Я – суперорганизм! Человек и его микробиом

Терни Джон

В числе этих задач помощь при пищеварении: переработка неиспользованных компонентов пищи с целью высвобождения энергии частично для самих бактерий, частично же – для нас. Кроме того, они производят для нас целый ряд малых молекул (в том числе витамины), а еще помогают избавляться от самых разных токсинов и метаболизировать многие лекарства.

Самая же заметная их роль (благодаря ей толстую кишку называют вторым желудком) состоит в переваривании сложных углеводов. Растения, трудно поддающиеся разжевыванию, выстраивают свои клетки, используя множество крупных молекул, которые без изменения проходят через желудок и тонкий кишечник. Часть потребляемого нами крахмала, уклончиво именуемая резистентным крахмалом, также избегает расщепления в желудке или тонком кишечнике. Когда этот частично

переваренный или непереваренный материал попадает в толстую кишку, за него берутся тамошние бактерии, которые доделывают работу. Их ферменты помогают расщепить растительный материал на малые молекулы, которые затем можно использовать в наших собственных клетках для выработки энергии. Средний взрослый приобретает таким путем от 10 до 15 % энергии, получаемой с пищей.

Эту бактериальную помощь обеспечивает целый арсенал ферментов, которые умеют справляться с самой разной пищей. Взять хотя бы все известные нам типы пищевых волокон – от овсяных и пшеничных отрубей до сложного углевода инулина, входящего в состав лука, чеснока и спаржи. Растения строят свои клеточные стенки из молекул, от которых требуется долговечность. Эти молекулы создаются путем связывания растворимых сахаров в сложные разветвленные цепочки, которые уже отнюдь не являются растворимыми в воде. Почти все фрукты, овощи и зерновые поставляют в наш рацион вещества, которые достигают толстой кишки без особых изменений.

Над многими из сложных крахмалов и других углеводов, попадающих в нашу пищеварительную систему, совместно трудятся различные виды бактерий. Некоторые микробы, в ходе эволюции приспособившиеся к работе с нами, чрезвычайно хорошо экипированы для того, чтобы справляться с самым неподатливым материалом.

Чемпион в этом смысле (по крайней мере среди микроорганизмов, которые ученые успели изучить подробно) – Bacteroides thetaiotaomicron, вид, обнаруживаемый лишь в кишечнике. Эта бактерия обладает генами для синтеза 260 различных ферментов, помогающих разлагать углеводы. В нашем собственном геноме всего 95 генов, ориентированных на синтез ферментов, хотя ДНК в нем в тысячу раз больше. Оказывается, нам удобнее позволить сверхмногофункциональному микробу проделывать за нас всю остальную работу. Бактерия умеет ловко переключаться между разными комбинациями ферментов в зависимости от того, какая пища в данный момент доступна, реагируя на сочетание питательных веществ, которые потребляет организм-хозяин, на то, какие ферменты вырабатываются клетками хозяина и какие продукты метаболизма могут использовать окрестные бактерии. Набор разнообразных генов, нацеленных на синтез ферментов, дополняется двумя сотнями бактериальных генов, которые, как предполагается, кодируют белки, участвующие в связывании или транспортировке крахмала. Вот вам бактерия, всерьез посвятившая себя перевариванию неперевариваемого. Это своего рода столп микробного сообщества кишечника. Благодаря ей мы извлекаем из пищи больше пользы; кроме того, она помогает другим бактериям, которые используют некоторые из продуктов ее ферментативных процессов для поддержания собственной жизни.

Bacteroides thetaiotaomicron эволюционировала вместе с нами (и другими млекопитающими) в сторону взаимовыгодного сосуществования. Опыты на безмикробных мышах, подвергнутых воздействию B. thetaiotaomicron, показали, что в ее присутствии эпителиальные клетки мышиного кишечника усиливают выработку одного сложного углевода с определенным сахаридным фрагментом на конце цепочки; этот фрагмент бактерия может отсекать и использовать в пищу. То, что эпителиальные клетки вырабатывают молекулы, столь хорошо приспособленные к предпочтениям бактерии, как бы поощряет ее к колонизации кишечника.

