ReminderНаука

Микробиом: как полюбить полчища населяющих нас бактерий

Триллионы микроорганизмов — наши случайные соседи. На что они влияют и как мы можем повлиять на них?

Многие представления, сформированные нашими органами чувств, обманчивы. И этот обман открывается нам постепенно, по мере развития науки и технологий.

Долгое время люди считали, например, что солнце и звезды вращаются вокруг меня Земли, потому что это казалось очевидным. Законы физики Ньютона тоже были очевидны, пока Альберт Эйнштейн не показал, что они работают лишь в привычном нам мире — с низкими скоростями и видимыми нам размерами. В масштабах Вселенной или элементарных частиц действуют иные законы: физика Ньютона — их частный случай, и мы не могли этого понять, пока не появились более точные измерительные инструменты и современные математические теории.

Примерно такой же переворот происходит сейчас и с пониманием устройства биологического организма. От очевидной модели, которая предполагала, что мы состоим из внутренних органов и тканей, а они — из клеток, наука переходит к модели, в которой человек и все другие живые организмы — это системы, включающие себя как собственные клетки, так и живущие рядом с ними клетки множества других существ: бактерий, грибов, архей, и даже не совсем существ — если иметь в виду вирусы. Все вместе они называются микробиомом.

Число этих соседей, населяющих наши организмы, сопоставимо с числом наших собственных клеток. Они играют настолько важную роль в нашей жизнедеятельности, что даже удивительно, как мы умудрялись объяснять происходящие внутри нас процессы, лечить болезни, разрабатывать диеты, изучать психологию без учета этого соседства.

Только в последние 20 лет ученые смогли в полной мере оценить масштаб взаимодействия с микробами, которые не только не убивают нас, но и дают нам суперсилы. Они тренируют наш иммунитет, помогают усваивать питательные вещества, поставляют провиант клеткам организма, защищают от опасных бактерий и вирусов извне и делают много чего другого.

В этом отчете вы найдете:

• самые важные научные факты о микробиоме;
• 10 полезных советов;
• актуальные вопросы и ответы;
• личный опыт одного из наших экспертов.

А в самом конце — ссылки на тщательно отобранные источники, знакомство с которыми позволит вам досконально разобраться в теме.

Знакомство

Кого у нас больше: клеток или микроорганизмов? Соотношение собственных человеческих и микробных клеток — примерно 1 : 1,3. У человека весом 70 кг около 30 трлн человеческих и порядка 39 трлн микробиотических клеток.

Если учесть, что от 70 до 85% наших собственных клеток — это эритроциты, у которых в отличие от обычных клеток нет ни ядра, ни митохондрий, то микроорганизмы окажутся в явном преимуществе. Популяризаторы науки любят шутить, что каждый раз, когда вы идете в туалет, вы становитесь чуть-чуть человечнее.

Зато микробы меньше клеток в размерах: вместе на них приходится до 2 кг вашего веса (по другим оценкам — и вовсе 0,2 кг).

СЛОВА. Совокупность микроорганизмов, живущих внутри и на поверхности нашего тела, называется микробиота. Микробиом — это все гены этих микроорганизмов. Впрочем, оба термина часто используют как синонимы.

Еще интересные факты

• Двое любых людей имеют 99,5% общих генов, но всего 25% одинаковых кишечных бактерий. По какой-то причине населяющие вас микроорганизмы любят именно вас, а не коллегу или родственника. Возможно, именно поэтому с диетами всегда так сложно: нет какой-то схемы питания, которая гарантирует большинству людей снижение веса. Даже однояйцевые близнецы могут реагировать на одну диету по-разному.
• Всего человека населяют более 10 000 видов микроорганизмов — такова оценка ученых из Проекта «Микробиом человека» (Human Microbiome Project) — крупнейшей исследовательской инициативы в этой области. Это сопоставимо с числом видов птиц (10 000) и рыб (35 000), известных науке.
• Среди генов, регулирующих обмен веществ в нашем теле, большая часть — микробные, а не наши собственные. «Гены нашего микробиома представляют собой в сущности второй геном, который усиливает активность нашего собственного, — говорит микробиолог из Калтеха профессор Саркис Мазманян. — Людьми нас делает комбинация микробной и человеческой ДНК».

Картина мира

Бактерии — самые древние существа на планете. Только задумайтесь: первые два с лишним миллиарда лет с момента появления жизни Землю населяли одноклеточные организмы, которые ни на минуту не переставили эволюционировать и совершенствоваться. На этой диаграмме (вы можете в деталях разглядеть ее здесь) видно, как постепенно от простейших организмов отделялись более сложные создания. При этом бактерии живы до сих пор, а все мы в каком-то смысле — их прямые потомки.

Откуда берутся эти полчища микроорганизмов?

