Вчені створили найповнішу карту людських мікробів

Він один із сотень американських науковців, залучених до наймасштабнішого світового проекту зі створення карти мікробів, які живуть усередині наших тіл і на них.

Проект “Мікробіом людини” описує генетичні дані багатьох бактерій, вірусів та інших організмів, які живуть у близькому контакті з нами.

Мікробіом – це набір мікробів з усіма їхніми особливостями та взаємними зв’язками, які населяють людське тіло.

І це переважно не ті мікроорганізми, яких потрібно позбуватися. Навпаки, вони складають фундаментальну частину того, що робить нас людьми, кажуть дослідники.

Однак ще донедавна про трильйони мікробів, які населяють наші тіла, було відомо небагато.

Корисні мікроорганізми

Протягом століть ми могли досліджувати лише тих мікробів, які можуть вижити в лабораторних умовах, і вивчати їх в ізоляції – лише кожного мікроба окремо від інших.

Однак з появою дедалі досконаліших технік для вивчення послідовностей ДНК учасники проекту “Мікробіом людини” змогли виявити невідомі раніше мікроби і простежити за їхньою колективною поведінкою.

Багато результатів цього проекту, запущеного п’ять років тому Національним інститутом здоров’я, було опубліковано в журналах Nature, Genome Biology та PLoS.

Вчені взяли зразки мікробів з різних частин тіл понад 200 здорових чоловіків і жінок. Дослідникам вдалося виявити понад 10 тисяч різних типів організмів, які входять до мікробіому здорової людини.

Виявилося, що більшість із цих мікробів не завдають нам ніякої шкоди. Насправді, дедалі більше фактів свідчать про те, що ці мікроорганізми у різний спосіб допомагають людям.

Декотрі з них дозволяють нам отримувати енергію з їжі, а інші – поглинати корисні речовини, такі як вітаміни.

У кожного свої мікроби?

Ми дізнаємося, що вони впливають скоріше на формування нашої імунної системи, аніж на загрози їй, каже професор Барбара Мес з Інституту Крейда Вентера, яка також бере участь у проекті.

Одне з ключових питань, на яке дослідники шукали відповідь, таке: чи існує основний набір мікробів, присутній в кожному людському тілі?

Насправді вчені виявили різноманітних мікробів у різних людей і унікальні колонії мікроорганізмів, які живуть у різних ділянках тіл.

Однак по-справжньому деяких дослідників здивувало те, що в певних частинах тіл багато різних мікробів роблять одну і ту ж роботу.

“На моєму язиці можуть бути інші мікроорганізми, ніж на вашому, але колективно вони задіюють одні й ті самі гени – так, що вони можуть виконувати одні й ті самі функції, наприклад, розкладати цукор”, – каже доктор Біррен.

Такі відкриття можуть привести до переоцінки одномікробної моделі захворювання, яка покладає провину на виникнення конкретної хвороби на якийсь один мікроорганізм.

“Каталог бактерій”

Можливо, при деяких недугах грає роль не певний тип мікроба, а те, що в діяльності групи мікроорганізмів щось пішло не так, пояснює доктор Гаттенговер.

Дослідники виявили, що в здорових добровольців було менше мікробів, яких традиційно вважають збудниками хвороби.

Наприклад, бактерію золотистий стафілокок, яка задіяна в інфекції МРЗС, знайшли в носах 30% добровольців.

Донедавна вчені могли вивчати лише вирощених у лабораторіях мікробів

“Зараз у нас є каталог із сотнею цих мікроорганізмів, які, перебуваючи в правильному середовищі, потенційно можуть зробити щось не так. Ми знаємо, де саме в здорових людей вони живуть і які організми їх оточують. Тому, можливо, ми можемо наблизитися до розуміння, що тримає їх під контролем і де розміщені їхні сховища”, – каже доктор Куртіс Гуттенговер із Гарвардської школи громадського здоров’я.

Мікроби носять у собі багато власних генів. Ці гени можуть так само впливати на наше здоров’я і бути чинниками ризику, як і наші власні гени, каже доктор Гуттенговер.

За його словами, в далекій перспективі особливо цінною стане можливість наводити довідки в цій новій генетичній базі даних та досліджувати мікробіоми, які не входять до неї.

“Незвідана територія”

Доктор Літа Проктор, програмний директор проекту, каже, що зараз з’являється дедалі більше свідчень на користь того, що ми набуваємо свої мікробіоми на найраніших стадіях життя.

“Людина успадковує свій геном, але мікробіом у нас набутий – це означає, що він має дуже важливу, змінну, мутабельну властивість. Тому нам є над чим працювати в клінічних дослідженнях. Якщо ми навчимося змінювати мікробіом, то навчимося підтримувати здоровий мікробіом у здоровому стані або відновлювати баланс у випадку з нездоровим набором мікробів”, – каже вона.

Але кому належать мікробіоми, які населяють наші тіла? І що це означає для розробки пробіотиків, які можуть змінювати їх? – запитує спеціаліст з етики, доктор Емі Маꥳр із Бейлорського медичного коледжу.

Розширюючи свої знання в цій сфері, ми повинні дати відповіді на ці запитання, каже вона.

Однак поки що ми лише на півдорозі. Нам потрібно дізнатися значно більше про те, як мікробіоми комунікують з клітинами людського тіла, каже професор Девід Релман зі Стенфордського університету.

“Ця територія досі незвідана. І хоча вона лежить на рідній землі, ми досі знаходимо на ній нові форми життя”, – каже він.

Де можуть бути мікроби

Мікрофлора людини складається з цілої колекції мікроорганізмів , які живуть в і на тілі. Насправді мікробних мешканців тіла в 10 разів більше, ніж клітин тіла . Вивчення мікробіому людини включає як мікроби, що мешкають, так і цілі геноми мікробних спільнот організму. Ці мікроби мешкають у різних місцях екосистеми людського тіла і виконують важливі функції, необхідні для здорового розвитку людини. Наприклад, мікроби кишечника дозволяють нам правильно перетравлювати та засвоювати поживні речовини з їжі, яку ми їмо. Активність генів корисних мікробів, що колонізують організм, впливає на фізіологію людини та захищає від них патогенні мікроби . Порушення належної активності мікробіома було пов’язане з розвитком ряду аутоімунних захворювань, включаючи діабет та фіброміалгію.

Мікроби тіла

Мікроскопічні організми, що населяють тіло, включають археї, бактерії, гриби, протисти та віруси. Мікроби починають заселяти організм з моменту народження. Мікробіом людини змінюється за кількістю та типом протягом усього життя, при цьому кількість видів збільшується від народження до дорослого віку та зменшується у похилому віці. Ці мікроби унікальні для кожної людини і на них може впливати певна діяльність, наприклад, миття рук або прийом антибіотиків . Бактерії – це найчисленніші мікроби в мікробіомі людини.

• Археї – одноклітинні прокаріоти , здатні жити в одних з найбільш екстремальних середовищ. Колись вважалося, що вони є бактеріями, але було виявлено, що вони відрізняються від бактерій за складом клітинної стінки та типом рРНК . Археян можна знайти в кишечнику людини і включати види метаногенів, яким для виживання потрібні умови, що не містять кисню.
• Бактерії – одноклітинні прокаріоти з різноманітними видами та формами . Ці різноманітні мікроби здатні населяти цілий ряд різних середовищ і їх можна знайти в різних ділянках тіла, включаючи шкіру , всередині шлунково-кишкового тракту та всередині репродуктивного тракту жінки .
• Гриби – одноклітинні (дріжджі та цвілі) та багатоклітинні організми (гриби), що містять плодові тіла, що виробляють спори для розмноження. Вони не виконують фотосинтезу ; вони натомість отримують свої поживні речовини шляхом поглинання. Грибкові спільноти тіла також називають мікобіомами. Одноклітинні дріжджі колонізують такі ділянки тіла, як шкіра , піхву та шлунково-кишковий тракт.
• Протисти – різноманітна група еукаріотів, яка може бути одноклітинною або багатоклітинною. Багато протистів не мають спільних характеристик, але їх об’єднують у групи, оскільки вони не є тваринами , рослинами чи грибами. Прикладами протистів є амеби , парамеції та спорозої. Хоча багато протистів паразитують до своїх господарів, інші існують у коменсалістичних (один вид приносить користь, не завдаючи шкоди чи допомагаючи іншому) або мутуалістичних стосунках (обидва види виграють). Протисти, які зазвичай проживають як частина мікробіому кишечника людини, включають Blastocystis та Enteromonas hominis .
• Віруси – інфекційні частинки, що складаються з генетичного матеріалу ( ДНК або РНК ), укладеного в білкову оболонку, яка називається капсидом. Ряд вірусів є частиною людського мікробіому і включає віруси, які інфікують клітини людини , віруси, які інфікують бактерії ( бактеріофаги ), та вірусні сегменти генів, які були вставлені в хромосоми людини . Віром людини мешкає в декількох ділянках тіла, включаючи шлунково-кишковий тракт, ротову порожнину, дихальні шляхи та шкіру.

Мікробіом людини також включає мікроскопічних тварин , таких як кліщі . Ці крихітні членистоногі зазвичай колонізують шкіру, належать до класу павукоподібних і споріднені з павуками.

