Тотальная интервенция, или «Человек – облако микробов в тонкой оболочке гуманоида». Материалы к уроку

Остроумная фраза про облако принадлежит микробиологу, профессору Джеффри Гордону из Университета Вашингтона в Сент-Луисе (США). Ну а в статье речь пойдет о микробиоме человека. Это новое слово обозначает совокупность микроорганизмов (преимущественно бактерий), населяющих человеческое тело. В нашем теле процветает микрофлора, но знаем мы о ней ничтожно мало: в основном то, что язвы, болезни сердца, ожирение каким-то образом связаны с микроорганизмами.

О существовании отдельных микробов-симбионтов человека было известно давно, но лишь в последние годы микробиота стала предметом пристального изучения. Масштабы микробной интервенции в нашем организме весьма ощутимы: среднестатистический человек весом 90 килограммов несет в своем теле приблизительно 2,7 кг бактерий, т.  е. 1-3% собственного веса… и лишь одна клетка из 10 в человеческом теле принадлежит человеку. Иллюстрация ниже демонстрирует соотношение различных групп микроорганизмов в сообществах, населяющих различные части человеческого тела (colon – толстая кишка, mouth – ротовая полость, esophagus – пищевод, skin – кожа, stomach – желудок, vagina – влагалище). (См. рис. 1.)Историческая справкаДо середины прошлого столетия длился первый, познавательный, этап в исследованиях микроорганизмов-симбионтов человека. В течение второго этапа, с середины XX века, основное внимание уделялось изучению их признаков: способности противостоять патогенам, а также быть полезными при сбраживании и утилизации простых сахаров и полисахаридов. Сегодня можно говорить о третьей эре, заключающейся в поиске генов, отвечающих за адаптацию определенных групп микроорганизмов к жителям конкретных регионов.Еще в 1681 году голландец Антони ван Левенгук обнаружил микроорганизмы в фекалиях человека и выдвинул гипотезу о совместном существовании различных видов бактерий в желудочно-кишечном тракте.Основоположником учения о симбионтной микрофлоре и ее влиянии на организм человека стал русский ученый, лауреат Нобелевской премии Илья Мечников. В 1888 году он высказал предположение, что причиной возникновения многих болезней является совокупное действие на клетки и ткани макроорганизма разнообразных токсинов и других метаболитов, продуцируемых бактериями, во множестве обитающих в пищеварительном тракте. В своей работе «Этюды о природе человека» Мечников писал о том, что многочисленные ассоциации микробов, населяющих кишечник человека, в значительной мере определяют его духовное и физическое здоровье. Ученый выдвинул предположение о связи ряда соматических заболеваний с деятельностью микроорганизмов: «…со временем, вероятно, удастся открыть паразитов не только при болезнях типично инфекционного характера, но и при болезнях совершенно другого рода…».С 1912 года изучением антагонистического действия бактерий активно занимался немецкий ученый Альфред Ниссле.«Второе дыхание» учение о кишечной микрофлоре получило уже в 70-е годы, во многом благодаря работам Александра Уголева о дисбактериозе.Термин «микробиом» был введен в 2001 году. С начала XXI века наблюдается возрождение интереса к симбионтной микрофлоре человека. Самым значительным в этой сфере исследований стал международный проект «Микробиом человека», начатый в 2007 году по инициативе США. Проект стоит 173 млн долларов, ведется силами 80 научно-исследовательских лабораторий и приблизительно 200 ученых. В июне 2012 года были опубликованы первые результаты пятилетней работы.Микробиом человекаПервичные образцы для исследований в рамках проекта были получены у здоровых 242 взрослых мужчин и женщин в возрасте от 18 до 40 лет, живущих в США. Ученые брали пробы с поверхности кожи, из носа, глотки, из желудочно-кишечного тракта у каждого участника исследования три раза в течение 22 месяцев, что дало в общей сложности более 11 тысяч образцов. С помощью современных компьютерных программ ученые проанализировали структуру молекул ДНК, взятых из 5 тысяч образцов, что должно было показать генетические отношения между организмами. А еще были расшифрованы геномы микробов, найденных в 681 образце, и полученные генетические последовательности сопоставлены с геномами известных микроорганизмов. В результате были зафиксированы самые полные на сегодняшний день данные обо всех видах микроорганизмов, обитающих в человеке.Трудности подобного исследования заключаются в том, что практически все микробы, содержащиеся в теле человека, с трудом культивируются в лабораторных условиях. Участники проекта задумали расшифровать генетическую информацию более 900 видов микробов. До начала работы были известны геномы 20 бактерий, существующих в человеческом теле. На сегодня ученые исследовали геномы 178 микроорганизмов, остальные планируется изучить в ближайшие два года.