Инженерия стабильности в микробиоме: как гены направляют полезные бактерии в нужное место

Исследователи из Института Карнеги под руководством Уилла Ладингтона, Карины Гутьеррес-Гарсии и Кевина Аумиллера определили гены, которые позволяют полезному виду бактерий колонизировать конкретные области желудочно-кишечного тракта. Работа, опубликованная в Science, может изменить понимание того, как определяется состав микробиома кишечника, и открыть путь к его инженерии.

Микробиом кишечника — это экосистема из сотен или тысяч видов микробов, живущих в организме человека и влияющих на здоровье, фертильность и даже долголетие. Эти популяции помогают пищеварению, формируют иммунные ответы и борются с патогенами.

Однако микробиом неоднороден по всему кишечнику. Разные микробные сообщества локализованы в каждой зоне и играют там уникальные роли. Успешная колонизация зависит от множества факторов: потребностей бактерий в питательных веществах, локального pH и содержания растворенного кислорода, конкуренции с другими штаммами и выживаемости в суровых условиях (желудочная кислота, соли желчных кислот, клетки иммунного ответа).

«Мы говорим о невероятно сложной системе взаимосвязанных микробных сообществ, и каждый вид должен попасть в нужное место, где он может процветать и способствовать здоровью хозяина», — пояснил Ладингтон.

Ключевую роль в успешной колонизации играют белки в клеточных стенках бактерий — адгезины. Они могут прилипать к различным поверхностям в организме, но обычно связываются неспецифично.

Чтобы решить эту загадку, команда разработала технологию, позволившую в реальном времени наблюдать, как отдельная клетка бактерии Lactiplantibacillus plantarum колонизирует свою нишу в кишечнике плодовой мушки (Drosophila melanogaster). Этот организм идеален для таких исследований, так как виды, составляющие его микробиом, хорошо определены и немногочисленны.

Высокодетальное наблюдение позволило ученым увидеть разницу между кратковременной и долгосрочной колонизацией. Они обнаружили, что L. plantarum, изолированный из кишечника диких мух, способен прочно прикрепляться к тканям хозяина, в то время как L. plantarum из человеческих и других источников формировал лишь временные связи.

Используя эту информацию, исследователи определили генетическую основу этой «супер-адгезии». Кропотливая работа позволила идентифицировать набор генов, ответственных за симбиотическую колонизацию кишечника в конкретной нише.

«Определив гены, которые позволяют L. plantarum колонизировать специфические ниши, мы теперь понимаем, как придать большую точность другим бактериям», — сказал соавтор работы Кевин Аумиллер. — «Это открывает путь к созданию пробиотиков, оптимизированных для конкретных ниш в человеческом кишечнике».

«В перспективе мы попытаемся выяснить механизм, лежащий в основе этой специфичности связывания», — заключил Ладингтон.