Эд Йонг о микробиоме

«Множества во мне: микробы внутри нас и грандиозный взгляд на жизнь»

О КНИГЕ ЭДА ЙОНГА - ИЗВЕСТНОГО ПОПУЛЯРИЗАТОРА МИКРОБИОМИКИ

Прим.: На данной странице мы разместили два интервью с Эдом Йонгом, известным научным журналистом, а также один отрывок из его книги о микробиоме...

Когда Антони ван Левенгук, суконщик второй половины XVII века, ставший учёным-любителем, впервые описал микроорганизмы, многие сочли его сумасшедшим. При помощи самодельного микроскопа он исследовал каплю воды из ближайшего пруда и зубной налёт соседей по городу Делфт, Нидерланды. И стал первым, кто заглянул в густонаселённый мир, ранее недоступный человеческому глазу. Позже мы узнаем, что огромная система бактерий, археобактерий, грибов и других микроорганизмов необходима для жизни на Земле. Что мы эволюционировали из этих микробов — и вместе с ними. Но люди того времени не представляли, что делать с безумными описаниями Левенгука, его заметками о «маленьких животных», которые «плавали проворнее, чем я когда-либо видел», записями, которые легли в основу микробиологии. Три с половиной столетия спустя научный журналист Эд Йонг (Ed Yong) продолжил дело Левенгука.

Edmund Soon-Weng Yong,  широко известный как Эд Йонг (1981 г.р.), известный британский научный журналист и блоггер. Его нестандартные подходы в написании научно-популярных статей характеризуются многими коллегами как "будущее научной журналистики". За свои работы журналист был удостоен ряда наград. В 2010 году он получил награду от Национальной Академии наук в США в знак признания его онлайн-журналистики. В том же году он получил сразу три награды от ресурса ResearchBlogging.org, который поддерживает научную онлайн-журналистику, адаптирующую уже опубликованные исследования для более широкой общественной аудитории. В 2012 году он был удостоен премии Национального Союза журналистов (NUJ), а в 2014 году получил награду от Ассоциации британских научных писателей (ABSW) за лучший научный блог. Писатель  ведет хронологию науки о жизни микробов в течение многих лет не только в своем блоге, но и в таких изданиях, как Нью-Йорк Таймс, в Атлантике (где он теперь числится собкором).

В Августе 2016 года в США в продажу поступила первая «дерзкая» книга Эда Йонга под названием «I Contain Multitudes: The Microbes Within Us and a Grander View of Life», что переводится как «Множества во мне: микробы внутри нас и грандиозный взгляд на жизнь».

"Если к нам как следует присмотреться при достаточном увеличении, можно решить, что мы с вами в гораздо большей степени бактерии, чем приматы".

Предыстория к написанию книги началась, пожалуй, с кишечника мыши. В 2013 г. научный журналист Эд Йонг был поражен результатами исследований о переносе микробов из кишечника тучных и худых людей во внутренности новорожденных лабораторных мышей. Оказалось, что те грызуны, которые получили микрофлору худых людей, спустя несколько недель сохраняли нормальный процент жира в теле, а те, которым досталась кишечная микрофлора толстяков, начинали набирать вес (хоть и питались нежирной пищей). Когда мышей обеих групп после заражения помещали в одну клетку, и они начинали обмениваться микрофлорой (мыши иногда поедают фекалии), то микробиота худых «побеждала» микробиоту толстяков: обе группы мышей оставались худыми.

Как говорит Йонг, эти “тайные властители жизни на земле” обитают в невероятно сложных условиях, и подселение нескольких миллиардов из них в какую либо часть нашего тела (как кишечный тракт, например, или кусок кожи) – это все равно, что запустить животных в пустынные земли: может это пойдет на пользу экосистеме, а может быть и нет, но у нас есть шанс это выяснить. Его новая книга, это глубокое погружение в мир микробов, как внутри, так и вокруг нас. Мы многого не знаем о микробах, но то, что уже известно, и как это изложено в книге Йонга, очень интригует. Автор увлекательно описывает, как в течении времени огромный невидимый мир микроорганизмов формировал нас и других представителей царства животных, и как бактерии сегодня влияют на нашу иммунную систему и вмешиваются в генетику.

«Развивается микробиомика, наука, которая изучает микроорганизмы, живущие внутри нашего тела и на его поверхности, а время войны с микробами заканчивается», - отмечает Йонг, «но мы только начинаем учиться сосуществовать с ними».

Наши тела в основном бактерии.

Беседу с Эдом Йонгом ведет Джулия Беллаз, канадская научная журналистка, лауреат National Magazine Award, публиковалась в Vox, Maclean’s, BMJ, The Economist, The Medical Post и других изданиях, старший корреспондент Vox.

Я поговорила с Йонгом об эволюции восприятия, о том, как изучение микробиома превратилось из маргинальной науки в область, привлекающую все больше внимания, а также о том, как отличить подлинные перспективы этой науки от шума вокруг неё.

Мы произошли от микробов

— Как микроорганизмы повлияли не только на происхождение человека как вида, но и на наше выживание? За что мы их недооцениваем?