Установлено, что в здоровом организме человека обитает более 10 тысяч различных видов микробов, причем большинство из них оказались абсолютно безвредными. Более того, представители нормофлоры помогают нам получать энергию из пищи, усваивать витамины, участвуют в синтезе биологически активных веществ, которые борются против воспаления и поддерживают иммунитет.Значительная часть (более 60%) микрофлоры заселяет различные отделы желудочно-кишечного тракта. Примерно 15-16% микроорганизмов приходится на полость рта и пищевод, 9% обитают во влагалище женщин, 2% – в урогенитальном тракте, остальные 12% образуют колонии на кожных покровах. (См. рис. 2.)Стало известно, что человечество можно разделить по трем экосистемам кишечника на три энтеротипа (как по группам крови) в зависимости от группы превалирующих микроорганизмов, которые обеспечивают поставку ферментов, не производимых человеческими клетками: энтеротип 1 (Bacteroides) хорошо расщепляет углеводы, в большем количестве производит витамины C, B2 (рибофлавин), B5 (пантотеновая кислота) и В7 (биотин); бактерии энтеротипа 2 (Ruminococcus) помогают клеткам усваивать сахара, снабжают нас фолиевой кислотой и витамином B1 (тиамин); микробы энтеротипа 3 (Prevotella) образуют слизь.Получены данные о том, что в теле человека присутствует около 8 млн кодирующих генов бактерий (для сравнения – геном человека содержит около 22000 генов!), из которых на сегодня расшифровано 30000 генов с применением методик проекта «Геном человека», почему и считается, что проект «Микробиом человека» является его естественным продолжением.Обнаружено, что в человеческом теле, не вызывая заболеваний, существуют болезнетворные микроорганизмы (у 30% обследованных был найден золотистый стрептококк). По-видимому, сосуществуя с другими микробами, они являются частью человеческой экосистемы…Невозможно выделить постоянный набор микроорганизмов, выполняющий ту или иную функцию в организме, поскольку сходные задачи в обмене веществ выполняют самые разнообразные микроорганизмы или их сообщества.Помимо этого не существует постоянного набора бактерий человеческого организма. Он меняется в зависимости от этноса, географического местоположения, образа жизни, диеты… в отличие от собственного генома человека. Например, ученые выяснили, что микробиом беременной женщины расширяется для защиты здоровья будущего ребенка, в частности, спектр микроорганизмов во влагалище меняется, поэтому наборы бактерий, полученных новорожденным при естественных родах и кесаревом сечении, весьма различны (кстати, кесарево сечение повышает риск определенных инфекций). Также обстоит дело во время вскармливания ребенка, потому-то искусственное вскармливание, обходящееся без введения в организм новорожденного определенных культур микроорганизмов, ведет к риску возникновения астмы и некоторых аллергических заболеваний.ПерспективыВ здравоохранении стал известен новый подход к лечению заболеваний – медицинская экология, он предполагает разумное и дифференцированное управление бактериальным присутствием в организме человека в противовес традиционному подходу «массового убийства микробов». Культуральное выращивание микроэкосистем в скором будущем позволит нам не только эффективнее и безвреднее для человека бороться с инфекционными заболеваниями – исследования показывают, что собственная микрофлора может помочь нам справляться с диабетом и проблемой ожирения.Сейчас человек активно внедряется в микробиом на уровне использования пробиотиков (бифидобактерий и лактобацилл), улучшающих жизнедеятельность человеческого организма. Однако в ближайшем будущем нас ждут национализированные рынки молочной продукции и фармпрепаратов.По инициативе Российской академии наук возникла идея создания программы «Микробиом российского человека» с предположительной датой осуществления проекта 2012-2020 годы и стоимостью 3-4 миллиарда рублей. Головной организацией может стать Институт общей генетики РАН.Дополнительная литератураL. Dethlefsen, M. McFall-Ngai, D. A. Relman. An ecological and evolutionary perspective on human-microbe mutualism and disease. // Nature 2007, 449, 811-818. Nature 2012, 486, pp. 157-286 – выпуск от 14 июня 2012 г. о результатах пятилетней работы в рамках проекта «Микробиом человека».http://hmpdacc.org/HMRGD/ – англоязычный центральный депозитарий расшифрованных в рамках проекта геномов микроорганизмов.http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=microbiome-graphic-explore-human-microbiome – англоязычный ресурс, содержащий интерактивную карту доминирующих микробов в различных органах человека.https://commonfund.nih.gov/hmp/ – англоязычный ресурс проекта «Микробиом человека» (the NIH Human Microbiome Project), содержащий полезные ссылки, информацию о стадии проекта, финансировании, исполнителях и многое другое.Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук