Аланна Коллен - 10% Human. Как микробы управляют людьми

Еще несколько десятилетий назад выяснилось, что обитающие в наших телах микробы синтезируют некоторые важные витамины и разрушают плотные растительные волокна, — однако до недавних пор никто в полной мере не понимал, насколько тесно их клетки взаимодействуют с нашими. В конце 1990-х годов микробиологи, использовав средства и методы молекулярной биологии, совершили научный прорыв и сделали множество открытий, которые позволили по-новому взглянуть на наши странные взаимоотношения с микрофлорой.

Технология секвенирования ДНК дает представление о том, какие именно микробы у нас имеются. Если спускаться, ступенька за ступенькой, по иерархической лестнице, которую представляет собой это эволюционное древо, двигаясь от царства к типу, классу, отряду, семейству, и далее — к роду, виду и штамму, то становится понятно: все живые организмы более или менее тесно связаны между собой родством. Если же смотреть снизу, то видно, что мы, люди (род Homo , вид Homo sapiens ), относимся к высшим приматам (семейство Hominidae ), которые наряду с низшими обезьянами принадлежат к большому отряду приматов ( Primates ). Приматы, а также наши пушистые домашние питомцы, лакающие молоко из блюдечка, являются представителями млекопитающих (класс Mammalia ), которые, в свою очередь, входят в группу, объединяющую хордовых — животных, имеющих позвоночник (тип Chordata ). И наконец, если рассматривать всех животных — и позвоночных, и беспозвоночных (вроде знакомого нам кальмара), — то все вместе они образуют царство животных ( Animalia ) и входят в домен (надцарство) эукариот ( Eukaryota ). Бактерии и другие микробы (за исключением вирусов, их рассматривают отдельно от настоящих живых существ) располагаются на других крупных ветвях общего филогенетического дерева, но они принадлежат уже не к царству животных, а к своим особым царствам.

Определять особь до вида и находить ее точное место в классификации живых существ помогает секвенирование ДНК. Один ее фрагмент особенно информативен. Это ген 16S rRNA — своеобразный «штрихкод», позволяющий идентифицировать бактерию, не секвенируя весь ее геном. Чем более схожи коды у генов 16S rRNA, тем теснее родственные связи между соответстующими видами и тем ближе друг к другу они располагаются на «ветках» и «сучках» своей общей генеалогической ветви.

Впрочем, секвенирование ДНК — не единственный источник информации о наших микробах и об их деятельности. Большое подспорье тут и мыши, в частности специально выведенные стерильные — «аксенические», или «безмикробные», лабораторные линии. Первые поколения этих подопытных животных появились на свет с помощью кесарева сечения и содержались в изолированных камерах, что преграждало доступ к их организму любых бактерий — и полезных, и вредных. Впоследствии большинство безмикробных мышей стало рождаться обычным путем, просто от безмикробных матерей; таким образом, появился целый род аксенических грызунов, которых никогда в жизни не населяли и не касались никакие микробы. Даже их пища и подстилки подвергаются облучению и хранятся в стерильных контейнерах, чтобы не заразить животных. Пересадить мышь из одной герметической камеры в другую — целая операция, требующая антисептики и вакуумные насосы.

Сравнивая стерильных мышей с обычными, обладающими полным набором «положенных» микробов, ученые могут установить конкретные последствия обладания той или иной микрофлорой. Можно, скажем, заселить стерильных мышей каким-то одним видом бактерий (или ограниченным набором видов), чтобы выяснить, как именно каждый штамм влияет на биологию мыши. Благодаря этим «гнотобиотическим» (то есть обладающим заранее известной внутренней «живностью») мышам мы получаем представление о том, каким образом микробы воздействуют на нашу жизнь. Разумеется, с мышами сожительствуют не те микробы, что с людьми, и «мышиные» результаты порой разительно отличаются от «человеческих», однако такой научный инструмент позволяет получать немало ценных данных. Без подопытных грызунов медицинская наука развивалась бы в миллион раз медленнее, чем сейчас.

Именно благодаря безмикробным мышам один из крупнейших современных микробиологов, профессор Джеффри Гордон из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, штат Миссури, понял ту роль, которую играет микрофлора в управлении здоровым организмом. Он сравнил внутренности безмикробных и обыкновенных мышей и выяснил, что под управлением бактерий клетки, образующие стенки кишечника мышей, высвобождают особые молекулы, которые «кормят» микробов, как бы завлекая их и предлагая здесь поселиться. Присутствие микрофлоры изменяет не только химическую среду внутри кишечника, но и его морфологию. По «приказу» микробов пальцевидные выросты удлиняются — с тем чтобы площадь поверхности увеличилась и могла усваивать из пищи всю необходимую энергию.

От нашего совместного существования выигрывают не только живущие в нас микробы, но и мы сами. Взаимоотношения с микробами не ограничиваются простой толерантностью к пришельцам: мы их активно завлекаем сами. Понимание этого факта, наряду с секвенированием ДНК и опытами на безмикробных мышах, совершило настоящую революцию в науке. Проект «Микробиом человека», осуществляемый национальными учреждениями здравоохранения США, а также многие другие научные исследования в разных лабораториях по всему миру доказали, что наше здоровье и счастье напрямую зависят от состояния наших микробов.

Человеческое тело и снаружи, и изнутри представляет собой сложный ландшафт, включающий множество сред обитания — таких же разнообразных, как климатические зоны Земли. Подобно тому как экосистемы нашей планеты населены разными видами растений и животных, различные области человеческого тела дают приют совершенно разным микробным сообществам. Как и у всех многоклеточных животных, наше тело представляет собой сложно устроенную трубку. В один конец этой трубки входит пища, а из другого выходят ее остатки. Мы привыкли считать своим наружным покровом кожу, однако внутренняя поверхность нашей «трубки» — тоже, если вдуматься, «наружный» покров, и она сходным образом подвергается воздействию среды. Подобно тому как слои кожи защищают нас от стихий, вторжения микробов и вредных веществ, клетки внутри пищеварительного тракта также призваны нас охранять. Так что наши настоящие «внутренности» — это отнюдь не пищеварительный тракт, а ткани и органы, мышцы и кости, которые скрыты между внутренней и внешней поверхностями нашего трубкообразного тела.

Итак, поверхность человеческого тела — это не только его кожа, но и изгибы, повороты, борозды и складки проходящей внутри его полости-трубки. Если рассматривать тело под этим углом, то даже легкие, влагалище и мочеиспускательный канал можно отнести к внешним покровам — частям поверхности. Неважно, внешние это покровы или внутренние: вся эта поверхность служит потенциальным местом жительства для микробов. Разные места и участки обладают для симбионтов различной ценностью: наиболее густонаселенные, напоминающие мегаполисы сообщества возникают в лучших, самых плодородных — богатых пищевыми ресурсами — местах вроде кишечника, а сравнительно малочисленные группы других видов обосновываются в более бедной ресурсами или в более агрессивной среде обитания — вроде легких или желудка. Проект «Микробиом человека» призван составить полное описание всех этих поселений на основе микробных проб из восемнадцати различных мест на внутренних и внешних покровах человеческого тела. Пробы взяли у сотен добровольных участников эксперимента.