— Если мы посмотрим на царство животных в целом, мы увидим, что микробы открыли потрясающие эволюционные перспективы для животных. Во многих смыслах слова они — основа нашего успеха.

Например, существует более 80 тысяч видов насекомых, питающихся соком растений. Внутри клеток этих насекомых живут микробы, синтезирующие питательные вещества, которые отсутствуют в растительном соке.

Коровы, овцы и большинство травоядных полагаются на помощь микроорганизмов в том, что касается пищеварения. Многие другие животные — от некоторых жуков до крыс и коал — нуждаются в микробах для обезвреживания ядов, поступающих в организм с пищей.

Когда я посещаю зоопарки, смотрю документальные фильмы, перечитываю любимые с детства книги, я вижу этот скрытый уровень. Всё живое, что мы можем увидеть невооружённым взглядом, поддерживается организмами, которых мы увидеть не можем.

Что касается человечества, мы знаем, что микробы играют действительно важную роль в нашей жизни. Мы знаем, что они выстраивают и обучают нашу иммунную систему. Мы знаем, что они формируют некоторые органы, и что отдельные части наших тел не развиваются правильно, если в нас нет благополучно существующего сообщества микроорганизмов. Мы знаем, что живущие в нас микробы могут влиять на наше поведение и создавать препятствия на пути других микробов, вызывающих болезни.

То, о чём мы думаем как о личной территории, на самом деле представляет собой результат содружества между нами и множеством микроорганизмов. Например, традиционно считалось, что иммунная система — это защитная сила, блокирующая всё, что не является нашим телом, обнаруживающая и уничтожающая микробов.

Но в действительности мы видим, что микробы влияют на развитие иммунной системы, а она, в свою очередь, толерантна ко многим микроорганизмам. Работа иммунной системы заключается в том, чтобы держать эти микроорганизмы в нужных местах и постоянно проверять, правильные ли виды микробов живут в нас.

— Мы обнаружили микроорганизмы около 350 лет назад. Но они живут вокруг нас гораздо, гораздо дольше.

— Земля существует около 4,5 миллиардов лет. И большую часть того времени, что прошло с момента зарождения жизни — несколько миллиардов лет — жизнь была представлена преимущественно микробами.

Если мы представим всю историю Земли в виде одного календарного года, то окажется, что жизнь возникла на планете приблизительно в марте. Многоклеточные организмы, к которым мы привыкли, возникли только в октябре. А люди появились совсем, совсем недавно.

Мы — что-то вроде посыпки на пироге жизни. А на протяжении длительного времени жизнь на планете управлялась именно микробами, они преобладали. И с определённой точки зрения, это так и осталось по сей день.

— Вы очень хорошо сказали: «Микробы — не враги животных, а основа, на которой царство животных возникло». Это так чётко описывает процесс коэволюции — и одновременно показывает, как мы ошибались, оценивая роль микроорганизмов.

— Да. Наше восприятие микробов возникло в те времена, когда Роберт Кох и Луи Пастер, пионеры микробиологии, продемонстрировали, что микроорганизмы могут вызывать заболевания. И так мы думали о микробах на протяжении многих десятилетий. Как о причине эпидемий и признаке грязи. Мы хотели отпугнуть их или уничтожить.

Я думаю, что мы долго пренебрегали микроорганизмами и долго боялись. И ещё я думаю, что сейчас мы начинаем ценить их.

Микробомба: антибиотики

— Сейчас мы лучше понимаем важность той роли, которую играют микроорганизмы. Мы больше не воспринимаем их как нечто, что непременно нужно уничтожить. Но мы также должны признать, что слишком активно использовали антибиотики, и теперь должны победить возникшие в результате этого злоупотребления супербактерии.

— Бесспорно, что антибиотики стали огромным прорывом в области создания лекарств. Возможно, самым большим. Они излечили множество инфекционных заболеваний и спасли очень много жизней.

Но очевидно также, что антибиотики отрицательно действуют на наш микробиом. Это оружие массового поражения. Антибиотики уничтожают полезные микроорганизмы, от которых мы зависим, одновременно с микробами, вызывающими болезни. В этом смысле они больше похожи на атомные бомбы, чем на оружие, бьющее по определённой цели.

Сейчас мы оказались в трудной ситуации. С одной стороны, эффективных антибиотиков остаётся всё меньше, а устойчивые к антибактериальным препаратам микроорганизмы представляют всё большую угрозу общественному здоровью. Но с другой — мы понимаем всю важность сохранения микробиома.

Многие претензии к антибиотикам и их влиянию на микробиом преувеличены. Мы видим, что антибиотики воздействуют на микрофлору. Известно также, что у взрослых — и даже, в определённой мере, у детей — микрофлора затем восстанавливается. Она пластична.

В какой степени антибиотики негативно влияют на микробиом — вопрос открытый. Много говорится о том, что антибиотики повышают риск развития ожирения или бронхиальной астмы, поскольку они меняют микробиом детей. Но многие из этих заявлений основаны на исследованиях, которые проводились на животных, и зарегистрированные в них эффекты совсем незначительны. Что же касается людей, эпидемиология оказывается довольно сложной.

— В свете этого, как мы должны относиться к антибиотикам?

— Уже ясно, что мы должны ограничить бесконтрольное использование антибиотиков и их применение без необходимости. Очевидно, что людям часто назначают антибиотики в тех случаях, когда они бесполезны. Например, при вирусных заболеваниях или даже при бактериальных — но тогда, когда возбудитель уже выработал резистентность. Дети получают гораздо большие дозы антибиотиков, чем это необходимо.

Если мы начнём применять антибактериальные средства более взвешенно, мы предупредим дальнейшее распространение устойчивых к антибиотикам бактерий. И мы поможем тем микроорганизмам, от которых зависим сами. Но демонизировать антибиотики не стоит. Мы не говорим: «О, тебе не следует принимать их никогда». Я думаю, тут есть риск поднять слишком много шума. В итоге родители, ребёнку которых назначили антибиотики, будут ждать чего-то плохого.

Как изменения в микробиоме делают нас больными или здоровыми

— В вашей книге вы упоминаете нелепо длинный список болезней, которые сейчас связывают с изменения микробиома (совокупности микроорганизмов, живущих на нас и внутри нас). В этот список попал сахарный диабет 1 типа, болезнь Крона, инсульт и даже псориаз.

— Микробиом действительно связывают с таким количеством заболеваний, что это выглядит почти карикатурно. Я думаю, что со временем выяснится, что многие из этих связей — не причинно-следственные, а всего лишь случайные корреляции.

— Верно. Вы отмечаете, что даже если доказать наличие причинно-следственной связи между, скажем, аллергиями и изменениями в микробиоме, это создаст намного больше вопросов, чем ответов.

— Я думаю, есть основания считать, что микробиом оказывает сильное влияние на наше здоровье. В исследованиях на животных было показано, что, если вы пересадите микробиом от больной особи к здоровой, некоторые признаки заболевания перейдут вместе с ним. Речь идёт, например, о болезнях сердца, колоректальном раке, ожирении, нарушениях пищеварения и воспалительных заболеваниях кишечника.

Но при этом, я думаю, остаётся открытым важный вопрос. Если микроорганизмы действительно влияют на эти заболевания, они их вызывают или только ухудшают течение? И если влияние есть, то насколько оно сильно? Насколько выражен эффект и можно ли его сравнивать с другими факторами, повышающими риск заболеть?

— Какие возможности изменения микробиома для восстановления здоровья вам кажутся наиболее перспективными?

— Я вдохновлён работами по исследованию мальнутриции (синдрома недостаточного питания). Очень хорошие исследователи, например, Джефф Гордон (Jeff Gordon) и Дэвид Миллс (David Mills) изучают детей в таких местах, как Малави и Бангладеш. Их работы показали, что микробиомы этих детей не созревают с нормальной скоростью. Получается, что микробиологический возраст намного отстаёт от биологического. И, видимо, это связано с симптомами мальнутриции.

И это может объяснить, почему мальнутрицию очень трудно вылечить очевидными способами. Диета, богатая питательными веществами, работает не очень хорошо. Может быть, дело в том, что дети, страдающие мальнутрицией, оказываются пойманы в порочный круг. Иммунные проблемы, проблемы с микробиомом, проблемы с кишечником — и все они подпитывают друг друга.

— Очень много шумихи вокруг темы ожирения и его связи с микробиомом. Лишний вес — это серьёзная, тяжёлая проблема. О том, что микробы могут быть тут замешаны, мы узнали более десяти лет назад. Но за прошедшее время прорывов в этой области было не очень много. Как вы можете это прокомментировать?

— Возможно, для изучения этой проблемы было проведено больше исследований, чем любой другой, касающейся микробиома.

Около 10 лет назад были опубликованы результаты работ, показавших, что микробиомы полных и худых людей (а также грызунов) отличаются. Оказывается, если вы возьмёте микроорганизмы, например, страдающей ожирением мыши, а потом пересадите их мыши, лишённой собственного микробиома, она наберёт больший вес, чем если бы в качестве донора выступала худая мышь. Предполагалось, что хотя бы в какой-то мере этот эффект был обусловлен причинно-следственной связью.

Позже появились более масштабные исследования и метаанализы, продемонстрировавшие, что результаты ранних работ невоспроизводимы. Так что мы оказались в довольно странном положении. В любом исследовании можно обнаружить явное различие между полными и худыми людьми, но эти результаты не воспроизводятся от работы к работе.

В целом это создаёт ощущение, что микроорганизмы, живущие в нашем кишечнике, могут влиять на то, как мы вырабатываем энергию и расщепляем питательные вещества, поступившие с пищей. Но, я думаю, вопрос, что это значит и как может быть использовано для улучшения здоровья, пока остаётся открытым.

