Микробиом человека современные исследования. Микробиом кишечника: мир внутри нас. Б) Метагеномное секвенирование

Экология познания. Познавательно: Ученые только сейчас начинают понимать, насколько велика роль микроорганизмов, живущих внутри человека (Ричард Коннифф (Conniff))

Ученые только сейчас начинают понимать, насколько велика роль микроорганизмов, живущих внутри человека

Ричард Коннифф (Conniff)

Педиатр Барбара Уорнер никогда не забудет эту супружескую пару. До поступления в клинику, на протяжении многих лет супруги тщетно пытались завести детей, и вот, в 1997 году пациентка доктора Уорнер, наконец, забеременела. Ей было тогда около сорока пяти лет. «Для нее это был последний шанс», - поясняет Уорнер. И вот, в скором времени на свет появились двое близнецов. К сожалению, первый умер в результате тяжелой формы асфиксии, в те времена наиболее распространенного убийцы недоношенных детей.

Через неделю, прямо в День Благодарения, Уорнер пеленала второго, выжившего близнеца и... даже сейчас доктор с ужасом вспоминает о том, что она увидела: сильное покраснение (эритема) и вздутие живота.

Диагноз: некротический энтероколит (сокращенно НЭК). Об этом заболевании за пределами отделений интенсивной терапии новорожденных детей вообще мало кто слышал; некротический энтероколит имеет бактериальную природу и характеризуется внезапным и стремительно развивающимся воспалением кишечника.

Во время операции на животе малыша хирург увидел следующую картину: весь кишечный тракт - от самого желудка до прямой кишки - вообще не функционировал. Малыш был обречен. После операции доктор Уорнер, обливаясь слезами, вернула новорожденного убитым горем родителям, будучи не в силах им помочь.

«С тех пор прошло 15 лет - и ничего не изменилось», - мрачно заключает Уорнер, проходя мимо пластиковых инкубаторов, в которых лежат ее крошечные пациенты, обмотанные трубками и принимающие ванны мягкого ультрафиолета. Некротический энтероколит по-прежнему является одним из главных убийц недоношенных детей. Однако, вскоре положение может измениться, благодаря новым знаниям о природе и жизнедеятельности человека.

За последние несколько лет, достижения в области генной инженерии приоткрыли окно в удивительный, густонаселенный, не видимый нашему глазу, но имеющей огромное значение для человека мир микроорганизмов, обитающих внутри и вокруг нас, - мир бактерий, грибков и вирусов.

Ученые называют его «микробиом» . Исследованием микробиома занялась «большая наука», подключив к исследованиям международное сообщество ученых, задействовавших передовую технологию секвенирования ДНК и огромные базы данных, обработка которых по плечу лишь суперкомпьютерам. Исследования микробиома знаменуют собой мощный рывок, который медицина не делала на протяжении вот уже ста пятидесяти лет; теперь ученые понимают, что микробы могут быть не только врагами человека, но и его союзниками.

Вопрос, поднятый в статье, довольно деликатен. В отделении интенсивной терапии больницы Сент-Луиса, где работает доктор Уорнер, ученые, изучающие некротический энтероколит (НЭК), проанализировали буквально каждый подгузник и каждую пеленку, в которую заворачивали недоношенных новорожденных, попадавших в это медицинское учреждение на протяжении последних трех лет.

Ученые не ставят себе задачу, как это было раньше в истории медицины, непременно выявить какой-то отдельный возбудитель, какого-нибудь «убийцу вирусов» или бактерию. Вместо этого, говорит Филипп Тарр, детский гастроэнтеролог из Вашингтонского университета и коллега доктора Уорнер, ученые хотят научиться контролировать баланс микрофлоры, а для этого изучить особенности жизнедеятельности сотен типов микроорганизмов, населяющих кишечник новорожденных.

Ученые хотят выяснить, при каких условиях развивается некротический энтероколит , и быть может им удастся впервые в истории медицины предложить врачам, работающим в отделениях интенсивной терапии новорожденных, рекомендации по профилактике этого смертельного заболевания.

В начале нынешнего года одна из групп исследователей выяснила, что выделения, продуцируемые некоторыми полезными микробами, по всей видимости, способны предотвратить переход некротического энтероколита в ту стадию, которая ведет к летальному исходу. Таким образом, вполне вероятно, что медики вскоре смогут разобраться в причинах НЭК, о которых сегодня мало что известно, и принять, наконец, превентивные меры.

Сегодня медики и биологи стали уделять повышенное внимание исследованию микробиома, поскольку он заставляет по-новому взглянуть на проблему НЭК и лучше понять сущность человеческой природы. К примеру, мы склонны думать, что человек - это лишь та совокупность клеток, из которых выстроено человеческое тело; число этих клеток превышает десять триллионов. Но к этой цифре надо прибавить еще 100 триллионов клеток, из которых состоят микроорганизмы, которых человек приютил в своем теле. Выходит, что живое существо, которое каждый из нас видит по утрам в зеркале, лишь на 10 процентов состоит из клеток, принадлежащих собственно человеку.

Еще больше впечатляют данные о весе живущих в человеке микроорганизмов: в общей сложности у взрослого человека он составляет около трех фунтов (почти столько же весит человеческий мозг). Теперь перейдем к генам: в организме человека их насчитывается приблизительно 21 тысяча. К этой цифре надо прибавить еще почти восемь миллионов генов, из которых состоят населяющие человеческое тело микроорганизмы, многие из которых помогают нам усваивать пищу, укрепляют иммунную систему, «включают» и «выключают» наши гены - словом, помогают нам жить.

Как тут ни вспомнить знаменитое высказывание английского поэта Джона Донна: «Ни один человек - не остров, замкнутый в себе, каждый человек - это кусок континента, частица единого целого». И еще вспоминается строчка в одной из песен старой американской рок-группы «Jefferson Airplane»: «Он - полуостров». На самом деле, в нашем случае речь должна идти о здоровенном мегаполисе.

Начало эры микробиома можно отсчитывать с конца 1990-х годов , когда Дэвид Рилман (Relman), специалист по инфекционным заболеваниям, работающий в Стэнфордском университете, решил получить образец микрофлоры, населявшей его ротовую полость. Процедура проста: стоматолог проводит ватной палочкой за щекой, берет мазок с поверхности зубов или десен. На ватном тампоне вроде бы ничего нет (но, по словам одного стоматолога, «вера в невидимое должна быть крепка необычайно»).

После этого, взятые образцы направляют в лабораторию для культивирования в чашке Петри и выявляют те микроорганизмы, которые там неплохо себя чувствуют. Рилман предложил смелую идею - провести анализ ДНК с помощью метода секвенирования. С тех времен стоимость процедуры секвенирования снизилась, а исследование образцов мазков, взятых с различных участков человеческого тела для анализа ДНК, стало обычным делом при изучении микробиома.

В лабораторных условиях каждый из образцов мазка помещают в одну из 96 ячеек, расположенных на маленькой пластиковой пластинке. После проведения ряда манипуляций, образцы поступают в устройство под названием секвенатор, который внешне чем-то напоминает банкомат и минибар одновременно.

Информация, которую выдает нам секвенатор, впечатляет: выяснилось, что микрофлора ротовой полости человека насчитывает более 1000 видов микроорганизмов; при этом, в области, расположенной за ушной раковиной, живут 150 видов; на внутренней стороне предплечья - 440 видов, а в кишечнике их несколько тысяч.

Фактически, микрофлора присутствует почти во всех областях человеческого организма. Всего же в теле человека их насчитывается более 10 тысяч видов. Их число изменяется в зависимости от того, какую часть тела мы рассматриваем; в этом смысле, по мнению специалиста по изучению микрофлоры Роба Найта из Университета Колорадо, различия в количестве микроорганизмов, населяющих ротовую полость и кишечник, даже более велики, чем различия между температурой горячей воды и полярного льда.

Скажем, согласно исследованию 2010 года, число микроорганизмов, обитающих на правой и левой руке, составляет лишь 17 процентов от общего числа всех микроорганизмов, населяющих человеческое тело.

Но самое интересное заключается в том, что сообщество микроорганизмов, проживающее в человеческом теле, очень сильно влияет на образ жизни человека и даже на образ его мысли и восприятие. Недавно проведенные исследования установили связь между изменениями микробиома и некоторыми из наиболее распространенных заболеваний, включая ожирение, аллергию, диабет, дисфункцию кишечника и даже такие психические заболевания, как аутизм, шизофрения и депрессия.

В прошлом году, например, ученым удалось установить следующие факты:

• склонность к полноте у тех младенцев, которые подвергались воздействию антибиотиков в первые шесть месяцев жизни, на 22 процента выше, чем у тех малышей, которые такое воздействие на себе не испытывали; возможно, что причина здесь состоит в том, что антибиотики губительны для микроорганизмов, необходимых для жизнедеятельности человека.
• отсутствие полезной микрофлоры в кишечнике грызунов в раннем возрасте ведет к расстройству центральной нервной системы и способно непрерывно изменять уровень серотонина в головном мозге взрослой особи. Ученые предполагают, что в организме человека происходит то же самое.
• по данным исследования, проведенного в Малави, для решения проблемы голода среди детей необходимо не только наличие пищи, но и присутствие в кишечнике ребенка «правильных» микроорганизмов.

Исследователи пока что не могут с уверенностью определить, влияют ли изменения микробиома на среду или же наоборот, среда ведет к изменениям микробиома. И все же, научное сообщество стало уделять повышенное внимание изучению взаимосвязей между микробиомом и средой, в которой он существует.

В частности, большой интерес вызвали опубликованные в июне прошлого года первые результаты проекта «Human Microbiome Project» стоимостью 173 миллиона долларов, осуществленного под эгидой Национального института здоровья. Цель данного проекта заключается в создании подробной карты микрофлоры, населяющей организм трехсот здоровых добровольцев.

