Спецхран для бактерий

Кишечные микроорганизмы — неотъемлемая составляющая биоразнообразия нашей планеты и залог здоровья человеческой популяции. Бактерии, специфичные для жителей каждого региона, требуют систематизации и ответственного хранения
Спецхран для бактерий
Сотрудница Лаборатории генетики микроорганизмов Института общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН демонстрирует хроматограф
Евгений Пелевин (пресс-служба МФТИ)

Американские микробиологи предложили создать хранилище для кишечных микроорганизмов. Это позволит в деталях изучить влияние микробиоты на здоровье человека и найти лекарства от многих болезней. Образцы ученые советуют брать у жителей наиболее отдаленных районов Земли. Статья об этом своеобразном Ноевом ковчеге для бактерий опубликована в журнале Science.

Хранилище биологического материала ученые хотят организовать в какой-нибудь безопасной, нейтральной стране. «Нам необходимо понимать, какие бактерии исчезают с каждым поколением, на какие функции организма повлияет это исчезновение и к каким болезням может привести, — пишут микробиологи в своей статье. — Кроме того, нам нужно изучить способы возобновления кишечной микрофлоры и ее внутренних процессов».

magnifier.png Примером для идеи репозитория бактерий послужило Хранилище Судного дня на норвежском острове Западный Шпицберген, в котором хранятся образцы основных сельскохозяйственных семян Земли

Примером послужило Хранилище Судного дня на норвежском острове Западный Шпицберген, в котором хранятся образцы основных сельскохозяйственных семян Земли. В новом репозитории будут храниться человеческие фекалии и содержащиеся в них кишечные бактерии. Предоставлять образцы должны будут университеты и другие организации, связанные с микробиологическими исследованиями.

В будущем, утверждают биологи, восстановить истощенную микрофлору кишечника можно будет, пересадив микроорганизмы из образцов, которые «доноры» поместят в хранилище.

 

Мир внутри нас

«Идея в целом правильная, — рассказал “Стимулу” заведующий отделом генетических биотехнологий Института общей генетики имени Н. И. Вавилова, профессор кафедры биоинформатики факультета биологической и медицинской физики МФТИ Валерий Даниленко. — И человечество должно заботиться о сохранении биоресурсов, частью которых может быть и растительный, и животный мир. И в данном случае бактерии. Особенно микробиота, потому что это напрямую связано со здоровьем. Да, такие банки нужно создавать, но это большая комплексная работа, которая должна быть регионоспецифична. Для каждого большого региона со своими условиями жизни, питания и так далее нужно создавать отдельные биобанки. Но какие должны быть критерии отбора, характеристики? Ведь надо понимать, что именно мы хотим сохранить, что является редким и невосполнимым? Здесь очень много работы».

Микробиом желудочно-кишечного тракта состоит из нескольких сотен бактерий, которые функционируют в желудке и кишечнике, взаимодействуя друг с другом. Эти бактерии представлены более чем пятьюдесятью родами. Состояние здоровья человека обусловлено не только тем, какие бактерии там есть, но и тем, что они способны утилизировать из пищи, которая к ним поступает, какие сигналы после этого передают в другие системы — мозг, эндокринную, нервную, иммунную систему и т. д. Иногда микробиом именуют даже виртуальным органом, который отвечает за гомеостаз, за поддержание здоровья человека.

magnifier.png Микробиом желудочно-кишечного тракта состоит из нескольких сотен бактерий, которые функционируют в желудке и кишечнике, взаимодействуя друг с другом. Эти бактерии представлены более чем пятьюдесятью родами

«Работы по характеристике состояния органа желудочного микробиома ведутся во всем мире, в том числе у нас в России, в нашем Институте общей генетики имени Вавилова», — говорит Валерий Даниленко.

По его словам, состав микробиоты, конкретных видов бактерий, состав генов, которые они несут, в определенной степени зависит от типа питания, условий жизни, этнокультурных особенностей. И для каждого крупного региона есть свои штаммы бактерий, в частности бифидобактерий, которые несут определенные гены, специфичные для данного региона, связанные с утилизацией определенных белковых продуктов или полисахаридов, которые составляют основу питания этого региона. Эти гены также связаны с наличием тех или иных ксеноантибиотиков и ксенобиотиков, которые присутствуют в среде и к которым вырабатывается устойчивость.

«Мы в нашем институте экспериментально показали наличие по крайней мере более 30 генов, которые характерны для бифидобактерий только для части популяций, которая живет в Центральном регионе России. И которые отсутствуют в популяциях, скажем, северных европейцев, американцев или японцев», — говорит Валерий Даниленко.

«Для начала надо создать карту, к примеру, Центрального федерального округа, — считает Валерий Даниленко, — карту мест, где наиболее благополучная ситуация, где микробиота лучше всего сохранена. То есть надо сначала найти места, в которых состояние микробиоты людей близко к норме, близко к тому, что было пятьдесят–сто лет назад. Провести базовый анализ, собрать и сохранить образцы. А потом посмотреть, что изменилось, что потеряно в таких городах, как Москва, и у постоянных жителей, и у приезжих».