— В книге вы отметили, что раньше изучение микробиома находилось на периферии научных исследований, эта тема была маргинальной. А сейчас она активно обсуждается, находится в центре внимания. Что послужило причиной подъёма интереса к микробиому в науке?

— Я думаю, дело в симбиозе учёных, который в итоге и привёл к этому эффекту. Эти люди работали в разных областях, а потом внезапно обнаружили, что наблюдают похожие тенденции.

А затем вы получаете техническое преимущество: методы секвенирования, которые позволяют описать и изучить микроорганизмы, что и демонстрирует подлинное разнообразие, лежащее в основе микробиомов.

И, наконец, дело в тех важнейших экспериментах, которые показали влияние на наше здоровье около 10 лет назад — исследованиях, посвящённых ожирению и воспалительным заболеваниям кишечника.

— Что вы делаете для микробиома? Я подозреваю, пробиотики вы не принимаете.

— Я не слишком сильно менял свои привычки (если менял их вообще) после того, как читал что-либо о микробиоме. Я думаю, эта область исследований всё ещё находится на ранней стадии. Но есть некоторые серьёзные результаты, например, мы знаем, что клетчатка — это отличный материал для «подкормки» самых разных микроорганизмов.

Лично я нашёл очень интересной идею, что состав микробиома постоянно меняется. Одни виды микробов встречаются в определённое время суток чаще, чем другие. Джетлаг нарушает этот цикл, ведь, когда мы путешествуем по разным местам, мы начинаем принимать пищу в случайное время.

Это исследование я принял так близко к сердцу, что изменил своё поведение. Поэтому теперь, если я возвращаюсь из Колумбии в Лондон, я попытаюсь приступать к еде в то время, в которое я бы ел, если бы был в Лондоне. Но я не знаю, действительно ли это влияет на последствия джетлага.

Грудное молоко — пища для младенцев и их микробов

— Вы упомянули об одном из самых замечательных доказательств нашей совместной эволюции с микроорганизмами. Об исследовании, посвящённом грудному молоку.

— Приблизительно на 10% грудное молоко состоит из сахаров, которые ребёнок на самом деле не может переработать. Они нужны, чтобы дать пищу микроорганизмам, находящимся в кишечнике младенца. Поэтому, когда мать кормит грудью, она даёт пищу не только своему ребёнку, но и его первым микробам. И в первую очередь она кормит специфические штаммы, эволюционировавшие так, чтобы иметь возможность перерабатывать присутствующие в грудном молоке сахара.

Так что грудное молоко не только питает микроорганизмы, но и выбирает из них нужные разновидности. Те, что развивались вместе с детьми, те, что будут защищать их здоровье и сформируют экосистему, устойчивую к воздействию других, более опасных, видов.

— Означает ли это, что женщине следует кормить грудью?

— Очевидно, что грудное молоко — это хорошо. Оно полезно и для микробиома, и для детей, и для матерей. Но если вы не кормите грудью, это не означает, что вы портите микробиом младенца.

Одна из вещей, которые я обнаружил, собирая материал для книги — это чрезвычайная гибкость физиологических механизмов. Развитие микробиома может нарушиться в результате множества факторов. И он определённо способен выдержать несколько ударов, сохранив возможность к восстановлению. А может быть, требуется очень много «щелчков», разрушающих микробиом, прежде чем его формирование нарушится.

И я думаю, это ещё одна вещь, которая нам пока непонятна: что в действительности может прервать нормальное развитие микробиома ребёнка?

— Я думаю, сейчас много страхов на тему «что происходит с вашим микробиомом, если вас не кормили грудью» или «если вы появились на свет при помощи кесарева сечения» или «если вы принимали много антибиотиков». Поэтому ваши слова о стойкости микробиома очень успокаивают.

— Я думаю, он устойчив в каких-то аспектах, а в каких-то — нет. Вопрос в том, как перечисленные факторы влияют на состояние микробиома в долговременной перспективе и как они взаимодействуют друг с другом.

Мы знаем, что все они воздействуют на микробиом, но что если мы не вполне правильно представляем их значение? Насколько серьёзны эти эффекты?

Сейчас довольно непростое время, потому что мы видим все эти вещи. И я думаю, сейчас очень сложно дать людям совет, касающийся здоровья, которому они могли бы следовать.

Беседу провела Джулия Беллаз (Julia Belluz), старший редактор Vox, 24 октября 2016

Магия микробов и другие вещи, которые мы узнали из новой книги Эда Йонга

Беседу ведет Сара Фэллон, старший редактор WIRED, ранее занимала пост управляющего редактора в журнале «Edutopia» и главного редактор в проекте «Red Herring».

Мы привыкли описывать иммунную систему военными метафорами. Возбудители болезни вторгаются в наши тела, пробивают оборону и пытаются нас убить. Мы отбиваемся с помощью дезинфицирующих средств и гигиены. Или же наносим «ядерный удар» по ним с помощью антибиотиков. Умная и шокирующая новая книга Эда Йонга «Множества во мне: микробы с нами и грандиозный взгляд на жизнь» заставит вас изменить свой взгляд на микробы.

