Чтобы выжить в кишечнике человека, бактериям нужен генетический «пароль»

Кишечник человека — опасное место.

Бактерии, живущие в кишечнике людей, выделяют токсины, чтобы отпугивать микробных захватчиков. Но кишечник каждого человека имеет свой собственный набор токсинов — индивидуальный «пароль», который микробы должны разгадать, чтобы выжить, сообщают ученые 30 октября 2019 года в журнале Nature.

Результаты показывают, что не существует универсального подхода к пробиотикам или живым биопрепаратам — микробным добавкам, способствующим росту полезных бактерий, говорит соавтор исследования Джозеф Мугус, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) в Вашингтонском университете (UW). Работа его команды — это ранний шаг к пониманию того, как ученые могли бы адаптировать полезные микробы для разных людей.

«Манипулирование кишечными микробами для улучшения здоровья очень перспективно, — говорит он, — но правила колонизации кишечника неясны». Теперь у ученых есть лучшее представление о том, что нужно бактерии, чтобы поселиться в нем.

Кишечник человека изобилует бактериями. В одном грамме фекалий содержится около 100 миллиардов бактериальных клеток, а кишечные бактерии превосходят по численности человеческие клетки в соотношении 10 к 1. Эти микробы, коллективно называемые микробиомом кишечника, выполняют различную «техническую» работу, говорит Мугус. Они переваривают пищу, поддерживают целостность поверхности кишечника, поставляют витамины и изгоняют вредные бактерии. «Микробиом кишечника очень важен для здоровья человека — это мы точно знаем», — говорит он.

За последнее десятилетие команда Мугуса выяснила детали бактериального защитного механизма, называемого системой секреции VI типа. Это как молекулярный шприц, который впрыскивает токсины в соседние клетки. Токсины разрушают клеточные стенки, расщепляют мембраны и уничтожают источник энергии клеток. «Они довольно коварны», — говорит он.

Бактерии используют гены иммунитета, чтобы нейтрализовать эти токсины и защитить себя. Захватчики, у которых нет нужных генов, изгоняются из кишечника. Команда Мугуса считала, что гены токсинов и иммунитета существуют парами, как замок и ключ. Но анализ данных более чем 1000 образцов человеческого кала выявил нечто удивительное.

Гены иммунитета кишечной бактерии Bacteroides fragilis значительно превосходили по численности гены токсинов. Все эти дополнительные гены иммунитета, как обнаружила команда, на самом деле принадлежали другим бактериям. Эти бактерии украли гены B. fragilis, чтобы защититься от её токсинов. Это означает, что эти гены должны быть критически важны для выживания бактерий в кишечнике, говорит Мугус, — о чем ученые раньше не знали.

Команда Мугуса, включая микробиолога Бенджамина Росса, работала над геномным анализом с Эльхананом Боренштейном из UW. С тех пор Боренштейн переехал в Тель-Авивский университет, а Росс сейчас работает в Дартмутском колледже. «Это сотрудничество было очень интересным, потому что оно вывело обе наши группы в новые области», — говорит Мугус.

Эксперименты в лаборатории показали, что гены иммунитета группируются вместе на участках ДНК, которые могут перескакивать от одного штамма бактерий к другому. В лабораторных чашках и у живых мышей бактерии, получившие эти гены, немедленно становились устойчивыми к токсинам B. fragilis.

Более того, команда обнаружила, что образцы человеческого кала имели уникальные комбинации генов токсинов и иммунитета. «Таким образом, то, что требуется для выживания в микробиоме одного человека, может не подходить для микробиома другого человека», — говорит Мугус.

Результаты могут помочь объяснить, почему людям так сложно манипулировать составом своего микробиома, говорит он. «Универсальные подходы к колонизации кишечника определенными бактериями могут никогда не увенчаться успехом — и, возможно, их нужно индивидуализировать».