МИКРОБИОМ ДАНИЛЕНКО ОТКРТ.png
Заведующий отделом генетических биотехнологий Института общей генетики имени Н. И. Вавилова, профессор кафедры биоинформатики факультета биологической и медицинской физики МФТИ Валерий Даниленко
Евгений Пелевин (пресс-служба МФТИ)

 

Таргетная региональная коррекция

Современная цивилизация крайне пагубно отражается на микрофлоре кишечника. «Это уже становится ясно из сравнительных исследований микробиома желудочно-кишечного тракта, да и других микробиомов человека в различных регионах мира. В странах, где сильно влияние цивилизации, композиция микробиоты значительно сокращается. Один из ключевых факторов, конечно, антибиотики, но не только. Как недавно стало известно экспериментально, большая часть лекарств, к примеру кардиопрепаратов, иммунных препаратов, также воздействует на микробиоту и приводит к ее изменению и потере каких-то ее компонентов», — рассказывает Валерий Даниленко.

Следующий важный фактор — экология, а именно присутствие в продуктах питания и в окружающей среде, в воде, ксенобиотиков и других веществ, которые тоже сильно влияют на состав микробиоты.

И последний, но один из важнейших факторов, конечно же, стрессовые условия, в которых находится значительная часть человечества. Стрессы приводят к резкому изменению состава микробиоты, а нередко и к ее безвозвратной потере.

«Это особенно хорошо видно на примере Арктики. Арктика — это такая мировая лаборатория: если человек попадает туда из условий жизни в средней полосе или южных регионов, он приобретает так называемый арктический, или полярный, синдром. Буквально через несколько месяцев у него начинается дисбактериоз, то есть часть бактерий исчезает, и не только потому, что происходит изменение условий питания, там целый комплекс: нарушаются и циркадные ритмы, и температурный режим, увеличивается облучение — в общем, условия жизни меняются резко и сильно. У значительной части людей через два-три месяца наступает дисбактериоз и параллельно такое заболевание, которое всем нам хорошо знакомо: депрессия. И первично здесь изменение микробиоты, депрессивное состояние возникает как следствие. На фоне депрессивных состояний, если люди продолжают там жить, начинаются обострения кардиологических, иммунных и других заболеваний».

Специалисты уверены, что утеря симбиотических микроорганизмов — ключевой фактор многих современных заболеваний: ожирения, астмы, диабета, аллергий. Например, без кишечных бактерий Oxalobacter люди не справляются с расщеплением щавелевой кислоты, что делает их более восприимчивыми к формированию камней в почках.

magnifier.png Специалисты уверены, что утеря симбиотических микроорганизмов — ключевой фактор многих современных заболеваний: ожирения, астмы, диабета, аллергий

«На сегодняшний день в результате исследований метагенома и микробиоты желудочно-кишечного тракта четко показано, что есть корреляция между этими заболеваниями и изменениями в составе микробиоты. Уменьшается количество определенных родов и увеличивается количество других, и это приводит к тому, что меняется состав продуктов, которые они синтезируют. Здесь очень важно отметить, что бактерии, как и клетки нейронов и других эндокринных органов, способны продуцировать различные нейротрансмиттеры — гамма-аминомасляную кислоту, короткоцепочечные жирные кислоты, серотонин, дофамин и так далее. Они подают — это уже точно установлено — сигнал в мозг. И когда меняется состав микробиоты, сигнал тоже нарушается, становится другим, начинается разбалансировка органов и систем, куда приходят эти сигналы: иммунной, центральной нервной системы, — то есть общий дисбаланс организма. Таким образом этот орган — микробиота — вписан в систему организма и является очень важным для взаимодействия с внешней средой через питание, через стрессы», — поясняет Валерий Даниленко.

Коллекция бактерий-симбионтов очень поможет ученым. Они смогут изучать их сообщества, их влияние на здоровье человека. Возможно, в будущем эти исследования позволят найти новые методы лечения различных болезней. Было не раз доказано, что симбиотические бактерии играют огромную роль в сохранении здоровья человека и в защите от множества заболеваний. Например, могут защищать от хронических заболеваний.

«Один из ярких примеров — диабет второго типа, — поясняет Валерий Даниленко. — Эта болезнь сейчас массово распространяется и в Европе, и в Китае, и в России. Уже выяснили, что при диабете второго типа происходит дисбаланс определенных родов бактерий, количество каких-то из них увеличивается, а каких-то — уменьшается. Но этот дисбаланс зависит от конкретного региона. В Скандинавии один, в Японии — другой, в Америке — третий. Когда этот дисбаланс появляется, нужно восстанавливать микробиоту. Но подходы для коррекции, для восстановления должны быть разные, в зависимости от региона».

Недавно команда разработчиков из Сколково, Университета ИТМО и МФТИ представила онлайн-сервис «Кномикс-Биота», который позволяет комплексно исследовать генетические данные микробиома кишечника. Анализ может выявить, какие виды бактерий представлены в микробиоте, в каком соотношении они находятся, насколько способны вырабатывать витамины и другие полезные вещества. С помощью интерактивного интерфейса можно взглянуть на результаты с разных точек зрения, что помогает выявлять новые взаимосвязи между микробиотой и питанием, образом жизни и здоровьем.

Еще по теме