Медики приравнивают данный проект к обнаружению в организме человека еще одного, доселе неизвестного, органа или еще одной, не известной ранее, системы жизнедеятельности. Как говорится в одной из статей, опубликованной в январском номере Американского эпидемиологического журнала за этот год, ученые обнаружили «еще один ключ», который поможет «вскрыть тот пресловутый черный ящик», который обуславливает здоровье и заболевания людей.

О микробиоме теперь знают даже неспециалисты, особенно после того, как несколько лет назад исследователи из Университета Вашингтона установили связь между ожирением и качеством микрофлоры кишечника. Выяснилось, что в кишечнике у мышей, страдавших от избыточного веса, преобладали бактерии Firmicutes, а у худых - Bacteroidetes.

В ходе эксперимента обе группы мышей содержались на одинаковой диете, однако оказалось, что мыши, у которых в кишечнике преобладали бактерии типа Firmicutes, извлекали большее количество калорий и накапливали при этом больше жира. То же самое происходило и в человеческом организме. Теперь понятно, почему многие люди с избыточным весом подчас жалуются, что они толстеют даже, так сказать, от одного лишь запаха еды, которую без проблем поглощают их худые друзья.

Подобные эксперименты породили большой энтузиазм в отношении человеческого микробиома, на который раньше большинство ученых смотрело с некой долей брезгливости. Это все равно, как если бы читатели полюбили бы вдруг «Путешествия Гулливера» всего лишь из-за одного отрывка, в котором Джонатан Свифт изображает студента, который занимался превращением человеческих экскрементов обратно в те питательные вещества, из которых они образовались.

Нынешней зимой два конкурирующих проекта пригласили энтузиастов для того, чтобы взять у них на анализ фекалии, а также мазки из ротовой полости и с поверхности кожи. На банковский счет каждого из проектов поступило более 300 тысяч долларов в виде добровольных пожертвований (средняя величина пожертвования - 100 долларов) В первом из проектов, который осуществляется Лабораторией Найта при Колорадском университете и называется «American Gut», участвуют ведущие американские ученые.

В рамках данного проекта покупателям была предложена услуга по составлению «карты экосистемы кишечных бактерий человека» стоимостью 99 долларов, которую журнал «Prevention» назвал одним из десяти лучших праздничных подарков. (А романтикам для отдельных пар предлагался пакет под названием «Микробы для двоих» за 189 долларов, который в том числе давал право провести анализ образцов кала обоих партнеров. Или их собаки.)

Во втором проекте под названием uBiome развивалась идея так сказать «народной науки». Участникам предлагалось сформулировать гипотезы для экспериментальной проверки, например: «Как потребление алкоголя влияет на микробиом человека?» «Какое влияние на микробиом оказывает вегетарианская диета?»

После того, как в декабре у одного из организаторов проекта Вилла Лудингтона родился ребенок, отец стал ежедневно проводить анализ кала своего новорожденного сына Дилана, чтобы ответить на вопрос: «Каким образом наследуется микрофлора, колонизирующая кишечник младенца в течение первого года жизни?»

К проблеме микробиома с энтузиазмом обратились и венчурные капиталисты. К настоящему времени они уже инвестировали средства в как минимум четыре новых проекта с целью разработки перспективных препаратов и диагностических средств, ориентированных на микробиом.

Исполнительный директор компании «Second Genome», расположенной в окрестностях Сан-Франциско, Питер Дилаура (DiLaura) уже инвестировал около 10 миллионов долларов в проект, с помощью которого уже через три года можно было бы начать клинические испытания лекарственных средств, предназначенных для лечения таких распространенных заболеваний, как язвенный колит, причиной которого, скорее всего, является изменение микробиома. (Кстати, лозунг компании «Second Genome» такой: «Наиболее важный для человеческого организма геном может быть и не человеческого происхождения»).

Как видим, планы выглядят оптимистично, особенно если вспомнить, что начатые в свое время исследования генома человека, вопреки ожиданиям практически не привели к появлению каких-то новых методов лечения. Но, по крайней мере, они теоретически должны помочь найти способы манипулирования отдельными группами микроорганизмов.

В некоторых крупных фармацевтических компаниях, которые работают над решением проблемы диабета и ожирения, были созданы научно-исследовательские подразделения, занятые исследованием микробиома. Кроме того, крупные производители зубной пасты и жидкости для полоскания рта, уже инвестируют в разработку микробиологических методов по борьбе с кариесом.

Но и помимо создания коммерческих продуктов, сама по себе возможность картирования микробиома человека уже способна принести огромную пользу для медицины. Исследования показывают, что каждый человек обладает уникальной микрофлорой, присущей только ему. Различия между характеристиками микрофлоры отдельного человека зависят от особенностей его индивидуального режима питания, состава семьи, истории болезни, национальных и региональных различий, а также от множества других факторов - все они в той или иной степени играют свою роль.

Например, кишечник человека могут населять некоторые бактерии, которые вообще способны изменить характер терапевтического воздействия некоторых лекарственных препаратов, вплоть до того, что микроорганизмы могут нейтрализовать такие лекарственные средства, как ацетаминофен (компонент, входящий в состав обезболивающего препарата Tylenol).

В настоящее время врачам иногда приходится долго подбирать лекарство, которое бы смогло реально помочь пациенту. Однако, если изучить индивидуальный микробим пациента, то в этом случае подбор препарата несомненно ускорится. Однако, некоторые специалисты, считают, что энтузиазм в отношении микробиома - это очередное поветрие, которое лишь обещает золотые горы. опубликовано

По сути, сегодня понятие микрофлоры кишечника или желудочно-кишечного тракта устарело, и в результате исследований и работы многочисленных ученых сегодня введено понятие микробиом как современное расширенное понятие микрофлоры и совокупности не только микробов, но и микробных генов!

В последние годы на передовые рубежи биомедицинской науки стремительно вышло изучение микробиома человека. Термин «микробиом» предложил в 2001 г. лауреат Нобелевской премии Джошуа Ледерберг (Joshua Lederberg) для обозначения суммы всех микробных сообществ, обитающих в организме человека.

Интерес мировой науки к изучению микробиома человека неуклонно возрастает. В 2007 г. Национальный институт здоровья США инициировал масштабный фундаментальный научный проект «Микробиом человека» (Human Microbiome Project), который объединяет разработки ученых из различных стран мира, в т.  ч. США (NIH), Австралии (CSIRO), Канады (CIHR), Китая (MOST), стран Европейского союза (MetaHIT Consortium), Сингапура и др.
Итоги десятилетней работы привели к серьезным изменениям во взглядах ученых на биологию человека и развитие многих заболеваний. Прогресс в изучении микробиома и в точке зрения на его роль в поддержании здоровья человека рассматривается как одно из наиболее значимых достижений современной биологии и медицины. В частности, редакция журнала Science в 2010 г. назвала изучение микробиома человека одним из десяти наиболее важных научных направлений первого десятилетия XXI в.