Йонг, автор научно популярных книг, лекций TED, блоггер, проводит читателей по пути от коралловых рифов до задниц гиен, описывая ошеломляющее количество бактерий (и также вирусов), выполняющих свою работу для нас, людей и любой другой вещи на Земле. Как гавайские кальмары могут светиться? Всё благодаря микробам! Вам плевать на кальмаров? Вы измените своё мнение, прочитав описание Йонга о том как светящиеся бактерии колонизируют их и заставляют светиться. Ниже - семь других вопросов, которые вам возможно и не приходили в голову, но на которые можно найти ответ на этих страницах.

Как стоит правильно представлять иммунную систему?

Для начала не следует воображать, что это такая схватка между добром и злом. Микробы в вашем теле постоянно взаимодействуют с иммунной системой (так что вы не являетесь всё время зараженным или стерильным), заставляют работать определённые клетки; тренируют их, чтобы они могли отличать плохих парней от хороших. «Я думаю, что вернее будет представить иммунную систему как команду рейнджеров на патруле в национальном парке — менеджеров экосистемы» пишет Йонг. «Они должны тщательно контролировать количество местных видов и изгонять тех, кто доставляет проблемы». Потому что иммунная система - не регулярная армия. «Иммунная система не является просто средством контроля микробов. Она, по крайней мере частично сама контролируется микробами». Получается - они вроде начальника для вас. Следует пересмотреть на них свои взгляды.

Что произойдёт, если все микробы на земле вдруг исчезнут?

Начнётся настоящий ад. Животные, которые едят траву (олени, коровы, лошади) будут голодать, так как им необходимы микробы в желудках, чтобы переваривать целлюлозу. Кораллы потеряют свой цвет. «В глубоких океанах множество червей, моллюсков и других животных нуждаются в бактериях для того, чтобы получать всю их энергию» пишет Йонг - «без микробов они также вымрут, и всем пищевым цепочкам этих тёмных, глубинных миров придёт конец». И не стоит ухмыляться, дорогие вегетарианцы! Микробы производят азот, в котором нуждаются растения, так что их исчезновение нанесёт удар и по растительной пище. Также Йонг замечает, что «микробы - короли распада». Поэтому везде будет дерьмо (гниющие листья и мёртвые тела).

Что такого крутого в слизи?

Скажу вам ребята, что слизь - сопли, козявки, мокрота — лучшая. Она состоит из огромных молекул, которые образуют большой клубок (Йонг называет это «Великая стена слизи») чтобы держать микробы там, где они и должны находиться. И у неё есть свой спецназ. Отряд из маленьких парней, которых называют фаги - вирусов, инфицирующих бактерии и убивающих их. «Представьте бесконечные орды с застывшими головами и вытянутыми конечностями, которые только и ждут шанса схватить проходящих мимо них микробов и задушить в смертельных объятиях» пишет он. Один из исследователей даже считает, что эти существа могут даже менять состав слизи и привлекать в неё конкретных фагов, которые убивают одних бактерий и не трогают других. Вот это да!

Почему у детей слабая иммунная система?

Большинство людей думают, что дети склонны к болезням потому что их иммунная система глупая и неопытная. Не совсем так. «Для того, чтобы позволить первым микробам колонизировать наши новорожденные тела, особый вид иммунных клеток подавляет защитные механизмы организма» пишет Йонг. Иммунная система засыпает и микробы могут проникнуть в организм и поселиться. Но конечно ребёнок хочет только лучшего и желает видеть одних лишь дружественных микробов на этом маленьком микробном дне рождения, что бывает не всегда. И тут мама придёт на помощь!

Зачем матери производить в грудном молоке двухсот типов молекул олигосахаридов,  если ребенок даже не может их переварить?

Смотри парень, дело не в тебе. Жиры и лактоза - это твоё, пей. Но олигосахариды - для микробов, а конкретно для одного особенного вида, называемого Bifidobacterium longum infantis. Вас по-настоящему удивит этот парень и вы будете не против, чтобы он был с вами. Потому что B. infantis, как пишет Йонг, получает своё питание поедая эти олигосахариды, и исторгает из себя короткие цепи жирных кислот. Клетки кишечника ребёнка, в свою очередь, едят эти жирные кислоты. Другими словами, мама кормит B. infantis, чтобы B. infantis кормил ребёнка. Ваш ребёнок ест зародышевый корм! Этот микроб также заставляет клетки кишечника производить протеины, которые соединяют всё вместе. И также создаёт противовоспалительные молекулы. Это выгодная сделка на самом деле. К сожалению, B. infantis может быть вымирающим видом. В развивающихся странах до 90 процентов детей имеют у себя этот микроб. В развитых это число составляет около 30 или 40 процентов. Учёные не уверены в том, почему это происходит, но, вероятно, это не хорошо.

Есть ли бактерия, у которой есть свои счёты к мужчинам?

