Глава 4. Повсюду микробы
Общая площадь кожи среднего человека – около 2 квадратных метров. Разместите там типичную бактерию, и у нее будет столько же пространства, сколько у одного-единственного человека, живущего на участке, сравнимом по размеру с суммарной территорией всех пятидесяти штатов США[31]. Если применить более привычную нам шкалу, то можно дать такую оценку: потребуется миллион бактерий, чтобы полностью покрыть булавочную головку.
Такая разница в масштабах делает многие исследования нашей микробиоты весьма приблизительными. Если представить себе, что наша кожа действительно кажется бактериям чем-то вроде континента, то можно, развивая этот образ, сказать, что мы хотим узнать не только общую численность микробного населения, но и его географическое распределение. Как мы увидим, площадь внутренних поверхностей тела гораздо больше площади кожи, так что проблема изучения этих областей еще сложнее.
Нынешние ученые могут отбирать пробы отовсюду, куда их допускают испытуемые. Рекордным, вероятно, является одно исследование, в ходе которого удалось проанализировать 400 различных участков кожи одной героически терпеливой четы и сделать довольно представительную перепись микробного населения. Новые научные результаты влекут за собой новые вопросы, так что за каждым очередным изысканием следует новый отбор проб, новый анализ, новые выясненные подробности. Но для того чтобы оценить масштаб суперорганизма, следует первым делом поискать ответ на основополагающий вопрос: «Кто здесь?»
Основополагающий ответ: «Здесь не все». Простое, но важное открытие. Да, ученые недавно узнали об ошеломляющем количестве и разнообразии микробных видов, обитающих в теле и на его поверхности. Однако это разнообразие ограничено. Уместно вспомнить знаменитую микробиологическую максиму, сформулированную голландцем Баасом Бекингом: «Всё есть повсюду, но среда производит свой отбор». В каждую бактерию заложен потенциал вездесущести, однако места, где эти микроорганизмы реально обитают, зависят от конкретных условий среды обитания, в том числе и от присутствия других бактерий.
Допустим, мы объединим данные всех исследований человеческого микробиома, какие когда-либо проводились, и составим общий список обнаруженных в нем бактерий. По оценкам специалистов, на Земле насчитывается от 50 до 100 филумов бактерий (напомним: филум – одна из самых крупных таксономических категорий, она содержит большое количество видов). Иными словами, мы даже толком не знаем, сколько бактериальных филумов существует на свете. Однако нам точно известно, что лишь представители небольшого их числа входят в человеческий микробиом. В нем могут иногда встречаться очень маленькие колонии представителей других филумов, но в целом, похоже, человек сосуществует не более чем с дюжиной бактериальных филумов. И лишь полдюжины из них – доминирующие: их представители составляют 99,9 % общего числа наших бактерий-компаньонов.
Мы знаем, что бактерии стремительно размножаются и потому способны быстро заполнить любую экологическую нишу, какая только им позволит в ней расти. Так что отсутствие у нас представителей большинства филумов показывает, что бактерии грузятся на славный корабль «Homo sapiens» отнюдь не посредством каких-то случайных процессов. Они проходят отбор и контроль. Что ж, этого следовало ожидать от системы, где миллионы лет идет совместная эволюция.
Еще одна находка общего порядка укрепляет нас в этой мысли. Дело в том, что не все микробы обнаруживаются на каждом участке тела. Мы предоставляем бактериям весьма различные среды обитания, и поэтому бактериальное население в них тоже весьма различно. Чтобы получить всестороннее представление о суперорганизме, нужно более пристально вглядеться в эти участки. Но прежде не помешает обратиться к карте человеческого микробиома и к одному международному проекту, организованному в США и как раз направленному на ее создание.
Широкий взгляд
Проект получил название «Микробиом человека», явно намекающее ученым (и спонсорам), что это естественный наследник проекта «Геном человека», ознаменовавшегося громким успехом. Новый проект запустила сеть американских Национальных институтов здравоохранения в конце 2007 года. Предполагалось провести обследование биоматериала, взятого у выборки здоровых добровольцев. Содружество лабораторий изучало биологические пробы, взятые у 242 взрослых, с 15 различных участков тела у мужчин и 18 – у женщин. (Большинство этих мужчин и женщин жили в двух американских городах – Хьюстоне и Сент-Луисе.) Общее количество процедур анализа превысило 11 тысяч, поскольку каждого донора просили в течение 2 лет дважды предоставить соответствующий биоматериал. Примерно из половины образцов выделили базовые последовательности 16S рРНК, которые позволяют идентифицировать типы микробов, но не определяют, какие именно штаммы присутствуют в пробе или каков их конкретный генетический состав. Сравнительно небольшой набор из 681 пробы секвенировали после фрагментирования ДНК на небольшие кусочки; так удалось получить общее представление о том, какие белки способны производить эти микробы. Наконец, для 800 бактериальных штаммов, выделенных из проб этих 242 участников эксперимента, провели полное секвенирование геномов. Всё это обошлось куда дешевле проекта «Геном человека», однако общие затраты составили немалую сумму – 170 миллионов долларов.