Микробиом человека имеет дискретную организацию и распределен по всем органам, сообщающимся с внешней средой. Фактически любая открытая поверхность человеческого тела заселена микроорганизмами, которые играют важную роль в поддержании иммунитета, обмене веществ, пищеварении и реализации других важных функций. Ротовая полость, желудок, кишечник, верхние дыхательные пути, мочеполовая система, кожа, глаза, волосы, нос, уши содержат свой собственный уникальный специфический и очень сложный микробный комплекс, состоящий из отличающихся друг от друга видов с определенным набором функций. Специфические микробиомы недавно обнаружены также в плаценте, легких и крови, то есть в органах и средах, ранее считавшихся стерильными.
Большинство микроорганизмов сконцентрировано в пищеварительном тракте (в ротоглотке, желудке и кишечнике содержится до 75% микробных популяций); мочеполовые пути у мужчин заселяют до 2-3% микроорганизмов, у женщин - до 9-12%; 13-23% микробиоты колонизирует все остальные биотопы. Только в толстой кишке взрослого человека насчитывается 1014-1015 клеток микроорганизмов (не менее 1012 микробных клеток на 1 г содержимого), что превышает число клеток тела человека почти на два порядка.
Каждый локальный микробиом характеризуется индивидуальным составом и функциями, на которые оказывают влияние анатомические и физиологические особенности заселяемого органа. Специфическая для конкретной экосистемы симбиотическая микробиота посредством конкуренции за сайты адгезии и путем стимуляции иммунных ответов защищает свой биотоп от патогенной колонизации посторонними микробами. Вместе с тем все микробные сообщества, обитающие в различных локусах тела человека, находятся в постоянном взаимодействии между собой и макроорганизмом, образуя единую надорганизменную систему.
Достижения современной биологии и медицины позволяют рассматривать микробиом как дополнительный орган человека, который, активно участвуя в пищеварении, многочисленных метаболических процессах, поддержании целостности эпителиального барьера, формировании колонизационной резистентности, обезвреживании эндо- и экзогенных токсинов, развитии и поддержании иммунной системы и ряде других физиологических функций, оптимизирует условия для нормального функцио-нирования организма человека в целом.
Давно признан факт, что традиционные микробиологические методы не в состоянии предоставить объективную информацию относительно видового разнообразия и популяционного уровня различных представителей микробиома человека, поскольку преобладающая часть прокариотических микроорганизмов (бактерий и архей) не культивируется в лабораторных условиях. С помощью классической методологии невозможно также проанализировать механизмы популяционных взаимодействий микробиоты, основанных на специфических сигнальных системах общения как внутри микробного сообщества, так и в ходе его взаимодействия с организмом человека. Поэтому еще недавно наши знания о составе симбиотической микробиоты, населяющей тело человека, были весьма скудными и противоречивыми.
Использование возможностей для изучения микрофлоры, ранее недоступной для исследований, изменило многие устоявшиеся взгляды на состав микробиома человека. Например, по результатам генетического анализа образцов, отобранных из различных биотопов здоровых добровольцев (15 мест на теле 129 мужчин и 18 - на теле 113 женщин), было установлено, что в организме человека обитает >10 тыс. видов различных микробов, включая бактерии, археи, грибы, простейшие и вирусы. При этом большинство видов бактерий и архей оказались некультивируемыми in vitro. Общая масса клеток всех представителей микробиома в среднем составляет 3% от массы тела человека. Таким образом, микробиом является одним из самых крупных органов человека.
Суммарное число генов микробиома (метагеном), по крайней мере, в 100 раз больше человеческого генома. Микробиом добавляет к примерно 30 тыс. генам человека еще около 12 млн дополнительных генов микробной природы. Такой огромный арсенал генных продуктов обеспечивает широкий набор различных биохимических и метаболических активностей, рацио-нально дополняющих физиологию организма человека.
Исходя из результатов исследований микробиома человек представляет собой «суперорганизм», где только 10% клеток принадлежит телу человека, а 90% - микробиому. Обмен веществ этого «суперорганизма» в значительной степени определяется ферментами, гены которых локализованы не в человеческих хромосомах, а в геномах симбиотических микробов.
Микробные симбионты человека обладают колоссальным ферментативным потенциалом. Благодаря удивительному видовому многообразию и огромному количеству клеточных популяций кишечный микробиом функционирует как мощный биореактор, контролирующий многочис-ленные метаболические функции, многие из которых все еще не распознаны. Он продуцирует тысячи важных и уникальных веществ, полезных для организма человека.
Фактически метаболические возможности микробиома сопоставимы с функциями печени. Симбиотические бактерии: осуществляют метаболизм плохо перевариваемых полисахаридов; продуцируют необходимые витамины; регулируют липидный обмен; способствуют развитию и дифференциации эпителия и иммунной системы; обеспечивают защиту от инвазии оппортунистических патогенов; выполняют ключевую роль по поддержанию гомеостаза эпителиальной ткани. Недавние исследования показали также, что микробиом человека влияет на развитие и гомеостаз других тканей организма, в т.  ч. костной ткани.
Разработка и внедрение в исследовательскую практику методов молекулярно-генетического анализа существенно расширили представления, касающиеся таксономии симбиотической микрофлоры человека. Применение новейших методов исследований, в частности геномного и метаболомного анализа, позволило достичь значительного прогресса в расшифровке таксономического и генетического разнообразия, понимании структуры и функциональной активности микробио-ма человека, его роли в поддержании или расстройстве здоровья.
Обширный анализ нуклеотидных последовательностей 16S рибосомальной РНК (рРНК), амплифицированных из фекальных образцов, был дополнен данными метагеномного секвенирования, что позволило составить общее представление о микробном разнообразии: у здорового человека доминируют бактерии, принадлежащие к типам Firmicutes (65-80% всех клонов), Bacteroidetes (около 23%) и Actinobacteria (около 3%). В меньших количествах присутствуют бактерии типов Proteobacteria (1%) и Verrucomicrobia (0,1%). Представители Actinobacteria и Firmicutes, к которым принадлежат роды Lactobacillus, Bifidobacterium и Propionibacterium, почти исключительно грамположительные, тогда как представители типов Bacteroi-detes и Proteobacteria в основном являются грамотрицательными.
До настоящего времени при рассмотрении симбиотической микробиоты человека основное внимание уделяется ее бактериальным представителям. Бактериальная флора действительно занимает самый большой сектор любого микробио-ценоза. Однако при этом незаслуженно недооценивается значимость других микроскопических обитателей биотопов, в частности архей, грибов, простейших и вирусов, которые при нормальном состоянии микробно-иммунологической системы вносят определенный вклад в выполнение микробиомом своих физио-логических функций.
Например, во всех биотопах человека в высокой концентрации содержатся вирусы. Расшифровка генома человека выявила в нем огромное количество вирусного генетического материала: не менее 11% генома человека составляют вирусные гены. В 2010 г. группа ученых из США и Австралии установила, что каждый человек обладает уникальным набором вирусов, обитающих в толстом кишечнике. С момента формирования микробио-ма ребенка одновременно с заселением биотопов бактериями происходит контаминация слизистых оболочек вирусами-симбионтами. Предположительно, вирусные представители биоценозов защищают макроорганизм от своих болезнетворных сородичей и повышают общую сопротивляемость ко многим неблагоприятным воздействиям. Вирусы бактерий - бактериофаги - принимают активное участие в контроле над поддержанием нормального бактериального баланса в биоценозе, а также обеспечивают механизмы генетических рекомбинаций посредством транс-дукции. Благодаря недавним исследованиям американских ученых была вы-двинута гипотеза о том, что бактериофаги, содержащиеся в огромных количествах в приэпителиальных биопленках, могут играть роль весьма важного компонента ответа на инфекции. Выяснилось, что отдельные поверхностные белки фаговых капсидов, своей структурой напоминающие иммуноглобулины, способны присоединяться к гликанам муциновых комплексов и формировать «бактериофаговый» защитный слой, предупреждающий транслокацию бактерий во внутреннюю среду организма («фаговый иммунитет»).
Для детального и объективного изучения взаимоотношений человеческого организма с его микросимбионтами в био-медицинскую науку внедрены новые молекулярные, генетические и биохимические методы (т.  н. «ОМИК»-технологии): геномика и метагеномика, эпигеномика и метаэпигеномика, транскриптомика, протеомика, метаболомика, феномика.
Сегодня уже известно, что процесс формирования микробиома начинается задолго до рождения ребенка и в этом процессе задействованы многочисленные механизмы, связанные со здоровьем матери (особенно с состоянием ее микро-био-ма, условиями протекания родов, формой вскармливания ребенка), а также факторы окружающей среды. По мере взросления и старения организма в составе микробиома наблюдаются замет-ные изменения, которые наиболее отчетливо проявляются в пожилом и старческом возрасте. Физиологические изменения, происходящие в теле человека с возрастом, в первую очередь выражаются в снижении биологических функций и способности приспосабливаться к стрессовым воздействиям. Все эти возрастные процессы протекают на фоне серьезных изменений в составе и функциональной активности микробиома. Человек преклонного возраста особенно уязвим к болезням, и в первую очередь связаннным со снижением функциональной активности микробиома.
Микробиом каждого человека индивидуален и уникален по составу. Ученые обнаружили, что не существует какого-то основного состава микроорганизмов, выполняющих определенные функции. Их могут осуществлять разные по составу микробные сообщества, обладающие подобными активностями. Индивидуальные таксономические характеристики микробиома формируются под воздействием многих факторов: местности, где проживает человек, его пищевых привычек, рода занятий, приема лекарственных средств и др. Микроорганизмы одного вида могут заменяться другими, используя при этом идентичную метаболическую стратегию.
Механизмы взаимосвязей между микробиомом и организмом человека исследованы пока недостаточно. Связи эти, без сомнения, очень сложны и включают взаимодействия между отдельными представителями самого микробиома, слизис-тым слоем желудочно-кишечного тракта и других биотопов, иммунной системой и эпителиоцитами.
Полноценный микробиом человека обладает огромным биологическим потенциалом для защиты макроорганизма и его метаболической поддержки. Здоровый микробный орган способен компенсировать достаточно высокий потенциал негативных факторов. И только в случае серьезного повреждения микробиома нагрузка переходит на иммунную систему и другие защитные органы, в которых при потере содействия со стороны физиологической микробиоты происходят патологические изменения, что и приводит к возникновению различных заболеваний и их серьезным осложнениям.
Установлено, что поврежденный микробиом становится фактором развития ожирения, жировой дистрофии печени, инсулинорезистентности, гиперхолестеринемии, аутоиммунных болезней (ревматоидного артрита, рассеянного склероза, псориаза и др.), воспалений в кишечнике, аллергии, отдельных видов рака и многих других острых и хронических патологий. Все больше появляется доказательств, которые дают основание признать связь между расстройствами психического здоровья и нарушениями микробиома. Этот вопрос был поставлен еще работами И. И. Мечникова, а в последние годы функциональный комплекс кишечник-мозг-микробиом интенсивно изучается.
Установлено, что ряд психиатрических заболеваний сопровождается микробиом-ными расстройствами, окислительным стрессом и увеличением уровня воспалительных цитокинов, в частности фактора некроза опухоли, интерлейкина-1 и -6. Предполагают, что на когнитивные способности и поведение благоприятное воздействие могут оказывать методы лечения, предусматривающие восстановление микробиома.
Патологически измененный микробиом зачастую служит пусковым механизмом в развитии болезни, способствует затяжному, хроническому ее течению с развитием метаболических и иммунных расстройств, формированием в организме резервуаров эндогенной инфекции различной этиологии и локализации, к которой легко могут присоединяться экзогенные возбудители, особенно вирусно-бактериальных или бактериально-грибковых микст-инфекций.
В терапии пациентов с такими расстройствами здоровья необходимо применение комплексных схем, в т.  ч. направленных на восстановление физиологических функций микробиома и повышение иммунобиологической активности организма.
Особую тревогу вызывает рост числа детей, страдающих тяжелыми микробиомными расстройствами с раннего возраста. Как известно, становление микрофлоры, происходящее на первом году жизни, закладывает фундамент для поддержания здоровья ребенка, его нормального роста и развития. К сожалению, в современных условиях характер первичной микробной колонизации претерпел критические изменения, что связано прежде всего с ухудшением репродуктивного здоровья молодого поколения, увеличением контингента женщин с перинатальными факторами риска, нерациональным медикаментозным лечением. Это приводит к неуклонному увеличению детей с первичными нарушениями в микробной экологической системе.
Именно с нарушениями становления микробиома связаны многие проблемы со здоровьем ребенка, возникающие на первом году его жизни и осложняющиеся в последующем. Дальнейшему углублению микробиомных расстройств, развитию и хронизации инфекционных и соматических заболеваний способствуют многочисленные факторы экологического, трофического, нервно-эмоционального, медикаментозного и другого характера - они оказывают существенное влияние на состояние микробиома человека любого возраста.
Эффективность терапии снижает и применение в лечении больных устаревших подходов, не учитывающих значительный вклад в развитие патологии нарушений в системе микробов-симбионтов. Накап-ливается все больше фактов, свидетельствующих, что ряд широко используемых фармацевтических препаратов губительно влияют на микробиом и иммунитет пациентов.
Вот почему лечение любого заболевания должно быть комплексным и обязательно предусматривать восстановление естественной защитной системы организма, основными составляющими которой являются микробная система, неразрывно с ней связанная иммунорезистентность и антитоксическая защита.
Поддержание физиологического состояния микробиома на всех этапах жизни человека - начиная с внутриутробного развития плода и до глубокой старости - играет значимую роль в улучшении здоровья популяции всех возрастных категорий. Современная наука вполне способна решить эту задачу.
Сегодня наиболее признанными средствами оздоровления микробиома, безусловно, остаются пробиотики, которые уже нашли широкое применение в составе многих лечебных и профилактических схем. При этом продолжают совершенствоваться технологии производства пробиотиков в направлении создания инновационных средств, обладающих направленными механизмами действия, что в перспективе позволит повысить эффективность методов лечения больных и поддержания здоровья в нормальном состоянии.
Благодаря многочисленным исследованиям, проведенным ведущими специалистами в различных областях микробиологии и медицины, удалось достичь значительного прогресса в изучении микробиома и достаточно успешно использовать научные достижения при разработке принципиально новых оздоровительных средств, эффективность которых убедительно доказана клинической практикой. Разработанная серия мультипробиотиков серии Симбитер® и энтеросорбентов серии Смектовит® в настоящее время широко используется в различных областях медицины.