Да! Вот некоторые вещи, которые способна делать Wolbachia pipientis. Она может уничтожать самцов определённого вида осы. Она может превратить самца мокрицы в самку. Она убивает детёнышей-самцов бабочек. «Женщины - их билет в будущее, мужчины же эволюционный тупик» - пишет Йонг - «таким образом, она изобрела множество способов уничтожать носителей-самцов, чтобы увеличить количество самок». О, но она ведь делает не только это? Данная бактерия защищает  москитов от вируса Зика, и может быть использована, чтобы защитить вас от Зика. Это демонстрирует нам: «Нет такого понятия как хороший микроб или плохой микроб. Эти значения - из детских сказок, которые не могут описать сумбурные, беспокойные, зависимые от контекста отношения природного мира… В реальности, бактерия существует вдоль континуума разных видов жизни, может быть как «плохим» паразитом так и «хорошим» соседом».

Существуют ли пробиотики для коз?

Есть такое растение в Австралии, которым люди пытались кормить коз, но для них оно оказалось ядовитым. Однако козы на Гавайях могут есть его. Так что учёный Раймонд Джонс («После нескольких длинных перелётов с термоколбами с образцами желудочной жидкости и других выделений живых коз»), привил австралийским козам микробы коз гавайских и - вуаля! Они смогли есть это ядовитое растение. Фермеры также покупают  Synergistes jonesii как «пробиотический опрыскиватель» для борьбы с вредителями. Что звучит несколько более приемлемо, чем фекальная трансплантация (процесс трансплантации фекальной бактерии от здоровой особи к реципиенту, как правило больному - ред.).

Бонус вопрос: Кстати о фекальной трансплантации! Какая самая худшая/лучшая шутка на данную тему в этой книге?

Ну, если вы захотите привить людям микробы, живущие в фекалиях, которые должны помочь при инфекции, вызывающей псевдомембранозный колит, но хотите не использовать сами фекалии… тогда вам потребуется равноценная замена, которой станет (барабанная дробь) - шампунь.

Беседу провела Сара Фэллон (Sarah Fallon), старший редактор WIRED, 28.07.2016 г.

Горизонтальный перенос генов или как микробы помогают нам эволюционировать

Отрывок из книги Эда Йонга, посвященный "горизонтальному переносу генов" бактерий.

Прим. ред.: Горизонтальный перенос генов (ГПГ) — процесс, в котором организм передаёт генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком. В отличие от горизонтального, о вертикальном переносе генов говорят, если организм получает генетический материал от своего предка.

При рождении вы унаследовали половину генов от матери и половину от отца. Эти кусочки ДНК останутся с вами на всю жизнь, к ним ничего не прибавится, и они никуда не исчезнут. Вы при всем желании не сможете одолжить парочку генов у меня, а я – у вас.

А теперь представьте себе мир, в котором друзья и коллеги могут обмениваться генами, когда захотят. У вашей начальницы есть ген, дающий иммунитет к разным вирусам? Берите его себе! У вашего ребенка генетическая склонность к какой-то болезни? Замените эти гены на свои, более здоровые! Дальние родственники легко переваривают тяжелую пищу благодаря определенному гену? Не вопрос, этот ген ваш! Гены в этом мире – не семейные сокровища, передающиеся по наследству из поколения в поколение, а предметы быта, которыми можно спокойно делиться друг с другом.

Как раз в таком мире и живут бактерии. Мы обмениваемся номерами, деньгами и идеями, а они – ДНК. Иногда бактерия подкрадывается к другой бактерии, они создают друг с другом физическую связь и начинают перемещать по ней туда-сюда кусочки ДНК. Еще они могут утащить себе кусочки ДНК, выброшенные разлагающимися трупиками бактерий. Иногда для перемещения генов из одной клетки в другую бактерии используют вирусы. Обмен ДНК для них такая частая процедура, что геном обычной бактерии буквально испещрен генами других бактерий. Даже у родственных штаммов нередко наблюдаются значительные генетические различия.

Горизонтальный перенос генов проводится бактериями уже миллиарды лет, но ученые об этом узнали только в 20-х годах прошлого века. Они обратили внимание на то, что безвредные штаммы пневмококка, побыв рядом с мертвыми вирулентными штаммами, внезапно и сами получали способность заражать. Причиной явно было что-то, находящееся в тех штаммах. В 1943 году микробиолог Освальд Эвери выяснил, что этим «чем-то» была ДНК: безвредные штаммы поглощали ее и делали частью своего генома. Через четыре года молодой генетик Джошуа Ледерберг (именно благодаря ему через некоторое время обрел популярность термин «микробиом») доказал, что бактерии могут обмениваться ДНК напрямую.

Прошло каких-то 60 лет, а мы уже знаем, что горизонтальный перенос – один из важнейших аспектов жизни бактерий. Благодаря ему бактерии могут развиваться с огромной скоростью. Им не нужно ждать, пока в их ДНК накопятся нужные мутации для преодоления новых задач и трудностей, ведь необходимые для адаптации гены можно приобрести оптом у тех, кто уже приспособился к новым условиям. Эти гены часто включают в себя «приборы» для разделки нетронутых источников энергии, «щиты» для защиты от антибиотиков и «боеприпасы» для заражения новых организмов. Если у бактерии появляется какой-то нужный ген, другие бактерии могут тут же его позаимствовать.