В каком-то смысле они наследуются. До рождения мы стерильны, но когда ребенок проходит по родовым путям, он получает своих самых первых микробов, «собирая» их во влагалище матери и из ее испражнений, сопровождающих роды. Эти бактерии очень важны для нового человека — ученые иногда сравнивают эту порцию микроорганизмов с «термостатом для иммунитета», помогающим настроить защитную систему организма.

Второй в нашей жизни источник необходимых микробов — материнское молоко: из него дети до 6 месяцев получают 28% своего микробиома. Еще 10% перебираются с кожи матери, а остальное мы постепенно приобретаем из окружающей среды. Процесс развития микробиома идет достаточно быстро, и к 2-3 годам, как считается, состав бактерий на и в теле человека стабилизируется. На него можно влиять (об этом — в 3-й части статьи), но таких больших изменений, как в детстве, он уже не претерпевает.

Где они и какие?

Бактерии не распределены по телу равномерно — и плотность, и состав микробного «населения» различается от одного органа к другому. Настолько, что микробные сообщества будут разными даже на пальцах правой и левой руки или на зубах и в слюне. Более того, численность бактерий на той или иной части тела необязательно коррелирует с их многообразием — бывает ровно наоборот. К примеру, у нас под мышками и на лбу обитает многочисленное, однако относительно гомогенное сообщество. А вот на ладонях и предплечьях численность колоний не слишком высока, но зато там много разных видов.

Это разнообразие по-прежнему озадачивает. Наблюдения показывают, что здоровый человек служит домом для многих видов бактерий, которые вообще-то вызывают опасные болезни. Например, на слизистой ноздрей у нас преспокойно проживает золотистый стафилококк, причина воспалений различной тяжести, вплоть до остеомиелита и сепсиса, а в кишечнике сидит клебсиелла — возбудитель пневмонии и урогенитальных инфекций.

Эти и другие потенциальные патогены умудряются сосуществовать с нами, не причиняя вреда. Исследователи предполагают, что «развернуться» им мешают толпы соседей — все вместе микробы находят некий баланс, позволяющий им не поубивать друг друга и нас заодно.

Значение микробиома для нас настолько велико, что ученые называют его новым (а некоторые — забытым) органом, почти таким же важным, как мозг или сердце. Без него мы были бы неспособны усваивать витамины и питательные вещества, совсем иначе вели бы себя и непредсказуемо реагировали бы на инфекции.

Вполне возможно, что дальнейшее изучение микробиома — вкупе с новыми генетическими технологиями — приведет к настоящей революции в медицине. Но даже то, что известно сейчас, уже может помочь нам изменить свою жизнь.

Микробиом и наше здоровье

Как вы уже догадались, они тесно связаны. Вот несколько основных мыслей, которые помогут понять, как именно.

• Бактерии и прочие обитатели нашего тела — живые существа, им нужно питание. Бактерии, живущие в кишечнике, могут питаться тем, что — буквально — остается от нашей пищи. Главный продукт для них — клетчатка (пищевые волокна). Этим термином называют целую группу веществ, содержащихся в растениях: они не перевариваются в желудке и достаются бактериям. Разным бактериям может быть нужна разная пища — именно поэтому от разнообразия питания зависит разнообразие микробиома в кишечнике.
• Как и любые другие существа, бактерии выделяют продукты жизнедеятельности — метаболиты. Они могут оказывать самое разное воздействие на организм человека. Так, животные и растения не вырабатывают ферменты для синтеза витамина В12, но зато это делают бактерии. Это полезное свойство. А вот обратный пример. После потребления животных жиров, включая яйца, красное мясо и жирные молочные продукты, в организме производятся холин, лецитины и карнитин. Кишечные бактерии превращают их в триметиламин, из которого затем в печени образуется триметиламиноксид (ТМАО) — вещество, способствующее развитию атеросклероза и других сердечно-сосудистых заболеваний.
• Бактерии также выделяют сигнальные молекулы, которые воздействуют на среду обитания. Всем знакомы сигналы, которые наш организм посылает, когда хочет есть и когда наелся, — их связывают с действием гормонов голода и насыщения. В последние несколько лет появляется все больше свидетельств того, что бактерии могут производить белки, схожие с нашими гормонами. Есть и указания на то, что бактерии могут заставить хозяина предпочитать ту или иную пищу в зависимости от нужных им веществ. Возможно, это их эволюционный инструмент: они управляют пищевым поведением хозяина, чтобы выживать, и иногда делают это в ущерб его фигуре.

FUN FACT. В одном из экспериментов бактерии E.coli «сообщали» о том, что им больше не требуется энергия: в течение 20 минут после начала кормления они размножались, а когда размножение прекращалось, они начинали производить белок, схожий по действию с «гормоном насыщения». Другая группа ученых нашла вырабатываемый бактериями пептид, из-за которого мыши ели меньше и наедались быстрее.