Две тысячи лет назад Гиппократ справедливо отметил, что «все болезни начинаются в кишечнике». Последующие научные исследования многократно подтверждали его правоту и важность профилактики патологий данного органа.

В человеческом кишечнике содержатся триллионы микробов многих видов, которые метаболизируют пищу и облекают разнообразные нутриенты в доступные формы. Добавляя до 2 кг лишнего веса телу человека, дружественные бактерии защищают организм от «плохих» микробов, таких как столбняк, кишечная палочка и многие другие. Поэтому микробиом является основой человеческого здоровья.

«Вероятно, одной из самых важных услуг, которые предоставляют людям микробы, является иммунитет», - говорит Мартин Блазер, директор программы «Микробиом человека» в Медицинском центре Нью-Йоркского университета и председатель Консультативного совета при президенте США по борьбе с антибиотикоустойчивыми бактериями. Исследователь считает, что в течение десятилетий люди, не ведая о том, случайно уничтожали полезные микроорганизмы, посредством неверного поведения:

• бесконтрольное и чрезмерное применение антибиотиков;
• регулярное использование антибактериального мыла и т. п.

Мартин Блазер объясняет, что микробы, которые живут внутри человеческого организма, составляют огромное сообщество, и когда его баланс нарушается, «плохие» бактерии процветают и наносят урон здоровью людей.

Микробиом является предметом множества клинических испытаний и научных исследований. Их главная цель - изучение взаимосвязей между кишечной микрофлорой и болезнями.

Например, недавние исследования ученых из Мичиганского университета показали, что микробиом оказывает огромное влияние на иммунную систему животных и человека.

Интересно!

Роб Найт из Калифорнийского университета в Сан-Диего создал исследовательский проект American Gut. Это - крупнейшая в мировой истории научно-исследовательская программа, в рамках которой любой желающий может провести анализ своей кишечной микрофлоры и, в случае обнаружения инфекций, устойчивых к антибиотикам, «трансплантировать» нормальный микробиом. Процедура помогает заселить желудочно-кишечный тракт полезными микробами и гарантирует (на 90%) успех в борьбе с «плохими» бактериями.

В этой статье Вы узнаете, как поддержать здоровье микробиома самостоятельно.

1. Больше органических продуктов в рационе питания

Что человек может сделать, чтобы поддержать полезные бактерии? Самый надежный и действенный способ, позволяющий изменить состав микрофлоры кишечника в лучшую сторону - это избирательность в отношении продуктов, которые составляют ежедневное питание. Сертифицированные органические продукты с высоким содержанием клетчатки, ферментированные ингредиенты способны помочь в укреплении здоровья кишечника.

Не стоит опасаться, что натуральные продукты, выращенные фермерскими хозяйствами, на дачах, могут быть загрязненными, в отличие от произведенных в промышленных масштабах, где широко применяются антибактериальные препараты и различные химикаты для борьбы с вредителями и патогенами. Напротив, обработанные продукты включают синтетические компоненты, которые вредят хорошим бактериям.

Ученые все чаще говорят о том, что полезно есть растительные продукты прямиком с грядки. Например, в своей книге «Лечение грязью» нейропедиатр Майя Шетра-Клейн утверждает, что овощи, выращенные в здоровой почве, поддерживают баланс микробиома человека, способствуя укреплению здоровья.

2. Цельное зерно и другие источники клетчатки

Цельнозерновые и другие продукты, содержащие много пищевых волокон, богаты олигосахаридами, сложными углеводами, которыми питаются микроорганизмы. Это - пребиотики, которые в большом количестве содержатся в:

• овсянке;
• гречке;
• коричневом рисе;
• киноа;
• цельной пшенице и т. д.

Они стимулируют рост полезных микробов гораздо эффективнее, чем очищенные зерна и просеянная мука. Министерство сельского хозяйства США (USDA) рекомендует употреблять 14 граммов клетчатки на каждую 1000 потребляемых калорий.

Профилактика предполагает постоянное присутствие пищевых волокон на тарелке. Регулярно добавляйте в свой рацион:

• хлеб из цельной пшеницы (в порционном ломтике содержится около 3 граммов клетчатки);
• несладкие плоды, ягоды с высоким содержанием клетчатки (например, среднее яблоко содержит около 3,5 грамма клетчатки);
• съедобные водоросли;
• овощи и т. п.

Натуральный йогурт является лидером по содержанию живых, активных бактериальных культур. Обычный стаканчик, около 160 г, скрывает миллиарды дружественных микробов.

Профессор медицины, микробиологии и иммунологии Университета штата Мичиган Мэри Х. Вейсер, утверждает, что ферментированные продукты, содержащие живые культуры, в том числе кефир, кимчи, квашеная капуста, моченые яблоки, огурцы и прочие овощи и фрукты помогают пополнить количественный состав микробиома и защитить «хорошие» кишечные бактерии.

4. Избегайте продуктов с искусственными подсластителями

По словам Эндрю Гевирта, эксперта из Центра воспаления, иммунитета и инфекций при государственном университете Джорджии, химические вещества, содержащиеся в искусственных подсластителях, вытесняют хороших бактерий и могут существенно увеличивать риски развития ожирения, а заодно всех сопутствующих ему заболеваний:

• метаболический синдром;
• диабет (2 тип);
• атеросклероз;
• кардиопатологии и др.

Многие готовые продукты питания, например, мороженое, пудинги, салатные заправки и т. п., приобретают гладкую, плотную консистенцию благодаря полисорбату 80 и карбоксиметилцеллюлозе (КМЦ). Данные химические вещества не найти в органических продуктах. Попадая в организм человека, они уничтожают кишечный микробиом, провоцируя воспаление. Эксперты называют синтетические эмульгаторы одними из основных виновников всплеска неинфекционной эпидемии метаболического синдрома в мире. Именно они повышают риски развития артериальной гипертензии, провоцируют развитие инсулинорезистентности.

6. Разумное применение антибиотиков

Статистические данные Всемирной организации здравоохранения выглядят довольно устрашающе, так как за последние 50 лет:

• количество пациентов с ожирением выросло на 200%;
• распространенность сахарного диабета увеличилась в семь раз;
• показатели заболеваемости бронхиальной астмой выросли на 250%.

Многие ученые считают, что во многом виноваты антибиотики. Ведь каждое применение антибактериальных препаратов можно сравнить с «ковровой бомбардировкой» кишечной микрофлоры.

CDC сообщает, что третья часть всех эпизодов применения антибактериальной терапии - ошибочна, так как антибиотики используют против вирусов, которые просто не реагируют на них.

Нельзя заниматься самолечением, бесконтрольно употребляя антибактериальные препараты. Если взрослый или ребенок заболел, профилактика рекомендует «бдительное ожидание» под наблюдением врача. При подозрении на вирус специалист посоветует провести несколько дней дома и назначит симптоматическое лечение, чтобы убедиться, что организм самостоятельно борется с инфекцией.

Исследования, проведенные в Швейцарии в 1990-х годах и совсем недавно в США, продемонстрировали, что дети, растущие на небольших фермах, в непосредственном контакте с животными, гораздо реже страдают от симптомов аллергии и бронхиальной астмы. Возможно, это происходит потому, что животные «диверсифицируют» человеческие микробы. Некоторые ученые считают, что домашние животные обеспечивают аналогичные преимущества.

Излишняя чистоплотность может сыграть с человеком «злую шутку», снижая иммунитет и влияя на сопротивляемость инфекциям. Поэтому наука внесла в последние годы важные коррективы в гигиенические правила: не стоит постоянно мыть руки дезинфицирующими средствами или любыми косметическими продуктами, содержащими триклозан. Для профилактики достаточно воды и мыла без антибактериальных добавок.

Кроме провокации резистентности к антибиотикам, данное противомикробное вещество, также содержащееся в некоторых зубных пастах, коррелирует с повышением чувствительности к переносимым по воздуху и содержащимся в пищевых продуктах аллергенах.

МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА

МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА - НОВАЯ ЭРА В ПОНИМАНИИ МИКРОФЛОРЫ

Бактериальное и микробное "население" человеческого организма отличается исключительно большим разнообразием - число микроорганизмов в организме у разных людей может быть равно числу собственных клеток, а может в десять раз превосходить его, свидетельствуют первые результаты работы международного проекта "Микробиом человека" (Human Microbiome Project - HMP) .

М икробиом — собирательное название микроорганизмов, находящихся в симбиозе с организмом хозяина. Также под микробиомом подразумевают совокупность геномов микробных популяций в человеке. Различают микробиом кожи, полости рта, кишечника и т.д.