Мікробіом шкіри

Ілюстрація бактерій навколо пір потової залози на поверхні шкіри людини. Потові пори виводять піт з потової залози на поверхню шкіри. Пот випаровується, відводячи тепло і відіграючи життєво важливу роль у охолодженні тіла та запобіганні його перегріву. Бактерії навколо пір метаболізують органічні речовини, що виділяються в поті, в пахучі речовини. Хуан Гертнер / Наукова фототека / Getty Images

Шкіра людини заселена безліччю різних мікробів, які мешкають на поверхні шкіри, а також у залозах і волоссі. Наша шкіра постійно контактує із зовнішнім середовищем і служить першою лінією захисту організму від потенційних патогенів. Мікробіота шкіри допомагає запобігти заселенню шкірних мікроорганізмів , займаючи шкірні поверхні. Вони також допомагають розвивати нашу імунну систему , попереджаючи імунні клітини на наявність патогенних мікроорганізмів та ініціювання імунної відповіді. Екосистема шкіри дуже різноманітна, з різними типами шкірних поверхонь, рівнем кислотності, температурою, товщиною та впливом сонячного світла. Таким чином, мікроби, які населяють певне місце на шкірі або всередині шкіри, відрізняються від мікробів від інших місцевих жителів шкіри. Наприклад, мікроби, які заселяють місця, які зазвичай є вологими і жаркими, наприклад, під ямами для рук, відрізняються від мікробів, які колонізують більш сухі та прохолодні поверхні шкіри, знайдені в таких областях, як руки і ноги. Коменсальні мікроби, які зазвичай заселяють шкіру, включають бактерії , віруси , грибки та мікроби тварин, такі як кліщі.

Бактерії, що колонізують шкіру, процвітають в одному з трьох основних типів середовищ шкіри: жирній, вологій та сухій. Трьома основними видами бактерій, які заселяють ці ділянки шкіри, є Propionibacterium (переважно в жирних районах), Corynebacterium (у вологих районах) та Staphylococcus (у сухих районах). Хоча більшість з цих видів не є шкідливими, вони можуть стати шкідливими за певних умов. Наприклад, види Propionibacterium acnes мешкають на жирних поверхнях, таких як обличчя, шия та спина. Коли організм виробляє надмірну кількість олії, ці бактерії швидко розмножуються. Це надмірне зростання може призвести до розвитку прищів. Інші види бактерій, такі як Золотистий стафілокок та Streptococcus pyogenes можуть викликати більш серйозні проблеми. Умови, викликані цими бактеріями, включають септицемію та стрептокок в горлі ( S. pyogenes ).

Про коменсальні віруси шкіри відомо небагато, оскільки дослідження в цій галузі до цього часу були обмеженими. Встановлено, що віруси мешкають на шкірних поверхнях, у потових і масляних залозах та всередині шкірних бактерій. До видів грибів, які колонізують шкіру, належать Candida , Malassezia , Cryptocoocus , Debaryomyces та Microsporum . Як і бактерії, гриби, які розмножуються з надзвичайно високою швидкістю, можуть спричинити проблемні стани та захворювання. Види грибів Malassezia можуть викликати лупу та атопічну екзему. До мікроскопічних тварин, які колонізують шкіру, належать кліщі. Кліщі демодекс , наприклад, колонізувати обличчя і жити всередині волосяних фолікулів. Вони харчуються олійними виділеннями, відмерлими клітинами шкіри і навіть деякими шкірними бактеріями.

Мікробіом кишечника

Кольорова скануюча електронна мікрофотографія (SEM) бактерій кишкової палички. Кишкова паличка – це грамнегативні паличкоподібні бактерії, які є частиною нормальної флори кишечника людини. Стів Гшмайсснер / Наукова фототека / Getty Images

Мікробіом кишечника людини різноманітний і в ньому переважають трильйони бактерій із тисячею різних видів бактерій. Ці мікроби процвітають у важких умовах роботи кишечника і беруть активну участь у підтримці здорового харчування, нормального обміну речовин та належної імунної функції. Вони допомагають у перетравленні не засвоюваних вуглеводів , метаболізму жовчних кислот та ліків, а також у синтезі амінокислот та багатьох вітамінів. Ряд кишкових мікробів також виробляє протимікробні речовини, які захищають від патогенних бактерій . Склад мікробіоти кишечника унікальний для кожної людини і не залишається незмінним. Це змінюється з такими факторами, як вік, зміни дієти, вплив токсичних речовин ( антибіотиків ), а також зміни в стані здоров’я. Зміни у складі мікробів коменсальної кишки пов’язані з розвитком шлунково-кишкових захворювань, таких як запальні захворювання кишечника, целіакія та синдром подразненого кишечника. Переважна більшість бактерій (близько 99%), які населяють кишечник, в основному походять від двох типів: бактеріоідних та твердих . Приклади інших типів бактерій, що знаходяться в кишечнику, включають бактерії філа протеобактерій ( ешерихії , сальмонели, вібріони), актинобактерії та мелаїнабактерії .

