Кишкова мікрофлора перетворює людину на надорганізм

Дослідження мікробної ДНК, виділеної з вмісту людського кишечника, дозволило американським ученим показати високе видове різноманіття кишкової флори та її важливу роль в обміні речовин. На думку дослідників, людина разом з мікробами, що живуть в її кишечнику, являє собою єдиний надорганізм. Обмін речовин цього надорганізму в значній мірі визначається ферментами, гени яких локалізовані не в людських хромосомах, а в геномах симбіотичних мікробів.

У молекулярно-біологічних дослідженнях головна запорука успіху – це вдалий вибір об’єкту і методики. Нові ефективні методи, розроблені для вирішення конкретних завдань, можуть раптом виявитися дуже корисними і в зовсім інших областях. Саме це і відбулося в даному випадку.

Велика група біологів з шести науково-дослідних установ США знайшла незвичне застосування новітніми методиками, розробленими для «прочитання» геномів різних організмів. Вчені застосували ці методи до ДНК, екстрагованих з людських фекалій, з метою отримання загальної характеристики кишкової мікрофлори.

За наявними оцінками, у кишечнику дорослої людини присутні понад 1 кг мікроорганізмів, що відносяться до сотень різних видів. У точності їх видовий склад невідомий. Мікробіологи знають «в обличчя» лише кілька десятків типових представників, яких можна виростити на штучних середовищах. 

Як з’ясувалося порівняно недавно (і це відкриття стало шоком для мікробіологів), більшість існуючих в природі мікроорганізмів на штучних середовищах не зростає. Таких мікробів називають «некультивованими». У людському кишечнику вони теж, швидше за все, становлять більшість. Дізнатися що про цих мікробів вдається лише по нуклеотидній послідовності ДНК у пробах, узятих із природних середовищ.

Дослідники виділили ДНК із фекалій двох осіб, які перед цим цілий рік не вживали жодних ліків, і провели масштабну роботу з секвенування – визначенню нуклеотидної послідовності фрагментів ДНК. Відсеквеновані частинки потім збиралися в довші фрагменти на основі наявності кінцевих ділянок, що перекриваються. У підсумку вийшло близько 74 тисяч часток, що не повторюються, загальною довжиною понад 78 мільйонів пар основ. Для порівняння, у геномі людини 2,85 мільярда пар основ, у геномі однієї бактерії зазвичай 2-5 мільйонів пар основ.

Зрозуміло, що автори дослідження не розраховували отримати повні геноми всіх кишкових мікробів. Для цього їм довелося б докласти на кілька порядків більше зусиль. На даному етапі вони лише хотіли отримати загальне уявлення про різноманітність мікробного співтовариства, його структуру та, головне, обмін речовин. А для цього отриманої вибірки геномних послідовностей виявилося цілком достатньо.

Такий радикальний підхід до вивчення спільнот – звалити всіх до одної купи, розтовкти і відсеквенувати – отримав навіть спеціальну назву: «Метагеномний аналіз».

На наступному етапі у відсеквенованих послідовностях шукали гени з відомими функціями і намагалися визначити, які фрагменти належать бактеріям, а які археям. Для цього послідовності порівнювали з відомими, тобто внесеними у бази даних генами бактерій і архей, а також з їх повними геномами. Окремо аналізувалися гени рибосомної РНК (16S), за якими традиційно проводять класифікацію мікробів.

У «явному вигляді» за генам рибосомної РНК вдалося ідентифікувати лише 72 різновиди бактерій (з них 60 некультивованих і 16 нових для науки) і один вид архей (метаноген Methanobrevibacter smithii), однак автори обґрунтували статистично, що, якби робота з секвенування ДНК з тих же самих проб була продовжена, число виявлених різновидів мікробів склало б не менше 300. Автори відносили до різних «різновидів» ті гени рибосомної РНК, у яких схожість нуклеотидних послідовностей не перевищувала 97%.

Дослідники проаналізували кількісний розподіл виявлених мікробних генів по функціональних групах з метою реконструкції основних особливостей «сукупного метаболізму» кишкової флори. Для цього процентне співвідношення генів з різними функціями у всіх прочитаних мікробних геномах порівнювалось з тим, яке виявилося у досліджуваній вибірці.

Виявилося, що в кишкової мікрофлори різко підвищена частка генів, що мають відношення до метаболізму полісахаридів рослинного походження, деяких амінокислот і вітамінів, а також до метаногенезу. На ґрунті проведеного аналізу автори виділили найбільш важливі метаболічні функції, які виконують мікроби в людському кишечнику. Це, перш за все, перетравлювання рослинних полісахаридів, які не можуть перетравлюватися ферментами, закодованими в геномі людини. З цими важкозасвоюваними вуглеводами розправляються переважно бактерії-бродильники, що виділяють в якості кінцевих продуктів обміну низькомолекулярні органічні кислоти (ацетат, пропіонат, бутират). Однак те, що для бактерій-бродильників є відходами життєдіяльності, для людини – цілком «їстівні» речовини, які активно всмоктуються кишковим епітелієм. За наявними оцінками, з цього незвичайного джерела люди отримують близько 10% калорій (ця оцінка справедлива для прихильників типової «європейської» дієти).

Крім їстівних для людини речовин бактерії-бродильники виділяють в якості побічного продукту ще і молекулярний водень (H2), який шкідливий для них самих і перешкоджає їх зростанню і життєдіяльності. Щоб процес перетравлення рослинних полісахаридів йшов ефективно, хтось повинен постійно утилізувати водень, що утворюється. Саме цим і займаються метаногени Methanobrevibacter smithii і, можливо, деякі інші археї-метаногени і бактерії-сульфатредуктори. В ході метаногенезу поглинається водень та вуглекислий газ і виділяється метан.

У «сукупному геномі» кишкової флори сильно підвищений процентний вміст генів, пов’язаних із синтезом незамінних амінокислот і вітамінів. Мікроби дуже полегшують людині життя, виробляючи значні кількості цих необхідних нам речовин. Крім того, кишкова флора має великий арсенал ферментів для знешкодження токсичних речовин, присутніх в нашій повсякденній їжі, особливо рослинній.

Таким чином, мікробні геноми служать важливим доповненням геному Homo sapiens. Хоч це і нехарактерно для наукових робіт, що зараз публікуються на Заході, автори в даному випадку зважилися на філософське узагальнення. На їхню думку, людину слід розглядати як надорганізм, у якому обмін речовин забезпечується спільною злагодженою роботою ферментів, закодованих не тільки в геномі Homo sapiens, але і в геномах сотень видів симбіотичних мікробів. Між іншим, частка людських генів у сукупному геномі цього надорганізму становить не більше 1%.

Джерело: Steven R. Gill et al. Metagenomic Analysis of the Human Distal Gut Microbiome // Science. 2006. V. 312. P. 1355-1359.