Вместе с понятием «микробиом» существует и понятие «микробиота». По сути, они несут одно и тоже смысловое значение, особенно если к этим терминам добавлена локализация, например, микробиом кишечника или кишечная микробиота. Однако в отдельности (в строго научной среде) термины понимаются по-разному:

Термин «микробиота» относится к совокупности микробов (бактерий, архей, грибов, вирусов и простейших) в конкретной среде, другими словами, к таксономии и обилию членов сообщества, а «микробиом» - это совокупность геномов микробиоты, и его часто используют для описания сущности микробных признаков (функций), кодируемых микробиотой [ Schlaeppi, K.; Bulgarelli, D. The plant microbiome at work. Mol. Plant Microbe Interact.2015, 28, 212-217.].

Микробиота используется для характеристи-ки микробиоценоза отдельных органов и систем, генетического материала и взаимосвязей внутри экологической ниши в определенный временной период на определенной территории. Микробиота взаимодействует с остальными органа-ми и системами, определяя функционирование организма в целом как у здорового человека, так и при заболеваниях. К настоящему разделу отдельно добавлен раздел и о микробиоте:

См. подробнее:

ЧЕЛОВЕК КАК ЭКОСИСТЕМА

Человек с точки зрения микробиолога представляет собой ходячую экосистему - в человеческом организме обитает множество самых разных микроорганизмов. Первые данные о наших внутренних "соседях" были опубликованы еще 300 лет назад, вскоре после изобретения микроскопа. Однако теперь, с появлением методов изучения генома, представление о внутричеловеческих экосистемах могут радикально измениться.

В теле одного человека живет сотня триллионов бактерий. На каждую клетку нашего тела приходится десять бактериальных клеток, на каждый ген - 100 бактериальных генов. По подсчетам ученых, каждый взрослый человек носит в себе от полутора до трех кг микробов. Первые бактерии попадают в новорожденный организм уже в родовых путях, и далее бактериальное сообщество не покидает нас до конца жизни. Меняется лишь его видовой состав.

Совместная с бактериями жизнь оказывает огромное влияние на состояние нашего здоровья. Часть ферментов и витаминов, необходимых для нормального пищеварения и жизнедеятельности человека вообще, выделяют именно живущие в кишечнике микробы. Так распорядилась эволюция.

Наше развивающееся понимание здорового микробиома

Ранние исследования были направлены на выявление нормального набора микробов, которые колонизируют здоровых людей, прежде всего в кишечнике, по культуре и характеристике физиологических свойств. Такие исследования лучше всего выделяют организмы, которые хорошо растут в лабораторных условиях, такие как Escherichia coli. Это смещение привело к восприятию того, что кишечная палочка является обильным и распространенным членом кишечного микробиома человека. Внедрение строго анаэробных методов в 1970-х годах позволило извлечь из кишечника более 300 видов бактерий; кроме того, подсчет жизнеспособных клеток в стандартизированных серийных разведениях в селективных средах позволил количественно оценить эти виды. Резюме четырех крупных исследований этой эпохи, в которых рассматривались образцы кала от 141 американца на различных диетах, показало, что бактерии рода Bacteroides и анаэробные кокки были распространены и многочисленны, тогда как род Clostridium был вездесущим, но в более низкой численности, хотя один вид (как тогда было определено) наблюдался у всех субъектов. Другие распространенные, но менее распространенные бактерии включали представителей родов Bifidobacterium, Eubacterium, Lactobacillus и Streptococcus, а также факультативных анаэробов, таких как Escherichia.

В то время уже предполагалось, что большое количество видов микроорганизмов, связанных с человеком, так и не было обнаружено, причем одно исследование оценило одновременное присутствие около 400 видов микроорганизмов в здоровой толстой кишке. Тем не менее, привередливые требования некоторых микробов и трудоемкий характер работы, необходимой для их культивирования, представляли значительный барьер на пути их открытия. Кроме того, не все микробы могут быть хорошо выделены как виды или штаммы путем культивирования только на селективных средах. Таким образом, для изучения этих аспектов здорового микробиома были необходимы новые методы.

Новые методы изучения микробиомов

В настоящее время широкое распространение получили культурально-независимые методы, такие как секвенирование ДНК и флуоресцентная гибридизация in situ (FISH ), а их демократизация позволила непосредственно исследовать содержание ДНК в микробных образцах. Ранние исследования с использованием FISH, нацеленных на ген 16S рибосомальной РНК, показали, что по меньшей мере две трети кишечных бактерий в западноевропейской когорте можно отнести к набору из шести групп приблизительно на уровне вида / рода: два Bacteroides, два Clostridium, Clostridium, Streptococcus/Lactococcus и Eubacterium rectale.

Некоторые из ранних попыток секвенировать гены 16S рРНК непосредственно из образцов показали, что 85-95% бактериальной численности, соответствующей известным видам, можно отнести к трем бактериальным группам, связанным с Bacteroides, кластером Clostridium XIVa и кластером Clostridium IV. Исследования 16S также показали большое разнообразие в таксономическом составе как между здоровыми людьми, так и среди тесно связанных биогеографических участков в пределах одного человека (таких как образцы слизистой оболочки и кала). Однако во всех этих исследованиях большинство (75-80%) кластеров последовательностей не соответствовало ни одному из документированных видов в то время, что объясняло большую часть недооценки разнообразия в предыдущей работе.

Стоит отметить и метагеномное секвенирование, которое представляет собой мощную альтернативу рРНК-секвенированию для анализа сложных микробных сообществ. Так, для получения более широкого представления о генах микробов кишечника человека ученые из проекта MetaHIT (о нем будет сказано ниже) в 2010 г. использовали технологию Illumina для проведения глубокого секвенирования общей ДНК из образцов фекалий 124 взрослых европейцев. Они сгенерировали 576,7 Гб последовательностей, что почти в 200 раз больше, чем во всех предыдущих исследованиях, собрали ее в контиги (contigs) и предсказали 3,3 миллиона уникальных открытых рамок считывания (ORF ).

Появление массивно-параллельного секвенирования с помощью метода дробовика (высокопроизводительные технологии секвенирования) существенно разрешило таксономический состав этой микробной «темной материи», хотя поразительный процент функционального разнообразия еще предстоит охарактеризовать (до 50%), как и состав нереферентных популяций. Первоначальные результаты повторяли большие межличностные различия, даже между близнецами, но также подразумевали существование набора микробных генов, которые являются общими для всех людей. Это помогло создать модель, согласно которой, подобно консервативным генам в отдельных организмах, «основной микробиом» может быть определен на функциональном, а не на таксономическом уровне.

Базовые когорты исследования микробиома

С тех пор были начаты крупномасштабные проекты по характеристике разнообразия микробного состава и его функционального потенциала, основанные на все еще растущей пропускной способности и экономической эффективности секвенирования и других молекулярных анализов. В 2010 году в исследовании «Метагеномы кишечного тракта человека» (MetaHIT - Metagenomics of the Human Intestinal Tract) сообщалось о метагеномах кишечника из образцов стула от 124 взрослых европейцев (преимущественно «здоровых»), что в то время превышало объем секвенирования всех предыдущих исследований микробиома почти в 200 раз. В 2012 году в рамках проекта «Микробиом человека» (HMP ) были представлены результаты профилирования 16S на 242 здоровых взрослых из Соединенных Штатов и метагеномного секвенирования на подгруппе из 139 человек, причем образцы, представляющие 18 мест обитания тела, были распределены между пятью основными областями тела. Большое китайское исследование диабета типа 2 вскоре дало дополнительные 145 кишечных метагеномов, примерно половина из которых была из недиабетических контролей. Кроме того, с тех пор консорциум MetaHIT продолжал публиковать новые метагеномы кишечника взрослых европейцев.

Кратко о проекте " метагеномика кишечного тракта человека"

MetaHIT (Metagenomics of the Human Intestinal Tract ) - это совместный проект, финансируемый Европейской комиссией, объединяющий 15 институтов из 8 стран. По-настоящему хорошо изучены (на 2019 г. - ред. ) лишь немногие представители микрофлоры кишечника и желудка, например, Escherichia coli или Helicobacter pylori. Об остальных известно мало. Даже видовое многообразие энтеробактерий оценивается весьма приблизительно - от 300 до 1000 видов. Но теперь ситуация начинает меняться благодаря европейскому проекту MetaHIT. Проект MetaHIT - это своего рода перепись бактериального населения кишечника. Желудочно-кишечный тракт человека - это сложная экосистема, идеальная среда обитания для множества бактерий. Их видовое многообразие ученые пытаются теперь изучить, используя методы генетического анализа. От 70 до 80 процентов бактерий, населяющих кишечник человека, не поддаются культивированию и размножению в лабораторных условиях, поэтому проект MetaHIT изучает наследственный материал бактерий. Так же, как некогда в проекте "Геном человека", задача исследователей состоит в секвенировании, то есть в расшифровке нуклеотидных последовательностей в молекулах ДНК. Но есть и существенная разница: теперь речь идет не об одном многоклеточном организме, каждая клетка которого имеет один и тот же набор генов, а о множестве одноклеточных организмов с разными наборами генов. Это сотни видов бактерий, это миллионы генов.

Типичные бактериальные компоненты микробиома

Экосистема толстой кишки является наиболее интенсивно изучаемой средой обитания организма, поскольку она может похвастаться удивительным разнообразием между людьми и микробной биомассой (количество клеток), которая затмевает экосистему других участков тела более чем на порядок величины. В сочетании с ранним появлением методов секвенирования генов 16S рРНК и методов анаэробного культивирования, эти свойства кишечника привели к особенно сильному вниманию в литературе к обитателям бактериальных кишечных микробиомов.