Благодаря новейшим технологическим достижениям эта сумма позволила получить больше данных, чем когда-либо получали биологи. Сообщество лабораторий, участвовавших в проекте, собрало в общей сложности 18 терабайт информации – примерно в 5000 раз больше, чем проект «Геном человека». В середине 2012 года первый масштабный анализ этих данных с подобающим триумфальным шумом появился в самых читаемых научных журналах – Nature и Science.
Эти данные позволили подтвердить еще одно важнейшее открытие относительно человеческого микробиома – его необычайную сложность и изменчивость. Картина микробиома здорового американца, нарисованная проектом «Микробиом человека», оказалась широкой во всех смыслах. В общей сложности участники эксперимента несли в себе и на себе более 10 тысяч видов микробов, то есть в соответствующих «человеческих экосистемах» имелось примерно 8 миллионов дополнительных генов – в 360 раз больше, чем собственных генов организма-хозяина. Само огромное количество различных микробов, бьющихся за жизненное пространство в каждом из нас, означает, что результаты вашего микробиологического обследования наверняка будут отличаться от результатов такого же обследования вашего соседа. «Все здоровые люди существенно отличаются друг от друга» – такой вывод сделало сообщество ученых, работавших в рамках проекта «Микробиом человека». Это заключение прозвучало в самом начале их программной статьи-отчета[32]. Как объяснял Роб Найт из Колорадского университета, это означает, что если у какого-то человека есть среди других микробов один в большом количестве, всегда найдется другой человек, у которого этого микроба практически нет.
Следующее важнейшее открытие показало еще одну сторону этого разнообразия. Различные участки тела сильно отличаются друг от друга, в этом нет ничего удивительного. Однако большой неожиданностью стал тот факт, что микробиомные образцы, взятые с одного и того же участка тела разных людей, тоже очень отличаются. Сие открытие не очень-то порадовало организаторов проекта. Проект «Микробиом человека» продвигали среди спонсоров как подобие проекта «Геном человека». Стратеги от науки искренне надеялись, что он даст возможность выявить своего рода универсальный микробиом, точно так же как предыдущий проект выявил универсальную геномную последовательность человека. Такой микробиом стал бы стартовой площадкой для дальнейшей работы по изучению мелких различий между конкретными людьми. Но теперь мы видим, что никакого универсального микробиома нет, а есть лишь огромное множество микробиомов, весьма отличающихся друг от друга. Авторы одной статьи даже временно отказались от строгого языка науки, чтобы объявить: открытие того, что «нет филума, который присутствовал бы на определенном участке организма у всех людей», попросту «сбило их с ног»[33].
Разумеется, можно сгрести все эти данные вместе и вывести коллективный микробиом всех участников того или иного исследования – или всего набора исследований. Так и поступили.
Эти 20 дюжин здоровых взрослых американцев с их 10 тысячами видов микробов[34] на всех стали донорами микробов из ряда мест организма, выбранных отчасти из соображений научного интереса, отчасти же просто из соображений удобства. Девять из этих участков находились во рту или возле него: отбирались пробы слюны, двух видов зубного камня, пробы с поверхности языка, нёба, внутренней части щеки, с десен, миндалин и горла. Четыре участка находились на коже: левый и правый локтевой сгиб, а также заушные складки. При этом сравнительно недоступная нижняя часть пищеварительного тракта с ее куда более значительной микробной нагрузкой была представлена лишь своими выделениями – фекалиями. Микробы из перечисленных мест отбирали у всех участников проекта. Женщины давали еще три вида образцов – из наружного отверстия, из срединной и задней области влагалища.
Полученные результаты подтвердили, что основную часть бактериального населения наших микробиомов составляют представители всего четырех филумов: Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria и Proteobacteria. Первые два преобладают в кишечнике среднего здорового человека, особенно в толстой кишке, хотя Firmicutes можно обнаружить практически во всех остальных местах. Actinobacteria и Proteobacteria в изобилии встречаются во рту; имеются они и на коже.
Пока не очень-то информативно. Каждый из этих филумов содержит в себе большой набор видов. К примеру, Firmicutes (по-английски название звучит трогательно: firm and cute – «очаровательно твердые») – это просто бактерии с относительно твердой внешней оболочкой. Эту черту использовали, чтобы отличить их от хлюпиков Mollicutes (molli в переводе с латыни означает «мягкий»), к которым у меня личный интерес (об этом в главе 5) и у которых практически нет клеточной стенки.
Поэтому не так-то легко оценить значимость результатов, получаемых на первой стадии микробиомных исследований. Гарвардский эпидемиолог Уильям Хейнидж говорит: попробуйте-ка интерпретировать изменение в микробиоме кишечника, когда вам известно лишь, как изменилось соотношение содержания двух бактериальных филумов; по степени информированности вы окажетесь в положении человека, уверенного, что вольер, где живут 100 птиц и 25 улиток, идентичен аквариуму, где обитают 8 рыб и 2 кальмара, ведь оба вместилища содержат вчетверо больше позвоночных, чем моллюсков[35].