Мікробіом кишечника також включає археї, гриби та віруси . Найпоширеніші археї в кишечнику включають метаногени Methanobrevibacter smithii та Methanosphaera stadtmanae . До видів грибів, що населяють кишечник, належать Candida , Saccharomyces та Cladosporium . Зміни нормального складу кишкових грибків були пов’язані з розвитком таких захворювань, як хвороба Крона та виразковий коліт. Найбільш поширеними вірусами в мікробіомі кишечника є бактеріофаги, які інфікують бактерії коменсальної кишки.

Ротовий мікробіом

Кольорова скануюча електронна мікрофотографія (SEM) зубного нальоту (рожевого кольору) на зубі. Наліт складається з плівки бактерій, вбудованої в матрикс глікопротеїну. Матрикс утворений із виділень бактерій та слини. Стів Гшмайсснер / Наукова фототека / Getty Images

Мікробіоти ротової порожнини нараховують мільйони і включають археї , бактерії , гриби , протисти та віруси . Ці організми існують разом, і більшість із них мають мутуалістичні стосунки з господарем, де і мікроби, і господар приймають вигоду від цих стосунків. Хоча більшість ротових мікробів є корисними, запобігаючи заселенню порожнини рота шкідливими мікробами, відомо, що деякі з них стають патогенними у відповідь на зміни навколишнього середовища. Бактерії є найчисленнішими з порожнини рота і включають стрептококи , актиноміцеси , лактобактерії , Staphylococcus та Propionibacterium . Бактерії захищаються від стресових станів у роті, виробляючи клейку речовину, яку називають біоплівкою. Біоплівка захищає бактерії від антибіотиків , інших бактерій, хімічних речовин, чищення зубів та інших видів діяльності або речовин, небезпечних для мікробів. Біоплівки різних видів бактерій утворюють зубний наліт , який прилипає до зубних поверхонь і може спричинити карієс.

Ротові мікроби часто співпрацюють між собою на благо задіяних мікробів. Наприклад, бактерії та гриби іноді існують у взаємних відносинах, які можуть бути шкідливими для господаря. Бактерія Streptococcus mutans та грибок Candida albicans, що діють спільно, викликають важкі порожнини, найчастіше спостерігаються у осіб дошкільного віку. S. mutans виробляє речовину, позаклітинний полісахарид (EPS), що дозволяє бактерії прилипати до зубів. EPS також використовується C. albicans для отримання клейоподібної речовини, яка дозволяє грибку прилипати до зубів і до S. mutans . Два організми, що працюють разом, призводять до більшого виробництва нальоту та збільшення кислоти. Ця кислота руйнує емаль зубів, в результаті чого відбувається карієс.

Археї, виявлені в мікробіомі порожнини рота, включають метаногени Methanobrevibacter oralis та Methanobrevibacter smithii . До протистів, що населяють ротову порожнину, належать Entamoeba gingivalis та Trichomonas lenax . Ці коменсальні мікроби живляться бактеріями та частинками їжі, і їх набагато більша кількість виявляється у осіб із захворюваннями ясен. Оральний віром переважно складається з бактеріофагів .

_{Список літератури:}

• _{Grice, EA, & Segre, JA (2011). Мікробіом шкіри. Огляди природи. Мікробіологія , 9 (4), 244–253. http://doi.org/10.1038/nrmicro2537}
• _{Zou, S., Caler, L., Colombini-Hatch, S., Glynn, S., & Srinivas, P. (2016). Дослідження вірусу людини: де ми перебуваємо і що далі. Мікробіом , 4, 32. http://doi.org/10.1186/s40168-016-0177-y}
• _{Lukeš, J., Stensvold, CR, Jirků-Pomajbíková, K., & Wegener Parfrey, L. (2015). Кишкові еукаріоти людини вигідні чи комменсали? Патогени PLoS , 11 (8), e1005039. http://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005039}
• _{Булл, МДж, і Пламмер, Нью-Йорк (2014). Частина 1: Мікробіом кишечника людини у стані здоров’я та хвороб. Інтегративна медицина: журнал клініциста , 13 (6), 17–22.}
• _{Авіла, М., Ойціус, Д.М., та Йільмаз, Ö. (2009). Усна мікробіота: Життя з постійним гостем. ДНК і клітинна біологія , 28 (8), 405–411. http://doi.org/10.1089/dna.2009.0874}
• _{Американське товариство мікробіології. (2014, 12 березня). Бактерії, грибки об’єднуються, щоб викликати вірулентний карієс у малюків. ScienceDaily. Отримано 19 березня 2012 року з www.sciencedaily.com/releases/2014/03/140312132625.htm}