В настоящее время охарактеризовано более 1000 видов бактерий кишечника , что обеспечивает значительный «список деталей» бактериальных компонентов. Интересно, что за последние годы (начиная с середины 90-х) молекулярная филогенетика привела к реклассификации многих из этих видов. Особый интерес представляют виды в составе бактероидов (ранее считавшиеся наиболее обильным и распространенным бактериальным родом в кишечнике), которые были реклассифицированы в пять родов: Alistipes, Prevotella, Paraprevotella, Parabacteroides и Odoribacter с продолжением дополнительной культуральной и культурально-независимой молекулярной работы. По оценкам, в кишечных микробиомах группы MetaHIT преобладали 1000-1150 видов бактерий, из которых на каждого человека в среднем приходилось ~ 160 видов. В здоровых микробиомах кишечника, оцениваемых с помощью секвенирования, последовательно доминируют бактерии двух типов - Бактероидеты и Фирмикуты (Bacteroidetes и Firmicutes) , хотя даже при рассмотрении этого широкого уровня классификации индивидуумы различаются более чем на порядок по соотношению Firmicutes / Bacteroidetes . Распространенные бактерии в фекалиях, которые были идентифицированы с помощью молекулярных методов, расширили микробиомный список, включив в него бактерии по крайней мере из восьми семейств (рис. 1). Хотя они менее изучены, чем кишечник, многие другие места обитания организма у здоровых людей заняты микробными сообществами . Состав сообществ более сходен внутри местообитаний, чем между ними, - при этом продольные колебания существенны и до настоящего времени не имеют полностью объясненных причин.

Рис.1. Типичные роды (семейства) в человеческом микробиоме . Ранние определения «здорового» микробиома обычно фокусировались на наборах таксонов, которые, как можно было бы ожидать, будут преобладать у здоровых людей. В то время как чисто таксономические ядра любого типа оставались неуловимыми даже в относительно узко определенных популяциях, каждая среда обитания на участке тела обладает сильным филогенетическим обогащением. Типичные роды (семейства в кишечнике ) показаны здесь в здоровых популяциях на разных участках .

Формирование микробиома и ранняя колонизация

Факторы, которые влияют на динамику микробиома в раннем возрасте, являются важными факторами, способствующими здоровому микробиому. Внедрение и персистенция микробов - это полустохастический процесс, на который влияют многие элементы, что дает здоровую конфигурацию, подобную взрослой, только после первых нескольких лет жизни. Обогащение кишечного микробиома младенца симбионтами, такими как Bacteroides, Parabacteroides, Clostridium, Lactobacillus, Bifidobacterium и Faecalibacterium prausnitzii, обеспечивает несколько детерминант здорового микробиома. Как только они установлены, они являются основными производителями короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs ), которые являются важным источником энергии из неперевариваемых углеводов. SCFAs являются иммуномодулирующими, ингибируют общие патогенные микроорганизмы и по последним данным обладают способностью подавлять опухоль. Микробиом кишечника является неотъемлемым требованием для становления и функционирования иммунной системы, и образование полезных бактериальных родов в раннем возрасте способствует иммунной толерантности и, следовательно, может ослаблять или отменять аутоиммунные заболевания.

Способ родоразрешения может влиять на формирование микробиоты в раннем возрасте, так что кесарево сечение связано с обогащением у оппортунистов, включая Haemophilus spp., Enterobacter Cancerogenus / E. hormaechei, Veillonella dispar / V. parvula и Staphylococcus. Эти микробы продолжают сохраняться, по крайней мере, в течение первого года жизни и, возможно, способствуют бремени инфекций у детей. Диета также представляет собой сильное избирательное давление на микробиом, а грудное вскармливание (в качестве первой диеты) благоприятствует определенным микробным видам из числа исходной микробиоты, которая могла быть собрана случайным образом. Например, олигосахариды грудного молока (HMO) могут использоваться в качестве единственного источника углерода только несколькими видами Bifidobacterium и Bacteroides.

О структуре микробиома здорового человека

По материалам Консорциума HMP (The Human Microbiome Project Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature . 2012 ; 486: 207-14)

Исследования микробиома человека показали, что даже здоровые люди заметно отличаются по микробам, которые занимают такие места обитания, как кишечник, кожа и влагалище. Большая часть этого разнообразия остается необъяснимой, хотя причастны диета, окружающая среда, генетика хозяина и раннее воздействие микробов. Соответственно, чтобы охарактеризовать экологию микробных сообществ, связанных с человеком, «» или HMP (Human Microbiome Project) проанализировал самую большую когорту и набор отдельных клинически значимых сред обитания на сегодняшний день. Исследователи обнаружили, что разнообразие и обилие сигнатурных микроорганизмов в каждой среде обитания широко варьируются даже среди здоровых людей, с сильной специализацией ниши как внутри, так и среди людей. Проект столкнулся с примерно 81-99% родов, семей ферментов и конфигураций сообществ, занятых здоровым западным микробиомом. Метагеномный перенос метаболических путей был стабильным среди индивидуумов, несмотря на различия в структуре сообщества, а этнический/расовый фон оказался одной из самых сильных ассоциаций как путей, так и микробов с клиническими метаданными. Таким образом, эти результаты очерчивают диапазон структурных и функциональных конфигураций, нормальных в микробных сообществах здоровой популяции, позволяя в будущем характеризовать эпидемиологию, экологию и трансляционные приложения микробиома человека.

Обильные таксоны в микробиоме человека, которые были метагеномно и таксономически четко определены в популяции HMP

Рис. 2. Бактериальные таксоны в здоровом микробиоме . А-С) Распространенность (интенсивность, цвет, обозначающий тип / класс) и изобилие (наличие и размер ветвей) таксонов в здоровом микробиоме. Наиболее распространенные: A) метагеномно-идентифицированные, B) PATRIC «патогены» (метагеномные) и C) 16S-идентифицированные роды. Размер популяции и глубина секвенирования HMP хорошо определили микробиом на всех анализируемых участках тела, что оценивалось по насыщенности добавленного сообщества.

Бактериальные функции важные для жизни в кишечнике

Обширный неизрасходованный каталог бактериальных генов из кишечного тракта человека дает возможность выявить бактериальные функции, важные для жизни в этой среде. Существуют функции, необходимые бактерии для процветания в кишечном контексте (т.е. «минимальный геном кишечника» ) и те, которые участвуют в гомеостазе всей экосистемы, закодированные во многих видах («минимальный метагеном кишечника »). Первый набор функций, как ожидается, будет присутствовать в большинстве или всех видах бактерий кишечника, второй набор - в большинстве или всех образцах кишечника человека.

Для определения функций, кодируемых минимальным геномом кишечника , ученые использовали тот факт, что эти функции должны присутствовать в большинстве или во всех видах бактерий кишечника и поэтому появляются в генном каталоге с частотой, превышающей частоту функций, присутствующих только в некоторых видах бактерий кишечника. Относительная частота различных функций может быть выведена из числа генов, набранных в различные кластеры Базы данных биологической информации eggNOG , после нормализации для длины гена и числа копий. Исследователи ранжировали все кластеры по частотам генов и определили диапазон, который включал кластеры, определяющие хорошо известные существенные бактериальные функции, такие как те, которые определены экспериментально для хорошо изученного представителя Фирмикутов, Bacillus subtilis , предполагая, что дополнительные кластеры в этом диапазоне одинаково важны. Как и ожидалось, диапазон, который включал большинство основных кластеров B. subtilis (86%), находился в самом верху порядка ранжирования. Около 76% кластеров с эссенциальными генами Escherichia coli находились в пределах этого диапазона, подтверждая обоснованность подхода авторов. Это говорит о том, что 1244 метагеномных кластера, обнаруженных в пределах диапазона, определяют функции, важные для жизни в кишечнике.

Ученые обнаружили два типа функций среди кластеров диапазона: те, которые требуются для всех бактерий («ведение домашнего хозяйства»), и те, которые потенциально специфичны для кишечника. Среди многих примеров первой категории являются функции, которые являются частью основных метаболических путей (например, центральный метаболизм углерода, синтез аминокислот), а также важных белковых комплексов (РНК-полимеразы , ДНК-полимеразы , АТФ-синтазы , общего секреторного аппарата ).

Рис. 3. Функциональный состав минимального кишечного генома и метагенома (функции минимального генома и метагенома: редк. - редкие, част. - частые) .

Предполагаемые кишечно-специфические функции включают те, которые участвуют в адгезии к белкам хозяина (коллаген, фибриноген, фибронектин) или в сборке сахаров глобо-серий гликолипидов, которые "декорируют" клетки крови и эпителиальные клетки. Кроме того, 15% кластеров диапазона кодируют функции, которые присутствуют в <10% геномов Базы данных eggNOG и в значительной степени (74,3%) не определены (рис. 3). Детальное их изучение должно привести к более глубокому пониманию бактериальной жизни в кишечнике.

(по результатам 16S секвенирования и метагномного секвенирования от авторов проекта MetaHIT )

Было подсчитано, что микробы в нашем организме в совокупности составляют до 100 триллионов клеток, что в десять раз превышает число человеческих клеток, и предположено, что они кодируют в 100 раз больше уникальных генов, чем наш собственный геном. Большинство микробов обитает в кишечнике, оказывают глубокое влияние на физиологию человека и питание и имеют решающее значение для жизни человека. Кроме того, кишечные микробы способствуют получению энергии из пищи, а изменения микробиома кишечника могут быть связаны с заболеваниями кишечника или ожирением.

А) 16S секвенирование

По материалам David A. Relman, et. al. Diversity of the Human Intestinal Microbial Flora. Science . 2005 Jun 10; 308(5728): 1635-1638.

Чтобы понять и использовать влияние кишечных микробов на здоровье и благополучие человека, необходимо расшифровать содержание, разнообразие и функционирование микробного сообщества кишечника. Методы, основанные на секвенировании генов 16S рибосомных РНК (16S рРНК ), показали, что два бактериальных отдела, Бактероидеты и Фирмикуты (Bacteroidetes & Firmicutes), составляют более 90% известных филогенетических категорий и доминируют в микробиоте дистального отдела кишечника. В соответствующем исследовании ученые сфокусировались на 16S рДНК, учитывая ее универсальное распределение среди всех прокариот и надежность для определения филогенетических связей. Образцы слизистой оболочки и фекалии были получены от трех здоровых взрослых субъектов (А, B, С), которые были частью более крупного популяционного исследования «случай-контроль». Образцы слизистой оболочки были получены во время колоноскопии из здоровых участков в шести основных отделах толстой кишки человека: слепая кишка, восходящая толстая кишка, поперечная толстая кишка, нисходящая толстая кишка, сигмовидная кишка и прямая кишка. Образцы фекалий отбирали у каждого субъекта также через 1 месяц после колоноскопии (итого было взято по 7 образцов от каждого субъекта). Исследователи, как было сказано выше, сфокусировались на 16S рДНК. 16S рДНК амплифицировали из образцов с полимеразной цепной реакцией (ПЦР ) и бактериальными и архейными праймерами широкого спектра действия. Семь образцов от субъекта B и образец фекалий от субъекта C дали археальные продукты; Все 21 образец дал бактериальные продукты. Продукты ПЦР были клонированы и секвенированы в двух направлениях, и были применены численные экологические подходы.

