Джессіка Снайдер Сакс - Мікроби гарні та не дуже. Здоров’я і виживання у світі бактерій

що друга велика група кишкових бактерій (Firmicutes) може бути ще більш ефективною у виділенні та розподілі калорій, ніж Bacteroidetes (головним представником яких є B. theta). «Хоча нація, що переїдає, може й не цінувати додаткові калорії та жир, – каже Ґордон, – я чудово уявляю, що в людській історії були тривалі періоди, коли такого роду динаміка означала різницю між голодною смертю і виживанням». Не дивно, що відкриття Ґордона викликали інтерес до можливості, що підправлення нашої кишкової мікрофлори може допомогти скинути зайву вагу в разі ожиріння.

Як додаткове свідчення інші співробітники лабораторії описали, що відбувається, коли миша, заселена монокультурою B. theta, отримує вливання метанотвірного мікроба Methanobrevibacter smithii. Заселені двома культурами миші стають у результаті господарями в сто разів більшої кількості B. theta, ніж були б інакше. Як виявляється, такі метаногени, як M. smithii, значно збільшують ефективність B. theta, живлячись її відходами – воднем та вуглекислим газом – і перетворюючи їх на метан та воду. Без метаногенів накопичення відходів сповільнювало би простий метаболізм B. theta та обмежувало її здатність до розмноження. На практичному рівні таке підвищення ефективності приносить додаткові 15 % накопичення жиру у двічі заселених мишей.

Співробітниця лабораторії Рут Лі також почала масштабне дослідження подібностей і відмінностей у мікрофлорі людей і тварин – цього разу, аби краще зрозуміти еволюційні корені нашого внутрішнього населення. Вона зазначає, що з п’ятдесяти п’яти відомих різновидів бактерій на планеті Земля лише вісім селяться всередині травного тракту тварин, що свідчить про дуже вибіркові відносини. «Наша гіпотеза, – каже вона, – полягає в тому, що ці мікроби еволюціонували разом із нами впродовж мільйонів років».

Згадую нещодавнє фото, на якому вона стоїть над відром із льодом, набитим флаконами з екскрементами тварин Сент-Луїського зоопарку (гепарда, лева, слона, кенгуру, гієни), а також зразками, зібраними її колегою, що проводив дослідження поблизу африканського водопою. «Якщо це правда, що ми, як ссавці, еволюціонували разом із нашою кишковою мікрофлорою, – каже Лі, – то маємо виявити подібності на знак того, що якась давня бактерія проникла всередину якогось давнього предка всіх цих видів і взялася там за діло». Наразі вона знайшла вже багато широких подібностей. Хоча в кишковому тракті ссавців (зокрема, людей) виникають вісім різновидів бактерій, домінують із них тільки три: Bacteroidetes, Firmicutes та Proteobacteria.

Натомість коли Лі аналізує бактерії на рівні роду (категорії, вищої за вид), у ссавців спостерігається доволі багато різних спільних груп. Bacteroides, такі як B. theta, B. vulgatus та B. distasonis, домінують у всеїдних – створінь на кшталт нас із вами, мишей та свиней, що їдять і рослини, і м’ясо. У травоїдних, таких як корови, вівці та кролі, першість належить представникам близькоспорідненого роду Prevotella (P. ruminicola, P. brevis, P. albensis та ін.). Появи саме такого типу відмінностей міг би очікувати еволюційний біолог після того, як нові види ссавців і їхні резидентні мікроби розгалузилися в давні часи з метою дотримуватися різних стилів життя.

Відчиняється нове вікно

Техніки анаеробних культур, розроблені Голдман та Муром, разом із «генетичним підслуховуванням» Ґордона зробили мікрофлору товстого кишечника найкраще зрозумілою з багатьох мікробних екосистем тіла. Однак мінімум 10 % видів мікробів, що населяють наш кишковий тракт, залишалися некультивованими й неописаними. На зорі XXI століття з’явилася ще одна революційна технологія, яка пішла далі у виявленні останніх із них, наших найзагадковіших мікробних мешканців. При цьому вона також збентежила світову медицину, визначаючи бактерії в частинах тіла, що раніше вважалися безмікробними, за винятком випадків серйозного ураження хворобою.