Но как только вы спуститесь от уровня филумов пониже, микробное разнообразие может показаться несколько озадачивающим. В рамках проекта «Микробиом человека» удалось обнаружить 1000 видов микробов лишь во рту, 440 – на локтевых сгибах, 1250 – за ушами. Влагалище, как выяснилось, обладает наименее многообразным микробным населением из всех обследованных зон тела: зачастую в нем обитает лишь несколько видов из рода Lactobacillus.
Во всех же прочих местах мы неизменно сталкиваемся с длинным (часто весьма длинным) списком видов, различным даже для довольно небольших участков организма. Так, в каждой из обследованных зон рта имеется микробное население особого состава. На сухих, влажных и маслянистых участках кожи (вы сами знаете, где они у вас располагаются) живет различная микробная флора. Особое микробное население у таких маленьких образований, как волосяные фолликулы или потовые железы. В кишечнике – самом крупном вместилище микробов – имеется множество различных экологических ниш для микробов, но в рамках проекта не планировалось подробно исследовать еще и эту область. Как предостерегал один ученый, полагаться лишь на образцы фекалий для того, чтобы разобраться в кишечной микробиоте, – все равно что пытаться представить себе окраску «феррари», нюхая выхлопные газы.
Столько видов! Их можно перечислить все, но это было бы бессмысленно. Скорее всего в списке нам окажутся хорошо знакомыми лишь немногие названия. На самом-то деле мы больше всего хотим узнать, что все эти микробы делают и каковы особенности их деятельности в разных местах организма, у разных людей, при заболеваниях и в здоровом состоянии. Для этого следует внимательнее вглядеться в наши многообразные микробные ниши, а затем – на перекрывающиеся друг с другом карты, отражающие результаты другого рода исследований. Давайте рассмотрим все наши основные экосистемы по очереди, кратко перечисляя главные их свойства. Самая сложная из них, кишечник, заслуживает отдельной главы (ее номер – 5). Здесь же я обращусь к целому ряду других мест, которые не столь сложны с точки зрения микробной жизни, однако и не обязательно просты. Начнем с той части нашего организма, которую микробы (как и все прочие, кто с нами знакомится) встречают первой, – с кожи.
Чувствовать кожей
Кожа постоянно находится в контакте с бактериями. Кроме того, легко видеть, что на микроуровне она представляет собой весьма разнообразный ландшафт. Вечно влажная среда между пальцами ног, благоприятная для роста грибков, заметно отличается от участков на кончиках пальцев рук, под мышками, в паху или от обширных областей спины.
Некоторые микробы, пасущиеся у нас на коже (отмершие клетки постоянно отшелушиваются от ее внешнего слоя, снабжая микроорганизмы пищей), привлекают к себе внимание из-за того, что делают жизнь человека некомфортной или просто слегка вонючей. К тому же брать пробы с кожи легко. Поэтому кожную микробиоту изучают уже много лет. Как отмечает Джессика Снайдер Сакс в книге 2007 года «Микробы хорошие и плохие» (Jessica Snyder Sachs, Good Germs, Bad Germs), толстый том с вполне современным заглавием «Экология человеческой кожи» вышел еще в 1965 году.
Как и в случае с другими областями тела, это не означает, что мы всё о ней знаем. Например, Staphylococcus epidermis, бактерия, названная по ее излюбленной среде обитания (эпидермису), почти неизменно является колонизатором кожи. Она принадлежит к числу нескольких видов, которые, как долго считалось, вытесняют своих менее невинных конкурентов, в особенности бактерию Staphylococcus aureus, которая часто служит причиной кожных инфекций и еще более неприятных вещей. При этом она может преспокойно жить в носу, не причиняя его владельцу никакого вреда.
Однако эксперименты, с большой тщательностью выполненные в 2012 году на безмикробных мышах, показали, что S. epidermis еще и способствует активации иммунных реакций кожи, необходимых для защиты от патогенов. У мышей присутствие этой бактерии позволяет избежать воздействия Leishmania major, совершенно неродственной ей эукариоты, которая у людей вызывает тропическую лихорадку (лейшманиоз)[36].
Многообразие микробного населения кожи показывает, что бактерий мы избежать не можем. Мы лишь невольно влияем на то, какие микроорганизмы поселяются на нас и в нас. Работа кожи, в отличие от работы кишечника, относительно проста: не пускать внешних микробов внутрь, а внутренних – наружу. Она держит бактерии в узде при помощи двух типов потовых желез. Пот такой соленый не для того, чтобы помогать вам охлаждаться; высокое содержание соли подавляет рост бактерий. Еще один противомикробный щит создают выделения сальных желез.
