Объединение наук о микробиоме для глобального здоровья и устойчивого развития

Микроорганизмы повсеместны и неразрывно связаны со всей жизнью на Земле. Сообщество микроорганизмов, населяющих конкретную среду (растения, животные, почва, океан, кишечник), называется микробиомом.

Penn State One Health Microbiome Center — одно из крупнейших междисциплинарных объединений исследователей микробиома, включающее более 550 членов из 42 кафедр 10 колледжей. Недавно ученые центра опубликовали в журнале mBio статью о том, как подход "Единое здоровье" (One Health) может раскрыть потенциал микробиомов для улучшения глобального здоровья и устойчивого управления экосистемами.

Что такое подход "Единое здоровье"?

Сет Борденштейн, директор центра: Этот подход к здоровью человека учитывает его связи с сельским хозяйством и окружающей средой. Мы используем это название, чтобы обозначить наше стремление объединить разрозненные науки о микробиоме (растительный, человеческий, животный) и найти общие правила, применимые ко всем экосистемам.

Почему этот подход нужно расширять?

• Борденштейн: Традиционно One Health фокусировался на патогенах (например, происхождение HIV от приматов или SARS-CoV-2 от летучих мышей). Пришло время расширить фокус, включив все микроорганизмы и признав их полезные роли.
• Николь Гиннан, менеджер исследовательских проектов: Расширение подхода позволит рассматривать глобальное здоровье с точки зрения благополучия и устойчивости, а не только угроз. Это поможет понять, как микробы (включая полезные) перемещаются между разными системами, и, возможно, предотвращать болезни.
• Эрика Ганда, ветеринар: В животноводстве расширенный подход поможет оптимизировать здоровье животных, продуктивность и устойчивость продовольственного снабжения.

Почему важно изучать микробиомы?

• Гиннан: Раньше микробиом считали инструментом, а не отдельной дисциплиной. Теперь мы понимаем ключевую роль микробов в здоровье всех систем. Науке о микробиоме нужны свои фундаментальные принципы, для чего необходимо сравнивать разные системы.
• Борденштейн: Раньше микробы считались только возбудителями болезней. Теперь мы знаем, что, возможно, лишь 1% микробов человека вредны, а остальные 99% безвредны или полезны. Для решения долгосрочных проблем здоровья и устойчивости нужно учитывать всех микробов, а не только патогены.

Примеры микробиомов помимо кишечника

• Борденштейн: Любая среда — корни растений, почва, кожа амфибий, искусственная среда — имеет свой микробиом. Здоровье системы можно понять, только зная, какие микробы в ней есть и как они перемещаются между средами.
• Ганда: Микробы — главные переработчики. Без них мы были бы погребены под опавшими листьями.
• Гиннан: По оценкам, 50% всей биоразнообразия Земли находится в почве. Микробиомы повсюду и влияют на нашу жизнь, перемещаясь между почвой, растениями, животными и обратно.

Смена фокуса: от патогенов к благополучию

• Борденштейн: Теперь в центре внимания — возможность структурировать микробиом в организме или среде, чтобы предотвратить болезнь. Можно создать синтетический микробиом, который, будучи внедренным в среду, будет защищать от инфекций и естественным образом улучшать здоровье.
• Гиннан: В сельском хозяйстве мы фокусируемся на управлении микробиомами для повышения устойчивости. Интенсивное земледелие с синтетическими удобрениями нарушает естественные взаимодействия растений и микробов. Мы разрабатываем методы (посев покровных культур, добавление специфических веществ в почву) для поддержания микробного разнообразия и функций, критически важных для здоровья растений.
• Ганда: У коров и других жвачных животных питание зависит от микробов в их желудке. Эти микробы позволяют им извлекать энергию из травы — "суперсила", которой нет у человека. Это прямая связь между микробиомом коровы и питанием человека (мясо, молоко).

Как использовать связи между микробиомами?

Гиннан: Ни одна система на Земле не изолирована. Нужно выявить общие принципы, например, как разные микробиомы реагируют на стресс. Появляются ли одни и те же микробы или гены? Позволит ли это найти базовые правила для микробных сообществ? Понимание этих закономерностей позволит управлять микробными сообществами для поддержки глобального здоровья.

Проблемы применения подхода One Health

Борденштейн: Ключевая проблема — структура фондов, финансирующих исследования. NSF фокусируется на фундаментальной науке, NIH — на науке о человеке, USDA — на сельском хозяйстве. Науке о микробиоме в рамках One Health нужно объединить все это. Наш призыв к действию — переосмыслить исследовательскую систему для решения более широких вопросов.

Роль Penn State и центра

• Гиннан: Университет поддерживает междисциплинарные исследования. Мы продвигаем науку в командах, где специалисты из разных областей работают вместе с самого начала.
• Борденштейн: Мы — единственный в мире центр One Health Microbiome Center. Инвестиции Penn State 10-15 лет назад в найм молодых ученых окупаются сегодня творческими междисциплинарными исследованиями.
  • Пример: сотрудничество с Центром репродуктивной биологии и здоровья для создания первой в USDA программы обучения аспирантов в области репродуктивных микробиомов животных.
  • Создана первая в своем роде программа двойного диплома по наукам о микробиоме, где студенты могут выбрать из 40 курсов.
• Ганда: Программа двойного диплома родилась на встрече факультетов, когда стало ясно, что мы учим студентов одним и тем же базовым вещам по отдельности. Вместо того чтобы изобретать велосипед в своих "силосах", мы объединили ресурсы. В Penn State есть необходимые ресурсы, и люди готовы к сотрудничеству.