Случайные встречи влияют на разнообразие микробиома

В пищеварительном тракте человека обитают триллионы бактерий, и эти сообщества содержат сотни или даже тысячи видов. Состав этих популяций может сильно различаться у разных людей в зависимости от таких факторов, как диета, воздействие окружающей среды и история здоровья.

Новое исследование популяций микробов у червей указывает на ещё один фактор, который может способствовать этому разнообразию: случайность.

Исследователи MIT обнаружили, что когда они помещали генетически идентичных червей в идентичные условия и кормили их одинаковой пищей, у червей формировались очень разные популяции бактерий в кишечнике — в зависимости от того, какие бактерии случайно попали туда первыми.

«Это исследование показывает, что неоднородность может быть обусловлена случайностью первоначального события колонизации. Это не означает, что разница между любыми двумя особями обязательно должна быть вызвана этим, но это потенциальный источник, которым часто пренебрегают, когда думают об этом разнообразии», — говорит Джефф Гор, адъюнкт-профессор физики.

Гор — старший автор исследования, которое опубликовано в выпуске журнала PLOS Biology от 3 марта. Ведущий автор статьи — постдок MIT Николь Вега.

Простая модель

Вариации в микробиоме кишечника человека, как было показано, способствуют желудочно-кишечным расстройствам, таким как колит и болезнь Крона, а исследования показывают, что состав микробиома также может влиять на диабет, болезни сердца и рак.

«Мы знаем, что кишечные сообщества различаются у разных людей и что это может иметь действительно важные последствия для здоровья и болезней, но часто трудно выяснить происхождение этого разнообразия между разными людьми», — говорит Гор.

Исследователи выбрали для изучения червя C. elegans, потому что это одно из самых простых животных с пищеварительным трактом, колонизированным бактериями, что даёт возможность смоделировать то, что может происходить в кишечнике человека.

«В идеале нужно взять группу идентичных особей, поместить их в идентичную среду, а затем посмотреть, будут ли микробные сообщества одинаковыми или разными. Это очень сложный эксперимент для людей, но с модельными организмами он выполним», — говорит Гор.

C. elegans потребляют бактерии как часть своего обычного рациона, поэтому исследователи сначала кормили группу генетически идентичных червей смесью из шести различных видов бактерий. В начале эксперимента в пищеварительном тракте червей не было бактерий, но после воздействия идентичной бактериальной диеты у каждого червя сформировались очень разные популяции микробов в кишечнике.

Исследователи изучили это дальше, кормя червей смесью только двух типов бактерий, чтобы было легче изучать их взаимодействия. В этом сценарии все бактерии были E. coli, но половина была модифицирована для производства зелёного флуоресцентного белка, а другая половина — красного.

После недели такой диеты в пищеварительном тракте каждого червя было около 30 000 бактерий. Однако эти популяции не были равномерно разделены между красными и зелёными. Вместо этого каждая популяция доминировала тем или другим цветом. Это происходит, говорит Гор, потому что первоначальная колонизация кишечника — редкое событие, поэтому тот микроб, который попадёт туда первым, как правило, доминирует во всей популяции.

«Та цветная бактерия, которой повезёт и которая выживет, избежав поедания, и прикрепится к кишечнику, начинает расти и может вырасти, чтобы доминировать в кишечном сообществе», — говорит он.

Эта случайность, как правило, преобладает, когда скорость колонизации низкая. Когда исследователи кормили червей большим количеством бактерий, скорость колонизации возрастала, и исследователи обнаружили гораздо меньше различий между микробными популяциями отдельных особей.

Упускаемый из виду источник

Исследователи обнаружили тот же эффект, когда кормили червей двумя разными видами бактерий: Enterobacter aerogenes и Serratia marcescens.

Гор говорит, что эта случайная изменчивость может способствовать различиям в микробных популяциях, наблюдаемым в кишечнике человека, поскольку обычно лишь небольшая часть бактерий, потребляемых людьми и другими животными, выживает в процессе пищеварения. Однако, добавляет он, играют роль и многие другие факторы, такие как воздействие окружающей среды.

«Я не верю, что стохастическая колонизация является единственным или доминирующим источником неоднородности между особями, но я думаю, что это источник неоднородности, которым часто пренебрегают», — говорит Гор.

Его лаборатория сейчас изучает множество различных пар видов бактерий в кишечнике червя, чтобы выяснить, можно ли по результатам конкуренции между двумя видами предсказать исход, когда конкурируют три или более видов.