Впрочем, в областях, где эти железы наиболее активны, тоже имеются микробы. Они способны переносить соленую и кислотную среду или же поедать сальные выделения. Печально известная Propionibacterium acnes считает очень благоприятным для себя низкий уровень кислорода во впадинах сальных желез и обладает целым арсеналом ферментов, позволяющих ей поедать липиды, которые она там обнаруживает. В период полового созревания гормоны заставляют эти железы усиливать секрецию и представители рода Propionibacterium, в том числе P. acnes, начинают усиленно размножаться. Частым следствием этого является acne – угревая сыпь. Впрочем, здесь есть своя компенсация: данная бактерия создает из липидов жирные кислоты, обладающие антибактериальным действием. К несчастью для прыщавых подростков, эти кислоты действуют лишь на другие виды бактерий.
Наряду с этими основными игроками кожа поддерживает существование целого ряда других микробов, а также грибков и клещей (последние – недостаточно микроскопические существа, чтобы описывать их в этой книге). Они различны у разных людей и в разное время. Возможно, кожная микробиота – самая разнообразная и изменчивая в человеческом организме. Наша интуиция готова с этим согласиться, ведь мы контактируем с окружающим миром главным образом через кожу. Каждый из нас обладает своего рода эпидермисовым зверинцем. Это подтверждают многочисленные исследования: так, специалисты показали, что можно идентифицировать человека по составу микробных популяций, которые он невольно переносит с пальцев на компьютерную клавиатуру[37].
Всеобъемлющий обзор исследований кожи, сделанный в 2013 году, описывает разнообразие кожной микробиоты у здоровых взрослых как «фантастическое»[38]. Как показано в одной работе, пробы, взятые с предплечий 6 разных людей, имели меньше 10 % общих родов бактерий. Кисти одного человека обладают разным составом микробного населения, перекрывание здесь, по данным анализа, достигает лишь 17 %. Однако мы обычно имеем больше общих кожных бактерий с нашими партнерами и домашними животными, чем с незнакомцами. Авторы упомянутого обзора полагают, что все эти результаты «бросают вызов устоявшейся идее человеческого микробиома». Возможно, добавляют они, следует рассматривать совокупный микробиом «всех обитателей нашего жилища и нашего места работы».
Как подчеркивается в другом исследовании, кожа не только поддерживает существование микробов, но и постоянно сбрасывает их с себя, притом с такой скоростью, что любая комната, где мы оказываемся, быстро получает наш «микробный автограф». Мы движемся в облаке своих микробов. В рамках проекта «Домашний микробиом», организованного в США, в 2014 году опубликованы первые результаты долговременного обследования 7 семей и их жилищ. Пробы отбирались из различных мест по всему жилищу, а также у каждого члена семьи. Удалось выявить четкую связь между человеком и его окружением. Так, в микробном отношении пол больше похож на ступни ног, чем на стены, а выключатели заимствуют микробов у наших рук. Люди – более богатый источник микробов, чем комнаты, где они живут, так что движение здесь по большей части одностороннее. Одна супружеская пара, участвовавшая в исследовании, переехала из гостиничного номера в отдельный дом. Их новое окружение вскоре стало напоминать по микробному составу номер, который они недавно покинули[39].
Еще одна яркая демонстрация микробного разнообразия выходит за пределы, которыми ограничивали себя первые исследователи микробиома, бравшие образцы лишь у обитателей процветающих стран Северного полушария. Сравнение биоматериалов у жительниц Танзании и американок, проведенное под руководством группы йельских ученых, показало существенные различия в составе микробов на кистях рук[40]. Исследовались небольшие группы: 29 танзанийских женщин, воспитывавших детей, и 15 жительниц США, на чьем попечении не находились дети (для удобства исследователи брали пробы лишь у старшекурсниц). Различия бросались в глаза. Все распространенные бактерии присутствовали у обеих групп, однако на руках американок обнаружилось гораздо больше Propionibacteria и Staphylococci, тогда как у танзаниек имелось больше бактерий, обычно присутствующих в почве. Кроме того, у обследованных жительниц Танзании оказалось вдесятеро больше особей бактерий на квадратный сантиметр, зато количество видов бактерий у них – лишь две трети от американского. Не удивительно: обследованные американки проводили почти все время в помещении традиционного западного типа, тогда как сама конструкция танзанийских жилищ позволяла африканкам постоянно непосредственно контактировать с окружающим воздухом. Полученные результаты лишний раз подтверждают идею, что на кожный микробиом оказывает сильное воздействие ежедневный контакт со средой. Кроме того, они опровергают предположения, что пребывание на открытом воздухе непременно увеличивает наше микробное разнообразие.
Хотя кожа встречается со множеством микробов самым случайным образом, она, подобно другим частям нашего тела, в ходе эволюции научилась привечать некоторые виды в качестве долговременных жильцов. Мы склонны считать, что кожу легко очищать: в конце концов, мы регулярно моем руки, нас этому научили в детстве. Что ж, это полезное занятие, но оно должно приводить к избавлению лишь от бактерий, недавно оказавшихся на коже, а не от всех бактерий вообще. Последнее (если такое возможно) сделало бы нашу кожу весьма уязвимой для колонизации менее желательными видами.