Бактерии и мозг

То, что кишечные бактерии воздействуют на происходящее в кишечнике, более или менее логично. Но наш ум, настроение, поведение — все, что составляет нашу личность, — они-то, по крайней мере, человеческие? Необязательно.

Состояние кишечной флоры существенно влияет на то, что происходит у нас в голове. Несколько исследований показали, что «стерильные», рожденные и живущие в безмикробной среде, мыши ведут себя не так, как обычные, — они более подвижные и наглые. А у людей некоторые кишечные бактерии производят вещества, симулирующие действие ГАМК (гамма-аминомасляной кислоты), которая служит тормозным нейромедиатором ЦНС. Предполагают, что эти бактерии могут вносить свой вклад в развитие депрессии.

В англоязычной литературе связь между кишечником и мозгом называется gut-brain axis. Это целая система, включающая нейроны, гормоны, иммунные клетки и химические соединения, производимые бактериями, которые передают сигналы от ЖКТ к мозгу и обратно. В каком-то смысле это VIP-пропуск микробиома в мозг, — что неудивительно, учитывая огромную площадь эпителия кишечника, количество живущих здесь микроорганизмов и число нейронов, которых тут больше, чем в спинном мозге.

FUN FACT. Площадь эпителия кишечника человека — около 32 кв. м. Это в 15-20 раз больше площади поверхности кожи.

Главный канал коммуникации между кишечником и мозгом — блуждающий нерв, но в передаче также участвуют иммунная и эндокринная системы. Сигналы от микробиоты передаются с помощью ее метаболитов — короткоцепочечных жирных кислот (short-chain fatty acids, SCFA) вторичных желчных кислот и др. Большинство этих молекул активируют нервные окончания в самом кишечнике, но некоторые из них проникают в кровь, проходят гемато-энцефалический барьер и вызывают соответствующие реакции мозга.

Вот несколько примеров.

• Бактерии могут вырабатывать нейротрансмиттеры, включая уже упомянутую ГАМК, норадреналин, серотонин, дофамин, ацетилхолин и другие. Эти вещества влияют на наше настроение, концентрацию, уровень тревоги и мотивацию.
• Реакция на стресс — одна из функций, в которую вовлечен микробиом: стресс может менять состояние кишечной флоры, а та в свою очередь воздействует на уровень гормона кортизола. Уровень «стрессовых» гормонов связывают с памятью, обучаемостью и т.п. Так что в теории (пока это не доказано наверняка) нарушения в микробиоме способны влиять на когнитивные способности.
• Этот вывод подтверждается многими исследованиями, которые показали связь между кишечником и нейродегенеративными процессами: нарушение баланса кишечной флоры запускает воспаление, а оно увеличивает вероятность развития болезни Альцгеймера. Ученые настаивают на том, что при терапии заболевания следует обращать внимание на диету пациентов.
• Многочисленные публикации также указывают на корреляцию между состоянием кишечной микробиоты — стабильностью и составом бактерий — и настроением человека, его отношением к себе, тревожностью и депрессией. Какие именно механизмы действуют при развитии депрессии, в точности неизвестно (объяснения включают серотонин, дофамин и бутираты), но похоже, что симптомы тревожности действительно можно уменьшить через регуляцию кишечной флоры.

Бактерии и долголетие

Эксперименты с плодовыми мушками показывают, что пища, богатая пробиотиками и пребиотиками, сокращает признаки старения и увеличивает жизнь: в случае мушек, живущих 6 недель, — на 60%.

FUN FACT. Результаты опытов с плодовыми мушками часто используют, чтобы провести параллель с человеческим организмом. Это неслучайно: биохимические механизмы у мушек имеют 70% общего с механизмами, действующими в млекопитающих.

Исследование, опубликованное три года назад, обнаружило связь между кишечными бактериями и долголетием у пожилых китайцев: оказалось, что у долгожителей (>90 лет) микробиота разнообразнее, чем у взрослых среднего возраста. Проверка результатов на группе итальянских долгожителей показала, что, несмотря на разное питание и окружающую среду, в микробиоме обеих когорт преобладали считающиеся полезными бактерии Clostridium, Ruminococcaceae, Akkermansia и Christensenellaceae. Их роль, вероятно, состоит в активном производстве короткоцепочечных жирных кислот, помимо прочего участвующих в подавлении воспалительных процессов.

Ряд научных публикаций также связывает физическую и умственную дряхлость у пожилых с пониженным разнообразием кишечных микроорганизмов. Пока достоверно неизвестно, что из этого причина, а что следствие, но возможно, что поддержание разнообразия микробов способно сделать старение более здоровым.