Из 395 бактериальных филотипов 244 (62%) были новыми, а 80% представляли последовательности из видов, которые не культивировались. Большинство предполагаемых организмов были членами Firmicutes и Bacteroidetes, что согласуется с другими молекулярными анализами кишечной флоры (1 , 2 , 4 ). Тип Firmicutes состоял из 301 филотипа, 191 из которых были новыми; большинство (95%) последовательностей Firmicutes были членами класса Clostridia. Исследователи обнаружили значительное количество Firmicutes, связанных с известными бутират-продуцирующими бактериями (2454 последовательности, 42 филотипа), все из которых являются членами кластеров клостридий IV, XIVa и XVI. Мы ожидали заметного представления этой функциональной группы среди наших здоровых контрольных субъектов, учитывая ее роль в поддержании и защите нормального эпителия толстой кишки. Большие различия между 65 филотипами Bacteroidetes были отмечены между субъектами, как описано ранее (, ). B. thetaiotaomicron был обнаружен у каждого субъекта и данный вид, как известно, участвует в полезных функциях, включая всасывание питательных веществ и созревание и поддержание эпителиальных клеток. Относительно небольшое количество последовательностей было связано с типами Proteobacteria, Actinobacteria, Fusobacteria и Verrucomicrobia. Низкое содержание последовательностей протеобактерий (включая Escherichia coli) не было неожиданным, учитывая, что факультативные виды могут представлять около 0,1% бактерий в строгой анаэробной среде толстой кишки; это согласуется с предыдущими результатами (, 3 , ).

Б) Метагеномное секвенирование

По материалам Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C, et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010;464:59-65.

Метагеномное секвенирование представляет собой мощную альтернативу рРНК-секвенированию для анализа сложных микробных сообществ. Применительно к кишечнику человека, такие исследования уже к 2010 г. сформировали около 3 Гб (Гб - здесь Гигабаза = 1 млрд. пар нуклеотидов ) микробной последовательности из образцов фекалий 33 человек из США или Японии. Так, для получения более широкого представления о генах микробов кишечника человека авторы очередного исследования из проекта MetaHIT ("метагеномика кишечного тракта человека" - Metagenomics of the Human Intestinal Tract) использовали технологию Illumina Genome Analyzer (GA ) для проведения глубокого секвенирования общей ДНК из образцов фекалий 124 взрослых европейцев. Они сгенерировали 576,7 Гб последовательностей, что почти в 200 раз больше, чем во всех предыдущих исследованиях, собрали ее в контиги (contigs) и предсказали 3,3 миллиона уникальных открытых рамок считывания (ORF ). Этот каталог генов содержит практически все распространенные гены микробов кишечника в когорте MetaHIT, дает широкое представление о функциях, важных для бактериальной жизни в кишечнике, и указывает на то, что многие бактериальные виды являются общими для разных людей. Результаты также показывают, что кратковременное метагеномное секвенирование может быть использовано для глобальной характеристики генетического потенциала экологически сложных сред.

Общее бактериальное ядро

Глубокое метагеномное секвенирование дает возможность исследовать существование общего набора видов микробов (общего ядра) в когорте. Для этой цели авторы использовали нередуцированный набор из 650 секвенированных бактериальных и археальных геномов. Они выровняли показания Illumina GA каждого микробного образца кишечника человека по набору геномов, используя 90%-ный порог идентичности, и определили долю геномов, охваченных чтениями, которые выровнены только по одной позиции в наборе. При охвате 1%, который для типичного кишечного бактериального генома соответствует средней длине около 40 кб , что примерно в 25 раз больше, чем у гена 16S, обычно используемого для идентификации видов, исследователи обнаружили 18 видов у всех идивидуумов, 57 в ≥90% и 75% ≥50% людей. При 10% охвате, требующем ~ 10-кратного увеличения численности в выборке, ученые все же обнаружили 13 из вышеуказанных видов у ≥90% индивидуумов и 35 у ≥50%.

Когда накопленная длина последовательности увеличилась с 3,96 Гб до 8,74 Гб и с 4,41 Гб до 11,6 Гб для используемых образцов MH0006 и MH0012 (156,9 Мб и 154,7 Мб), соответственно, число штаммов, общих для двух образцов при пороге охвата 1%, увеличилось на 25%, с 135 до 169. Это говорит о существовании значительно большего общего ядра, чем то, которое мы могли бы наблюдать на глубине последовательности, обычно используемой для каждого человека.

Изменчивость численности микробных видов у индивидуумов может сильно повлиять на идентификацию общего ядра. Чтобы визуализировать эту изменчивость, исследователи сравнили количество считываний секвенирования, выровненных по разным геномам у людей из их когорты MetaHIT. Даже для наиболее распространенных 57 видов, присутствующих у ≥90% индивидуумов с охватом генома >1%, межвидовая изменчивость варьировала от 12- до 2187 кратной (рис. 4 . ). Как и ожидалось, Bacteroidetes и Firmicutes имели наибольшую численность.

Дополнительный материал

БАКТЕРОИДЕТЫ, ФИРМИКУТЫ и ДРУГИЕ

Знания, полученные в течение более чем столетия изучения микробиоты желудочно-кишечного тракта человека, показали, что эта экосистема действительно является «забытым органом». Множество данных о микробиоте ЖКТ сильно разбросано во времени, а потому обзорная работа по систематизации знаний в этой области крайне необходима. И такая работа есть. В ней после анализа научной литературы (конца IXX - нач. XXI века) даны систематический обзор и подробные ссылки на 1057 микробных видов кишечника.

На нашем сайте небольшая часть указанного обзора включена в раздел о бактероидетах и фирмикутах. Данный выбор не случайный и продиктован растущим интересом к доминирующей кишечной микрофлоре, к которой относятся представители Firmicutesи Bacteroidetes, а также произошедшей за последнее время переклассификацией ряда отдельных иерархических групп и видов кишечных микроорганизмов. Подробнее см. здесь :

Представлено также микробиоты желудочно-кишечного тракта человека, в котором явно выделяются упомянутые фирмикуты и бактероидеты. Известно, что соотношение Firmicutes к Bacteroidetes отличается у тучных и худощавых людей, и эта доля уменьшается с потерей веса на низкокалорийной диете. Поэтому разумно предположить, что увеличение у людей, вероятно, вызванное их высококалорийной диетой, может считаться полезным биомаркером ожирения.

Также дополнительно представлен графический обзор относительного обилия ключевых типов состава кишечной микробиоты человека на разных этапах жизни. Данные взяты из исследований со следующими условиями: грудное и искусственное вскармливание, детское твердое питание, антибиотики для малышей, здоровый или истощенный малыш, взрослые, пожилые и 100-летние здоровые и взрослые, страдающие ожирением.

Пища для кишечной микробиоты

Питание и конфигурация кишечного микробиома

Со времени возрождения микробиомных исследований в последнее десятилетие накопилось много знаний о силах, формирующих архитектуру и функциональность резидентных микроорганизмов в кишечнике человека. Из множества вовлеченных эндогенных и экзогенных факторов, связанных с хозяином, основным детерминантом структуры и функционирования сообщества микробиоты кишечника является питание. Вводя пищевые сигналы в связь между хозяином и его микробиотой, питание поддерживает гомеостаз или способствует восприимчивости к болезням. Микробиота модулирует патогенез, прогрессирование и лечение заболеваний, начиная от метаболических нарушений до неврологических патологий. Изменение формы взаимодействия хозяина и микробиоты посредством персонифицированного питания является новым терапевтическим направлением как для борьбы с болезнями, так и для их профилактики. Состав и функция микробиоты кишечника формируется с младенчества, и в дальнейшем на нее оказывают сильное влияние многие факторы окружающей среды, из которых диета - является ключевым детерминантом конфигурации микробиоты , посредством модуляции обилия конкретных видов и их индивидуальных или коллективных функций. Кроме того, воздействие конкретного рациона питания на отдельных людей в популяции отличается от человека к человеку и может зависеть от сочетания особенностей хозяина и микробиома, причем последнее влияние в основном определяется окружающей средой, а не генетическим фоном, и поэтому потенциально более поддается вмешательству. Понимание того, как диетические питательные вещества модулируют микробиом кишечника, представляет большой интерес для разработки пищевых продуктов и моделей питания для борьбы с глобальным бременем неинфекционных заболеваний . Современные исследования показывают, что пищевые волокна , включая арабиноксиланы, галактоолигосахариды, инулин и олигофруктозу, способствуют развитию ряда полезных бактерий и подавляют потенциально вредные виды. Доклинические данные свидетельствуют о том, что количество и тип жира модулируют как полезные, так и потенциально вредные микробы, а также соотношение / в кишечнике. Клинические и доклинические исследования показывают, что тип и количество белков в рационе также оказывает существенное и дифференцированное влияние на микробиоту кишечника. То же относится к витаминам, микроэлементам, минералам, полифенолам, пищевым добавкам и т.д.

О важности оси "диета-микробиом-хозяин" см. по ссылкам :

• Роль диетических питательных веществ в модуляции микробиоты

Из истории изучения микробиома

Первые результаты проекта HMP

Human Microbiome Project

Начальная цель проекта - расшифровка 900 полных геномов микробов, представленных простейшими одноклеточными животными, бактериями и археями, однако даже это количество, в конечном итоге, будет лишь малой толикой информации о всех микробах, живущих в человеческом теле, которые и составляют так называемый "МИКРОБИОМ" .