Ця технологія – генетичних зондів бактерій – стала результатом роботи мікробіолога з Іллінойського університету Карла Вéзе. У 1970–80-х роках Везе займався пошуками свого роду генетичного мірила для визначення спорідненості земних бактерій. Учені давно вже шукали кращий спосіб звести організми в родинні групи, аніж групування їх за поверхневими властивостями, такими як зовнішній вигляд та функція, – адже був ризик поєднати докупи мікробів, подібних між собою настільки, як метелики і кажани. Оскільки всі гени з часом накопичують крихітні несуттєві зміни, Везе розумів, що йому потрібен ген, який би був водночас надзвичайно важливим для всіх живих клітин і достатньо складним, аби тонкі варіації в літерах його ДНК можна було використовувати для вимірювання еволюційної відстані. Для свого мірила Везе обрав ген, що кодує надзвичайно важливий сегмент бактеріальної рибосоми (фабрики білків). За допомогою цього гена він відкрив абсолютно неочікуване розгалуження дерева життя – раннє, яке породило окремий рід давніх, схожих на бактерії мікробів, яких він назвав археями. Ці генетично окремі археї зустрічаються переважно в екстремальних умовах середовища, таких як глибоководні термальні та гарячі сірчані джерела, але до них належали й кілька мешканців людського організму, таких як метанотвірні Methanobrevibacter.

Поки Везе перемальовував дерево життя, один із його колишніх аспірантів Норман Пейс усвідомив, що такого ж роду характерний ген можна використати як свого роду відбиток ДНК для визначення безлічі бактерій у зразку середовища, на кшталт ґрунту чи води. Тобто він може розробити ДНК-зонд для пошуку генів бактеріальних рибосом у ґрунті чи воді, використовуючи як мішень ділянку гена, однакову в усіх бактерій. Виділяючи ці гени зі свого зразка, він зможе потім копіювати сегменти тисячі разів за допомогою ПЛР (полімеразної ланцюгової реакції) – тієї самої техніки ампліфікації генів, що використовується в судово-медичних лабораторіях для збільшення генетичних «відбитків», залишених на місці злочину. Після цього можна буде розсортувати його генетичні сегменти за їхніми тонкими відмінностями. Краса цього методу полягала в тому, що він дозволяв Пейсові ідентифікувати бактерії в змішаному зразку, використовуючи літери ДНК одного-єдиного гена, неначе «штрих-код», що було набагато простіше, ніж виділяти та вирощувати окремі види в лабораторії для ідентифікації їх за відмінностями в хімічному складі та зовнішньому вигляді.

До кінця 1980-х років мікробіологи всього світу з ентузіазмом узяли новий інструмент Пейса на озброєння. Зокрема, вони зупинили свій вибір відбитка ДНК на одному гені рибосомної РНК (гені сегменту рибосоми під назвою 16S рРНК). Дуже швидко стало звичною справою секвенувати цей ген для будь-якої бактерії, котру вивчають. Це привело до не баченого раніше збільшення бібліотеки генів 16S, яку можна було використовувати для ідентифікації бактерії так само, як судмедексперти використовують генетичні бази даних для порівняння ДНК з місця злочину і ДНК відомих злочинців.

Найважливіше, мабуть, що генетичні зонди 16S забезпечили перший прямий метод визначення бактерій, які було неможливо виростити в чистій культурі, тобто окремо від переплутаної купи інших мікробів, що допомагають зв’язати їхні природні спільноти. І якщо конкретної характерної рРНК немає в жодній із бібліотек відомих мікробів – еврика! Ви щойно відкрили новий вид. Ще краще, ви можете помістити цей новий вид у загальну споріднену групу, можливо, навіть рід, відшукавши її найближчий відповідник серед добре описаних видів.

Метод генетичних зондів бактерій Пейса відкрив нове вікно у світ мікробіологічних досліджень. У 1986-му, наприклад, він повідомив, що просто неймовірні 99 % у багатьох його зразках ґрунту, багна й води складали раніше невідомі й некультивовані бактерії. Чи не могло те саме стосуватися складних мікробних спільнот, що населяють людське тіло?