На самом деле эти взаимоотношения еще теснее. У взрослой безмикробной мыши меньше (по сравнению с обычной мышью) капилляров в ткани, залегающей под поверхностным слоем кишечника. Введение этого микроорганизма заставляет кровеносные сосуды расти снова, тем самым помогая новому хозяину бактерии абсорбировать питательные вещества, которыми она будет его снабжать, расщепляя при помощи своего арсенала ферментов те углеводы, с которыми иначе не смогла бы справиться пищеварительная система мыши [59] .

59

Xu, 2003.

Вспомним,

что бактерии отлично умеют обмениваться генами. Это один из способов, при помощи которых один вид может приобрести такое огромное количество ферментов, направленных на работу с определенным рационом. Представление о том, как B. thetaiotaomicron получила в распоряжение некоторые из этих ферментов, дает нашумевшая статья 2010 года. Показано, как родственный вид кишечных микробов (представитель рода Bacteroides) некогда заполучил фермент порфориназу от морской бактерии, принадлежащей к тому же роду. Этот фермент часто встречается в кишечном микробиоме жителей Японии, многие из которых регулярно потребляют сложный полисахарид порфиран, входящий в состав водорослей, использующихся для приготовления суши, известного японского блюда. Возможно, рассуждение носит косвенный характер и движется несколько кружным путем, однако вывод очевиден: в Японии (но не в Северной Америке) ген, отвечающий за синтез порфориназы, перенимается микроорганизмами кишечника у морской бактерии, которую человек может потреблять вместе с водорослями.

Легко представить себе аналогичный сценарий и для других растений. Всякая пища, нуждающаяся в ферментативной обработке, наверняка будет поступать в организм (по крайней мере иногда) вместе с некоторым количеством бактерий, которые берутся расщеплять сложные молекулы, с таким трудом синтезируемые растением. Остальное – дело бактериальной генетики. Существуют убедительные доказательства, что в человеческом кишечнике процессы генетического обмена у бактерий происходят гораздо чаще (порой в 25 раз), чем у похожих микробов, живущих где-то еще.

Метаболическая виртуозность кишечных микробов простирается и в другие стороны. Они расщепляют полифенолы, содержащиеся в порошке какао, производя малые молекулы, которые могут оказывать противовоспалительное действие на кровеносные сосуды; поэтому, возможно, темный шоколад весьма полезен (очень приятное предположение). Вообще-то они не только расщепляют. Ферменты микробов помогают вырабатывать многообразные малые молекулы, в том числе витамины В и К, некоторые нейротрансмиттеры, а также основные питательные вещества для клеточной деятельности – скажем, аминокислоты. Некоторые из этих веществ синтезируются нашими собственными клетками, но многие – нет. Согласно приблизительной оценке, часто цитируемой в литературе, целая треть малых молекул, разносимых кровеносной системой по нашему организму, создается в кишечных бактериях [60] .

60

McFall-Ngai, 2013.

Как и для многих разновидностей бактерий, мы мало что выясним, если просто попытаемся перечислить все молекулы, которые они помогают нам производить. Давайте попробуем хотя бы понять, на что способен лишь один тип молекул. Оказывается, на большее, чем вы могли бы себе представить.

Молекулярный промискуитет

«Маленькая молекула с впечатляющей эволюционной историей и хорошим ч/ю ищет партнера. При необходимости может служить источником энергии.»

Нет, молекулы не помещают объявления в газетных разделах знакомств, но некоторые из них все-таки заводят интрижки, устраивая краткие спаривания с целым рядом других. Эти альянсы имеют далекоидущие последствия. Эволюция всегда рада воспользоваться всем, что подвернется под руку; если какая-то небольшая и довольно стабильная молекула долго крутится в системе, эволюция обязательно находит ей новые области применения.

Частично поэтому роль кишечных бактерий далеко не исчерпывается помощью при пищеварении. Они вырабатывают множество малых молекул, которые воспринимаются как сигналы многими нашими клетками, тканями и органами. В результате создаются сети почти неисчерпаемой сложности. Полная карта, отражающая все взаимодействия, походила бы на схему Интернета. Заполучив такую карту, ученые наверняка открыли бы какие-нибудь общие принципы и свойства.