор на повышение резистома кишечного сообщества микробов.

Казалось бы, в чем проблема? Ведь это всего лишь наша нормофлора, обычные бактерии, в большинстве полезные. Но если чувствительная к антибиотику "плохая" бактерия, возбудитель инфекции, встретится с нормальной, то может позаимствовать у последней эти гены устойчивости (за счет горизонтального переноса генов). И стать "очень плохой", потому что теперь от нее не вылечиться данным лекарством. Описанная встреча может произойти в кишечнике не того человека, который лечился антибиотиком, а другого или во внешней среде — бактериям свойственно передаваться от человека к человеку.

Антибиотики попадают к кишечным микробам не только в виде лекарств. Они применяются с 1950-х годов в сельском хозяйстве как стимулятор роста для скота. Вместе с мясом и молоком в наш организм попадают и малые дозы антибиотиков, которые тоже вносят вклад в расширение репертуара генов лекарственной устойчивости. Вегетарианство не спасет: как антибиотики, так и бактерии, устойчивые к ним, могут попадать к нам с овощами, которые удобряют навозом от скота, накормленного антибиотиками.

Похожая картина наблюдается и в других микробиомных популяциях в нашем организме: в дыхательных органах, мочеполовой системе и других. А в итоге получается, что, принимая антибиотики, каждый из нас и человечество в целом повышает вероятность появления superbugs — суперпатогенных микробов, коллекционеров генов устойчивости, против которых бессильны все известные виды антибиотиков. Сейчас по всему миру ведется множество исследований, направленных на то, чтобы побороть растущую лекарственную устойчивость.

Микроскоп для изучения устойчивости микробов

У каждого из нас свой состав кишечного сообщества микробов со своим набором генов устойчивости. При этом он варьирует у населения из разных социальных групп и стран. Выращивать в лаборатории отдельно каждый из тысяч видов микробов и выяснять, к каким антибиотикам он устойчив — невыполнимая на практике задача. Более того, один и тот же вид микробов у разных людей может обладать разным профилем устойчивости. С другой стороны, прочтение всей генетической информации микробиоты человека — метагеномное ДНК-секвенирование — дает общую картину того, какие гены устойчивости есть, и позволяет понять, как патогены снабжаются генами резистентности.

Наша исследовательская группа исходила из того, что чем больше у определенной группы населения уровень и разнообразие резистома, тем больше вероятность возникновения в этом сообществе новых устойчивых возбудителей заболеваний, подчерпнувших гены резистентности от кишечной микробиоты. Надо лишь собрать все имеющиеся на сегодня данные по кишечным метагеномам в единый реестр, доступный не только научному сообществу, но и практикующим врачам, максимально наглядный и удобный в работе с ним. Так появилась наша карта ResistoMap.

Большинство исследований в мире в этой области проводятся на государственные деньги, и обычно полученные на деньги налогоплательщиков результаты авторы обязаны выложить в открытый доступ. Поэтому всевозможные замеры процессов и генетической информации о живых организмах оказываются на специальных сайтах, откуда их может взять каждый желающий. Благодаря этому нам удалось собрать и объединить метагеномные данные, полученные в одинаковом формате в разных исследованиях микробиоты кишечника лабораториями со всего мира. Оставалось провести метаанализ — обработав их единообразно и совместив на общей карте, показав таким образом разнообразие генов устойчивости в кишечнике у сотен людей со всего мира.

"Большие данные" помогут правильно прописывать антибиотики

Карта ResistoMap размещена на общедоступном сайте. На карте мира отображается средний уровень устойчивости, а ниже — на клетчатом графике, диаграмме интенсивности (heatmap) — более детальная информация: резистом по группам антибиотиков. Пользователь может фильтровать и группировать данные по возрасту, странам, диагнозу. Это позволяет сформировать нужный исследователю срез большого мирового массива данных и проанализировать закономерности в выборке.

Код программного обеспечения прозрачен и общедоступен. После публикации научной статьи о ресурсе его уже начали использовать ученые из других стран. Сейчас на карту нанесены данные по населению из 15 стран мира, но ожидается пополнение: разработчики пригласили всех пользователей ресурса принять участие и добавить свои данные на карту, чтобы совместно сделать карту более информативной для понимания общей картины распространения устойчивости через микробиоту в мировом масштабе и полезной в практическом плане. Как говорит сотрудник нашего исследовательского коллектива Константин Ярыгин, "наш инструмент подскажет исследователям новые идеи, как оптимизировать схемы применения антибиотиков в медицине, а также в сельском хозяйстве".

Параллельно с разработкой карты биоинформатики создали алгоритмы анализа метагеномных данных, которые позволили отследить, как гены устойчивости кочуют между геномами разных кишечных микробов у одного и того же пациента в ходе антибиотикотерапии. А микробиологи выделили отдельные виды из микробиоты и показали, как микробный вид, чувствительный к антибиотику, сменяется своей устойчивой разновидностью после курса лечения. В перспективе анализ кишечного резистома отдельно взятого человека позволит персонализироовать курс приема антибиотиков.

Работа проведена в рамках проекта "Оценка вариабельности резистома микробиоты кишечника у жителей РФ для обнаружения путей передачи и распространения антибиотикорезистентности" при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект N15-14-00066).

Используя ResistoMap, можно оценить, как варьирует потенциал резистентности к различным антибиотикам в мире, и изучить связи с социоэкономическими и клиническими факторами

Распространенные заблуждения относительно антибиотиков

· 64% полагают, что антибиотиками можно лечить простуду и грипп, хотя антибиотики на вирусы не действуют.

· 32% полагают, что с улучшением самочувствия следует прекратить прием антибиотиков, а не завершать предписанный курс лечения.

· 76% полагают, что устойчивость к антибиотикам наступает в результате формирования в организме резистентности к антибиотикам. В действительности же бактерии, а не люди или животные становятся устойчивыми к антибиотикам и их распространение вызывает трудноизлечимые инфекции.

· 66% полагают, что индивидуумы не подвергаются риску заразиться устойчивой к антибиотикам инфекцией, если они лично принимают антибиотики, как это им предписано.

· 44% считают, что устойчивость к антибиотикам является проблемой лишь для тех, кто их регулярно принимает. В действительности любой человек любого возраста в любой стране может заразиться устойчивой к антибиотикам инфекцией.

· 64% полагают, что медики решат эту проблему до того, как она станет слишком серьезной.

· 73% считают, что фермеры должны давать меньше антибиотиков животным, употребляемым в пищу.

По данным опроса ВОЗ, проведенного 2015 году среди 10 тыс. респондентов в 12 странах.