Более того, недавние интригующие исследования показывают, что некоторые бактерии проникают под эпидермис, в более глубинные слои кожи. Группа Ричарда Галло, работающая в Калифорнийском университете, искала бактерии как раз в глубоком слое кожи – дермисе – и в жировой прослойке под ним[41]. И там, и там ученые обнаружили свои бактериальные сообщества. Эта находка, способная несколько встревожить, важна в двух отношениях. Получается, что бактерии, сумевшие пробраться в глубинные слои кожи, имеют более прямой контакт с нашей иммунной системой, которая вообще поддерживает сложные взаимодействия с микробиомом (об этом мы поговорим в главе 7). Кроме того, мы видим, как увеличивается перечень участков тела, которые раньше считались стерильными и которые, как выясняется ныне, служат приютом по крайней мере для некоторых организмов, пришедших откуда-то извне. Мы заселены куда плотнее, чем считалось раньше.
Рот: множество микробиомов в одном
Полость рта, где много лет назад началось исследование микробиома человека, до сих пор служит зоной и самых простых, и самых сложных исследований. Итак, рот продолжает всех удивлять, что блестяще продемонстрировал с помощью ДНК-анализа первопроходец микробиологии Дэвид Релман.
Начнем с простого. Что может быть проще поцелуя? Однако в микроскопическом масштабе лобзание – штука довольно сложная. Исследование 2014 года, в шутку названное «Микробиом влюбленных», показывает интенсивность микробного переноса при самых разных чмоканьях – от ритуального клевка в щечку до более интимных шалостей. Группа голландца Ремко Корта опросила 21 парочку, интересуясь тем, как и насколько часто те целуются, и вовлекла целующихся в эксперимент, при котором один из партнеров пил между поцелуями пробиотический йогурт. Подтвердилось то, что вы наверняка и так предполагали: поцелуй – отличный способ передать бактерии, живущие на языке любителя йогурта, партнерше. Как сообщают ученые, при десятисекундном поцелуе передается около 10 миллионов бактерий[42].
Однако результаты поцелуев в долгосрочной перспективе куда сложнее – как в человеческих отношениях, так и в микробиологическом смысле. Состав микробов на поверхности языка действительно более схож у партнеров, чем просто у случайно выбранной пары людей, однако сходство это не так уж сильно зависит от того, насколько часто парочка целуется. Прямой перенос ведет к возникновению устойчивых популяций одних бактерий, но не других. Видимо, на процесс отбора здесь влияет целый ряд иных факторов. Поцелуи оказывают свое воздействие, но последнее слово все равно остается за экосистемой.
Ведутся и более трудоемкие исследования орального микробиома. Уместно вспомнить одну программную статью, где этому микробиому уделяется особое внимание. Она вышла в середине 2014 года, и в ней по-новому использованы результаты старых изысканий. (Открытия в биологии всё чаще совершаются именно так.) Уже изученные ДНК-последовательности хранятся в базах данных, к которым могут обратиться все желающие. Компьютерные кудесники порой ставят новые вопросы, ответы на которые можно получить из уже имеющегося массива информации.
Мурат Эрен из Лаборатории морской биологии, располагающейся в массачусетском городке Вудсхол (сегодня эта оснащенная по последнему слову техники лаборатория занимается далеко не только биологией моря), задался вопросом: может быть, повторный анализ данных, полученных в рамках проекта «Микробиом человека», только выиграет, если учесть информацию о типах бактерий, выясненную при анализе собранных образцов?[43] Для примера взяли фрагмент базы данных ДНК-последовательностей и информацию, касающуюся микробов из американских ртов. И в самом деле, работа принесла результат.
В этих ртах таится много неведомых бактерий, поскольку базовый 16S рРНК-анализ при всей невероятной полезности имеет свои ограничения. В частности, отыскивая ярко выраженные бактериальные типы путем сравнения некоторых гипервариабельных участков генов, этот метод отбирает лишь немногие участки, устанавливая своего рода порог для определения того, что следует считать отдельным видом (или операционной таксономической единицей). Последовательности, отличающиеся в этом отношении меньше чем на 3 %, считаются одинаковыми.
Такая процедура помогает избегать завышенной оценки уровня разнообразия, поскольку при секвенировании постоянно происходят небольшие ошибки. Однако в результате мы сваливаем в одну кучу некоторые микроорганизмы, различающиеся по немаловажным параметрам. Эрен заново рассмотрел старые данные, используя более действенный подход, направленный на поиск «наиболее информационно насыщенных нуклеотидных позиций» в наборе 16S рРНК. Его метод рассуждения базируется на теории информации и энтропии, созданной в 1948 году Клодом Шенноном. Мы можем рассматривать этот метод просто как применение сети с более мелкими ячейками при рыбалке в пруду, где плавают всевозможные генетические последовательности.