Проект "Микробиом человека" является логическим развитием проекта "Геном человека", целью которого является полная расшифровка человеческого генома. Несмотря на то, что проект стартовал в 1990 году, а первый полный геном человека был опубликован в 2003-м, этот проект до сих пор не завершен, так как нерасшифрованными остаются некоторые участки человеческой ДНК.

Пять ключевых мест человеческого тела, а именно: кишечник, полость рта, дыхательные пути, кожные покровы и мочеполовая система, обильно населены различными видами микробов. В связи с этим они играют важную роль в поддержании иммунитета, обмена веществ, пищеварения и других функций.

Пищеварительный тракт - пристанище большинства наших микроскопических сожителей, именно здесь находится микробиом человека. То есть кишечный м икробиом - это то, что прежде называлось микрофлорой кишечника.

Сейчас, с началом масштабных геномных исследований самых разных бактериальных сообществ (например, некоторых участков дна океанов, сточных вод и пр.), название микробиом стало более популярным. Оно подразумевает совокупность не столько самих микробов, сколько всех микробных генов, оказывающих влияние на среду, в которой они существуют. Человеческий организм - это тоже среда обитания микробов...

НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА БИОЛОГИЮ ЧЕЛОВЕКА

Итоги проекта «Микробиом человека»

Консорциум американских ученых в 2012г. опубликовал результаты пятилетней работы над проектом Национальных институтов здоровья "Микробиом человека" (Human Microbiome Project). В работе над проектом Микробиом человека приняли участие около 200 ученых из 80 мультидисциплинарных исследовательских институтов. Общая стоимость исследования составила 173 миллиона долларов.

Целью проекта было охарактеризовать все микробы, присутствующие в организме человека, для чего ученые взяли образцы тканей из 15 мест на теле 129 мужчин и из 18 мест у 113 женщин. Все добровольцы - здоровые люди в возрасте от 18 до 40 лет - предоставили по три образца слизистой с внутренней стороны щек, носа, кожи за ухом и локтевого сгиба, а также фекальные пробы.

По результатам генетического анализа биоматериала было установлено, что в человеческом организме обитает свыше 10 тысяч видов различных микробов. Как утверждают авторы исследования, такое разнообразие микробиома обеспечивает человека гораздо большим количеством генов, чем можно было представить. Так, если в геноме человека содержится 22 тысячи генов, кодирующих белки для регуляции метаболизма, микробиом добавляет еще около восьми миллионов уникальных бактериальных генов.

«Вопрос о том, как индивидуальные вариации типов бактерий среди здоровых людей влияют на возможное развитие болезней, пока остается открытым», - комментирует один из членов консорциума Энтони Фодор (Anthony Fodor).

Оказывается, почти у каждого человека в теле содержится низкое количество вредоносных видов бактерий, патогенных микроорганизмов, которые уже стали известны из-за причиняемых ими инфекций. Но когда человек здоров, как и те 242 взрослых американца, которые добровольно прошли тестирование в проекте, эти микроорганизмы спокойно сосуществуют с полезными микробами, которые в свою очередь «держат их в узде».

Следующий момент, который хотят выяснить врачи - почему патогенные микроорганизмы вредят некоторым людям и одновременно не влияют на других? Какие изменения происходят в микросреде человека, которые приводят к риску различных заболеваний от инфекций синдрома раздраженного кишечника до псориаза?

Все эти и многие другие вопросы ставились перед учеными, участвующими в одном из самых масштабных проектов Национального института здоровья в США. Полученные результаты уже меняют взгляды ученных на то, каким образом люди остаются здоровыми и наоборот - болеют.

«Это совершенно новый взгляд на биологию человека и человеческие болезни, и это впечатляет», - прокомментировал доктор Филипп Тарр из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, один из ведущих ученых в $ 173-милионном проекте, который финансируется Национальным институтом здоровья США.

«Эти бактерии не являются «пассажирами» в нашем теле, - подчеркнул Тарр, - они метаболически активные. Они, как сообщество, и мы должны считаться с ними так же, как мы считаемся с экосистемой леса или воды. И так же, как и в экосистемах окружающей среды, состав микробов на каждой части вашего тела разный. Ваша кожа, например, сравнима с тропическими лесами, а кишечник изобилует различными видами микроорганизмов, как океан.

Ученым уже давно известно, что в человеческом теле сосуществуют триллионы отельных бактерий. Это называется микробиомом человека. До сих пор проводились исследования только тех микробов, которые являлись причиной разных заболеваний. Вы можете вспомнить, как часто медики говорят, что каждый третий человек является носителем золотистого стафилококка (в носу, или на коже), которым может заразить и других. Но никто не знает все виды микроорганизмов, которые населяют тело здорового человека, где именно они находятся и как влияют на наш организм. Около 200 ученых из 80 научных исследовательских организаций работали вместе в течении пяти лет над самой первой в истории переписью, для того чтобы ответить на эти вопросы, разгадывая ДНК микроорганизмов с помощью одного из методов, который используется для расшифровки генетики человека. Результаты этих исследований были напечатаны в серии отчетов в журналах Nature и Public Library of Science .

Сначала ученые должны были собрать образцы тканей с разных участков тела человека - рта, носа, некоторых участков кожи, влагалища у женщин и с кала. Затем они отделили ДНК бактерий от ДНК человека и начали анализ сложных бактерий: лактобациллус, стрептококк, коринебактерии.

«Каждая клетка человеческого тела является «домом» для около 10 бактериальных клеток, но они насколько микроскопические, что общая масса всех микроорганизмов составляет от 1 до 3-х процентов массы тела человека», - объяснил доктор Эрик Грин из Национального Центра Исследований Человеческого Генома в Национальной Организации Здравоохранения США (NIH). Это значит, что человек весом 90 кг содержит в себе до 3-х кг бактерий.

Человеческий геном содержит около 22 000 генов. Но, по оценкам нового проекта, микробы наделяют наш организм еще большей силой, равной 8-ми миллионов генов. Гены бактерий выполняют определенную работу по отношению к нашему организму. Некоторые из них играют важную роль для здоровья и развития человеческой клетки, в которой они содержатся, как рассказал доктор Брюс Биррен, другой исследователь проекта. Гены кишечной бактерии, например, расщепляют некоторые белки и жиры. А также они вырабатывают полезные соединения, которые борются с разного рода воспалениями. И еще, ученые обнаружили, что не существует какого-то основного состава микроорганизмов, которые выполняют определенные функции, это могут делать разные сочетания бактерий.

ОТЛИЧИЕ МИКРОБИОМА СРЕДИ ЭТНИЧЕСКИХ ГРУПП

Небольшое отступление. В 2018 г. ученые обнаружили 12 конкретных типов бактерий, которые регулярно варьируются в изобилии в зависимости от этнической принадлежности. Поскольку этническая принадлежность захватывает многие факторы, начиная от диеты до генетики, трудно сказать, почему это так, сказал Эндрю Брукс (Andrew Brooks), докторант университета Вандербильта (Vanderbilt University) в Институте генетики Вандербильта, который проанализировал данные, предоставленные американским проектом Gut (American Gut Project) и проектом микробиома человека (Human Microbiome Project). Но это основа для понимания здоровых различий в микробиомах между людьми...

«Каждый человек имеет разный состав бактерий в организме, при этом, они организованы так, чтобы выполнять определенные функции», - сказал Биррен. Вполне возможно, что наш образ жизни и окружающая среда стимулировала появление такого рода механизма, который работает на нас.

На данный момент проводятся исследования, которые бы показали, как отличается состав микроорганизмов у человека с определенной болезнью от здорового человека с дальнейшей целью профилактики и лечения заболеваний.

Рассмотрим, например, желудочно-кишечный сверхинфект (бактерии, устойчивые к воздействию антибиотиков, к ним относится также золотистый стафилококк), которым часто заражаются люди, пребывающие в больнице и от которого иногда умирают. Филипп Тарр (Вашингтонский университет) хочет узнать, какой состав из кишечных бактерий может предотвратить поражение ЖКТ дизбактериозом, или же уменьшить его пагубное действие и выяснить, кто из людей более подвержен заражению.

Исследователи Медицинского колледжа Бейлора сообщили, что бактерии, которые находятся во влагалище беременной женщины, имеют свойства меняться во время протекания беременности, возможно для того, чтобы создавалась наиболее благоприятная здоровая среда при рождении ребенка. Предыдущие исследования также показали, что состав бактерий у детей, которые принимались традиционными родами, отличается от бактерий детей, которые рождались с помощью кесарева сечения. Это объясняет, почему кесарево сечение повышает риск заражения ребенка некоторыми инфекциями.

«Каждая новая информация становится шокирующей для нас, потому что она показывает как много еще нужно работать над тем, чтобы понять тот мир, который существует внутри нас», - отметил специалист по инфекционным заболеваниям доктор Дэвид Рэльман (Стэнфордский университет), который написал обзор по результатам этого проекта в журнале Nature.

Например, в проекте принимали участие в основном белокожие добровольцы, живущие в округах Хьюстона и Сэнт Льюиса. Д-р Рэльман отметил, что нужно будет еще проделать большую работу над определением микробиома людей с разной расовой принадлежностью, этнического и географического происхождения. Есть также много открытых вопросов касательно того как эти микробы взаимодействуют с генетикой человека.

«Мы, по сути, совсем не осведомлены о том какие функции обеспечивает микробная экосистема, которая находится внутри нас и как она влияет на наше здоровье», - отметил Рэльман.

ВИДЕОЛЕКЦИЯ О МИКРОБИОМЕ

Рассказывает Константин Северинов - доктор биологических наук, заведующий лабораторией регуляции экспрессии генов элементов прокариот Института молекулярной генетики РАН, заведующий лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов Института биологии гена РАН, профессор Университета Ратгерса (США), профессор Сколковского института науки и технологий (SkolTech)

Константин Северинов:

"Самый большой орган в нашем организме не печень и не мозг, а микробы, которые образуют т.н. микробиом…" (