В результате безвредные обитатели кишечника способны внезапно стать опасными патогенами – из миролюбивых Джекиллов превратиться в злобных Хайдов. А уязвимые патогены, которых уничтожить – раз плюнуть, оборачиваются жуткими монстрами, с которыми не справятся даже самые сильные современные лекарства. Без всяких сомнений, распространение устойчивых к антибиотикам бактерий – одна из главных опасностей нашего века, и этот процесс на практике демонстрирует всю необузданную мощь горизонтального переноса генов.

Животные в этом плане отстают от бактерий: к новым трудностям мы адаптируемся постепенно. Организмы, которым повезло с мутациями, с большей вероятностью выживают и передают генетическую плюшку следующим поколениям. Со временем определенные полезные мутации появляются все чаще, а вредные потихоньку исчезают. Постепенные изменения, которые влияют на популяцию, а не на отдельные организмы, – основа естественного отбора. Лягушки, ласточки и люди накапливают полезные мутации со временем, но конкретная лягушка, ласточка или Людмила не могут просто так взять себе гены с желаемыми мутациями.

Хотя нет, иногда все-таки могут! Можно заменить микробов-симбионтов в своих организмах и получить новый набор микробных генов. Или дать новым бактериям возможность установить контакт с вашими – тогда чужие гены переместятся в ваш микробиом и наделят местных микробов новыми способностями. А может случиться и так, что микробные гены войдут в ваш собственный геном.

Вдоль японских побережий к камням цепляются красно-коричневые водоросли – это порфира, также известная как нори, и она уже больше 1300 лет набивает японские животы. Сначала ее перемалывали в съедобную пасту, потом стали сплющивать в тонкие листы, чтобы оборачивать ими суши. Так делают и в наши дни – нынче нори знают и любят во всем мире. Но с Японией у нее особенная связь: там нори употребляли в пищу в течение многих веков, и японцам переваривать ее проще всего.

У нас и у живущих в наших кишечниках бактерий необходимые для переваривания нори ферменты отсутствуют. Морским же микробам гораздо проще. Бактерии Zobellia galactanivorans, к примеру, были открыты всего 15 лет назад, а вот водорослями они питаются куда дольше. Представьте себе зобеллию несколько веков назад: сидит себе спокойно, пожевывает водоросли… И вдруг ее мир переворачивается с ног на голову: какой-то рыбак забирает ее ужин вместе с ней самой и готовит пасту нори. Семейство рыбака эту пасту ест и вместе с ней проглатывает бактерию. Она оказывается в совершенно новом для себя окружении: вместо прохладной соленой воды теперь желудочный сок, а на смену ее морским товарищам пришли какие-то странные, незнакомые ребята. Ну что же, зобеллия с ними знакомится и, как это принято у бактерий, обменивается генами.

Эту душещипательную историю мы знаем благодаря Яну-Хендрику Хейеманну: именно он обнаружил ген, явно принадлежащий Zobellia, в бактерии Bacteroides plebeius, проживающей в человеческом кишечнике. Это открытие стало настоящей сенсацией: что морской ген мог забыть в кишках у сухопутного человека? Разгадка кроется в горизонтальном переносе. Зобеллия не адаптирована для жизни в кишечнике, и ее круиз на нори длился недолго, однако за проведенное там время она вполне могла поделиться с бактероидесом своими генами, в том числе теми, что производят необходимые для переваривания морских водорослей ферменты – порфираназы.

Ранее, об этом исследовании мы давали информацию - см.: Кишечные бактерии помогают японцам переваривать водоросли)

Кишечный микроб, который приобрел эти гены, получил возможность использовать углеводы, попадающие в пищеварительную систему вместе с нори, – то есть у него появился новый источник энергии, недоступный для его сородичей. Хейеманн выяснил, что в этом микробе много генов, характерных не для других кишечных бактерий, а именно для морских микроорганизмов. Благодаря постоянному заимствованию у них генов этот микроб научился переваривать морские водоросли.

Впрочем, морские ферменты прикарманивает не только B. plebeius. Японцы едят нори на протяжении стольких лет, что пищеварительные гены, полученные от морских микроорганизмов, прямо-таки цветут на их кишечных бактериях. Однако вряд ли эти миграции происходят до сих пор: нынче повара подвергают нори такой термообработке, что микробам на водорослях уже не покататься. Гурманы прошлых лет ели водоросли сырыми, так что бактерии спокойно попадали в их организмы, а затем уже свои микробы, приобретя гены крушащих водоросли порфираназ, переходили по наследству детям этих гурманов.

Вместе с тем признаки такого наследования проявляются и в наши дни. Среди людей, на которых проводились исследования, была питающаяся материнским молоком малышка. Она никогда не пробовала суши, но бактерии в ее кишечнике содержали ген, вырабатывающий порфираназы. В ее организме уже имелось все необходимое для переваривания нори.