Ячейки оказались столь мелкими, что выделенные благодаря им новые бактериальные разновидности (теперь они именуются олиготипами, а не операционными таксономическими единицами) могут различаться в одном определенном гене всего лишь на одну пару нуклеотидных оснований ДНК из 1500.
Команда Эрена выбрала для обкатки своего метода именно оральный микробиом, поскольку интенсивное изучение микрофлоры рта уже дало обширный массив систематически организованной информации. Это одна из наиболее тщательно изученных групп нашего микробного населения. Многообразие жизни у нас во рту можно в полной мере оценить, обратившись к базе данных «Оральный микробиом человека», где, по состоянию на 2014 год, насчитывалось 688 видов (определение виду давалось через последовательности 16S рРНК). Целых 440 из них удалось вырастить в культуре – самая высокая доля среди всех участков тела, поскольку во рту меньше анаэробных бактерий (не выносящих присутствия кислорода), чем, к примеру, в кишечнике. У нас даже есть полные геномные последовательности для 347 из них. Самое давнее место исследования наших микробов ученые успели довольно подробно изучить. Однако новые, более изобретательные способы отсеивания данных показывают, что микрофлора рта еще многое способна поведать.
Эта новая процедура анализа состояла из двух основных стадий. Данные проекта «Микробиом человека», набор из 10 миллионов «показаний» для двух отдельных коротких участков гена 16S, классифицировали по олиготипам (490 на одном участке и 360 – на другом). Затем эти олиготипы сопоставили с полными последовательностями из более богатой базы данных «Оральный микробиом человека».
Оказалось, что олиготипы – то же, что и виды. Так ли это? На этот вопрос нет простого ответа, точно так же, как и на вопрос: что такое вообще «вид» у микробов? Какой же тогда смысл можно извлечь из всех этих данных? Видите ли (вздохнем поглубже), некоторые олиготипы (около 15 % общего числа) оказались не отличимыми от некоторых видов, описанных в каталоге. Некоторые группы из двух и более видов оказались не отличимыми по олиготипу. И (главный вывод, ради которого стоило затевать исследование) более 150 видов из базы данных принадлежали к множественным олиготипам, тем самым – по меньшей мере – повышая вероятность того, что исходная классификация видов пренебрегает существенными различиями. Еще 86 олиготипов, похоже, не описывали ни одно из существ, данные о которых содержались в базе «Оральный микробиом».
В этом немаловажный урок для всех, кто берется оценивать микробиомные исследования. То, что вы находите, зависит от того, где вы ищете. Возможно, скрытые от нас уровни разнообразия еще ждут своего обнаружения. Изучение микробиома при помощи алгоритмов, позволяющих обрабатывать гигантские массивы данных о генетических последовательностях, чем-то напоминает выслеживание животных в джунглях при помощи бинокля с линзами, пропускающими лишь лучи с узким диапазоном длин волн – только одного цвета из всего спектра. Поставив линзы, настроенные на другой цвет, вы увидите другой набор обитателей леса, хотя он и будет в чем-то перекрываться с тем, который вы уже видели через первую пару линз.
Из такого анализа можно сделать и другие выводы. Разнообразие, открываемое путем классификации на олиготипы, действительно играет важную роль; в этом нас больше всего убеждает то, что различные олиготипы микробов, кажущихся весьма похожими, обитают в разных местах. Отсюда наверняка можно узнать что-то новое об экосистеме, хотя пока и не очень понятно, что именно. Проверьте биоматериал более двух сотен человек, представленный в проекте «Микробиом человека», и может оказаться, что во всех пробах, взятых с языка, присутствует один олиготип, а в пробах, взятых с зубов, неизменно присутствует другой. Иногда бактерии, живущие, как правило, в разных местах, отличаются лишь на пару нуклеотидов в гене 16S.
Эрен проявляет очаровательную искренность, совершенно не скрывая того факта, что биологическую значимость таких данных нам еще предстоит выяснить[44]. Он обращает особое внимание на два организма, различающихся по распределению. Один – уже идентифицированный вид F. periodonticum, важный для науки, поскольку связан с воспалительным заболеванием десен. Другой достаточно сходен с ним, чтобы носить такое же название, однако с кое-каким довеском: «F. periodonticum 98,8 %». Как объясняет Эрен, это временное наименование как бы говорит: «F. periodonticum – самое близкое к этой штуке существо в базе данных, но все-таки перед нами явно два разных существа».
Как предполагают ученые, такие малые различия в 16S рРНК сопровождаются большими отличиями в других генах, а значит, и в том, как и где способны жить эти бактерии. Для подтверждения этой гипотезы следует внимательнее исследовать индивидуальных микробов. А поскольку микробов для исследования теперь больше, само расширение массива соответствующей информации заставляет оральный микробиом выглядеть еще более сложной системой.
По части разнообразия этот микробиом уже сейчас получает высокие баллы. Все 12 микробных филумов (11 филумов бактерий и 1 филум архей), обнаруженных у человека, найдены и во рту, где насчитываются сотни, а то и тысячи видов. Самое большое количество различных видов обнаружено в области зубов и поддесневых карманов, однако свои сообщества имеются и в других областях рта (или близких ко рту) – в горле, на миндалинах и языке.
Более подробные исследования выявили ключевые аспекты нашего взаимодействия с некоторыми из весьма значимых видов микробов, особенно обитающим на зубах. Некоторые из них, особенно представители рода Streptococcus, специфично связываются с белками или углеводами, находящимися в покрывающем зубы тонком слое смеси, которая состоит из слюны и жидкости, выделяющейся из поддесневых карманов. Едва захватив новую территорию, эти микробы уже сами предоставляют участки для связывания колонистам второй и третьей волны. В итоге поверхность зуба покрывает комплексная биопленка взаимодействующих бактерий. Целая отрасль медицинской и бытовой промышленности занимается удалением этой пленки и даже полным устранением оральных бактерий (в качестве меры профилактики кариеса). Специалисты строят всевозможные гипотезы насчет связей между той или иной частью человеческого микробиома и возникновением заболеваний. Такие связи порой кажутся весьма зыбкими. Однако в данном случае связь выстраивается самая ясная: нам известно, что бактерии биопленки действительно разрушают зубную эмаль, производя кислоту из сахара. Однако преимущества микробиомной науки станут очевиднее, если благодаря ей мы научимся лучше понимать экологию таких сообществ и сумеем разработать более тонкие методы сохранения зубов, чем полоскание или чистка антибактериальной пастой. Я попробую умозрительно описать некоторые будущие методы в главе 11.
Вагинальный микробиом – экосистема для защиты
Похоже, у каждого микробиома собственная история. Вагинальный микробиом, по понятным причинам имеющийся лишь у половины населения, является одним из самых простых по микробному составу, однако может служить отличным примером того, как новые инструменты для наблюдения за микробами позволяют пересматривать идеи о системах, которые кажутся нам хорошо изученными. Давно укоренившаяся в науке и довольно несложная история об одном типе бактерий, поддерживающем одно полезное свойство (уровень кислотности), теперь уступила место одному из множества неоконченных рассказов о смещении равновесия в экосистеме.
Влагалище давно вызывает интерес микробиологов – отчасти из-за тех интенсивных исследований, которыми сопровождались в XIX веке жаркие споры о причинах родильной горячки. Полезное дополнение к этим работам появилось в 1891 году, когда один немецкий гинеколог сообщил на медицинском конгрессе, что ему удалось вырастить в культуре новый палочкообразный организм, полученный из вагинальных мазков.
В конце 1920-х годов организм, который он обнаружил, классифицировали как Lactobacillus acidophilus. Как и в случае со многими другими видами микробов, теперь известно, что это целый набор тесно связанных между собой организмов. У них есть общая особенность: все они вырабатывают молочную кислоту путем ферментации углеводов, в том числе и тех, что находятся в слизистой оболочке. В последующие десятилетия широко распространилось мнение, что высокий уровень содержания Lactobacillus свидетельствует о здоровом влагалище, поскольку оно поддерживает нужную кислотность (низкое значение рН). А кислая среда, в свою очередь, препятствует росту других бактерий – болезнетворных.
Что ж, такое бактериальное дополнение к вагинальной химии казалось логичным. Клетки внутреннего слоя эпидермиса влагалища (в среднем 20 см2 ткани), также получают энергию, превращая глюкозу в лактат, который затем просачивается через эпителий в слизистую оболочку. Лактобактерии затем снижают рН дальше. Вагинальные клетки и их бактериальные гости совместно трудятся над тем, чтобы предотвращать колонизацию влагалища другими видами.
Однако недавние микробиомные исследования показали, что картина не столь проста. Представители рода Lactobacillus по-прежнему являются наиболее распространенными бактериями в вагинальных пробах; так, они присутствуют примерно у 320 из 400 жительниц Северной Америки, обследованных в 2010 году группой Ларри Форни из Университета штата Айдахо. Но данная работа[45] выявила также немало совершенно здоровых женщин, поддерживающих нужный вагинальный рН без всякой помощи бактерий Lactobacillus. Сходные результаты получены в ходе исследования, проводившегося в Японии. По следам этих работ в США были предприняты изыскания, показавшие, что у четверти обследованных взрослых женщин сравнительно мало Lactobacilli или же их нет совсем. Похоже, что для работы по поддержанию кислотности привлекались другие виды из примерно 280 обнаруженных. Однако недавние микробиомные исследования заставили кардинально пересмотреть ряд научных идей в этой области.