Открытие Хейеманна было опубликовано в 2010 году и до сих пор является одной из самых поразительных историй о микробиоме. Японские гурманы, просто поедая водоросли столетия назад, устроили пищеварительным генам потрясающий вояж с моря на сушу. Эти гены горизонтально переместились от морских микроорганизмов к кишечным, а затем вертикально – от одного кишечника к другому. Возможно, на этом их путешествие не закончилось. Поначалу Хейеманн нашел гены, вырабатывающие порфираназы, в микробиомах японцев, а у американцев их не было. Сейчас ситуация изменилась: у некоторых американцев, даже у тех, кто не имеет предков в Восточной Азии, эти гены в геноме отчетливо присутствуют.

Как такое могло произойти? B. plebeius взяла и перепрыгнула из японских кишечников в американские? Или эти гены попали в организм через других морских микробов, решивших украсить собой блюда с морепродуктами? Жители Уэльса и Ирландии давно используют водоросль Porphyra для приготовления традиционного лавербреда – может, именно они перевезли порфираназы через Атлантический океан? Пока ответа на этот вопрос не знает никто. Но, по словам Хейеманна, все говорит о том, что, «попав в организм первого носителя, где бы это ни случилось, гены могут распространиться по другим организмам».

Это превосходный пример того, насколько горизонтальный перенос может ускорить адаптацию. Людям не пришлось ждать, пока эволюция дарует им ген, подходящий для усвоения углеводов из морских водорослей: достаточно проглотить побольше микробов с этим геном, и вероятность того, что наши бактерии и сами научатся переваривать водоросли, будет очень велика.

Горизонтальный перенос генов зависит от близости микроорганизмов друг к другу, а наши тела устроены так, что микробы в них собираются тесными кучками. Говорят, что города – центры инноваций, так как люди в них концентрируются в одном месте, что позволяет быстрее делиться идеями и информацией. Аналогично тела животных являются центрами генетических инноваций, ведь чем ближе микробы друг к другу, тем проще им обмениваться генами.

Тела животных приютили в себе столько микроорганизмов, что их гены иногда становятся частью наших геномов. Случается и такое, что у новых носителей генов благодаря этому проявляются необыкновенные способности.

Кофейный жучок Hypothenemus hampei, например, включил в свой геном бактериальный ген, который позволяет личинкам этого вредителя пожирать углеводы, содержащиеся в кофейных зернах. У других насекомых ничего подобного нет и никогда не было, даже у родственных кофейному жучку видов, – этот ген есть только у бактерий. Он внедрился в геном ничего не подозревающего жучка, тот передал его другим жучкам, они распространились по кофейным плантациям и вскоре стали сниться в кошмарах

Некоторые животные используют гены, приобретенные путем горизонтального переноса, для защиты от паразитов. Это вполне логично – в конце концов, антибиотики мы получаем именно из бактерий. Микроорганизмы воюют друг с другом на протяжении миллиардов лет, а их генетическому оружию, изобретенному за все это время, можно только позавидовать. Семейство генов tae, к примеру, вырабатывает белки, которые протыкают внешние оболочки бактерий, вызывая смертельные протечки. Эти гены были разработаны микробами для борьбы с другими микробами, но потом они появились и у животных – например, у скорпионов и клещей. Также этими генами могут похвастаться актинии, устрицы, дафнии, морские блюдечки и даже ланцетники – близкие родственники позвоночных, в том числе и нас с вами.

Мир вокруг нас – огромное хранилище потенциальных компаньонов, имя которым – микроорганизмы. Все, что попадает к нам в желудок, может принести с собой сюрприз в виде новых микробов, которые смогут переварить неусвояемые прежде ингредиенты, обезвредить яд в несъедобном прежде продукте или убить паразитов, прежде убивавших нас. Каждый новый такой товарищ может помочь нам съесть чуть больше, пройти чуть дальше и прожить чуть дольше.

Большинство животных не имеют возможности порыться в исходном коде таких адаптаций и выбрать себе то, что нужно, так что им приходится надеяться лишь на удачу. Нам, людям, с этим куда проще. Мы можем производить новые идеи, планировать и решать проблемы, а еще у нас есть огромное преимущество перед другими животными: мы знаем, что микробы существуют! У нас даже есть инструменты, с помощью которых мы их видим.

Мы можем их выращивать. Мы обладаем всеми возможностями для того, чтобы расшифровать законы, управляющие их существованием, и понять природу нашего с ними сотрудничества. И это дает нам власть, чтобы контролировать такое сотрудничество. Мы можем заменить слабые сообщества микробов на более сильные, улучшающие здоровье. Мы можем создавать новые симбиозы для борьбы с болезнями. А также разорвать давние союзы, которые ставят наши жизни под угрозу.

Перевод текста: Полина Иноземцева, журнал batrachospermum

По теме микробиома см. также:

• Кишечная микрофлора превращает человека в "сверхорганизм"
• "Бактерии" с Андреем Шестаковым
• Как микробы, живущие в нашем теле определяют наше  здоровье и нашу личность