Бактериальный вагиноз – распространенное заболевание из числа тех, чье название легко расшифровать: речь идет о бактериальном заражении влагалища. Казалось бы, такой диагноз предполагает традиционное понимание инфекционных болезней как результат вторжения нежелательных патогенных организмов. Это неприятное заболевание часто связано с целым рядом серьезных проблем при беременности, в том числе с преждевременными родами и выкидышами. Весьма полезно было бы иметь соответствующий индикатор риска для беременных, а еще лучше – метод профилактики вагиноза.
Вариации, которые мы наблюдаем сегодня в микробиомах женщин, не демонстрирующих симптомов вагиноза и кажущихся совершенно здоровыми, показывают, что это не так-то просто осуществить. Да и сами эти вариации неоднородны. К примеру, в Северной Америке они различны у представительниц разных этнических групп. Картина складывается весьма мозаичная. Исследования показывают 5 широких типов вагинальных микробных сообществ. Четыре из них имеют значительную долю определенных Lactobacilli. При этом все 5 типов встречаются в разных пропорциях у 4 этнических групп. Эти работы показывают, что наше знание микроорганизмов остается фрагментарным. Самую распространенную из лактобактерий, L. iners, удалось обнаружить (пусть даже иногда в сравнительно небольших количествах) у 66 % обследованных женщин. Ее идентифицировали только в 1999 году, когда прошло больше века после появления самых первых сообщений о «нормальных» вагинальных микробах, поскольку эта бактерия критичнее других относится к лабораторной среде, в которой ее пытаются вырастить.
Общий подсчет по-прежнему демонстрирует, что штаммы Lactobacillus доминируют в микробном населении вагины. У обследованных белых женщин их вклад составляет 90 %, у женщин азиатского происхождения – 80 %, но у темнокожих женщин и латиноамериканок – лишь 60 %. Возможно, именно из-за этого у них чуть выше средний вагинальный рН (то есть среда менее кислая).
Однако есть данные о том, что здесь играет роль конкретный штамм лактобактерий – и не из-за его влияния на кислотность. Некоторые Lactobacilli вырабатывают заметные количества перекиси водорода, что препятствует развитию других бактерий; оказывается, такой вариант защиты эффективнее предотвращает вагиноз. Странная находка: уровень содержания кислорода в вагине сравнительно низок, а значит, вероятность производства пероксида водорода, казалось бы, не очень велика. Возможно, эти бактерии занимаются еще чем-то? Да, некоторые их штаммы вырабатывают и другие вещества-антибиотики. Выявление генов человеческого микробиома, отвечающих за синтез групп ферментов, которые в свою очередь помогают синтезировать малые молекулы, и анализ соответствующих продуктов позволили обнаружить неведомый науке антибиотик лактоциллин. Его вырабатывают обычные вагинальные бактерии. Вероятно, это неединичный случай[46].
Как показало еще одно исследование, состав вагинального микробного населения может довольно быстро меняться. Вероятно, такие изменения связаны с тем, занимались ли сексом исследованные женщины (отметим: все участницы эксперимента продолжали оставаться здоровыми), а также с исходным составом их микробиома. А значит, простые методы диагностики в таких случаях не очень-то применимы.
Выявление признаков физиологических неполадок путем исследования вагинальных микробов затрудняется из-за менструального цикла. Работы, где состав вагинальной микробиоты отслеживался на фоне менструального цикла, показывают, что состав бактериальных популяций влагалища довольно сильно меняется в зависимости от фазы цикла. Но конкретные изменения, по-видимому, носят индивидуальный характер и происходят у разных женщин в разное время.
Среди всей этой сложности можно выделить один довольно ясный факт: видимо, все-таки существует связь между лактобактериями и успешно протекающей беременностью. И человек, возможно, приспособился к тому, чтобы этой особенностью пользоваться. У женщин в период до полового созревания и после менопаузы обычно меньше вагинальных лактобактерий (или же их нет совсем), а изменения содержания эстрогена в репродуктивные годы делает соответствующую экологическую нишу более привлекательной для этой разновидности бактерий. Современные исследования служат подтверждением давних наблюдений: в США доля преждевременных родов у темнокожих женщин и латиноамериканок действительно выше.
Казалось бы, все это подтверждает гипотезу, согласно которой низкое содержание лактобактерий означает высокий уровень риска. Однако, к разочарованию врачей, ищущих четкие диагностические признаки, это скорее всего лишь полезный индикатор. Интенсивный анализ множества микробиомных образцов, взятых с данного участка женского организма, показывает, что простые определения «отклонений от нормального состава микробной смеси» здесь не очень-то пригодны. Не существует четкой границы нормы. Один из стандартных тестов на вагиноз использует в качестве критерия отсутствие лактобактерий. Это совершенно неправильно, подчеркивает Роксана Хики, коллега Форни. Здесь используется порочная логика, ведь присутствие Lactobacilli может свидетельствовать о здоровье, но их отсутствие еще не означает болезнь. Возможно, работу лактобактерий взяли на себя какие-то другие виды. Присутствие лактобактерий в таком микробиоме, быть может, и является достаточным условием здоровья, но не является необходимым его условием.
Конец ознакомительного фрагмента.