Новый член NAS раскрывает, как животные отбирают полезные микробы и отвергают вредные
Маргарет Макфолл-Нгай, профессор и директор Тихоокеанского исследовательского центра бионаук Школы наук о Земле и технологий Гавайского университета в Маноа, — единственная женщина в UH, являющаяся членом Национальной академии наук (NAS). В своей инаугурационной статье, опубликованной на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences в честь её вступления в одну из самых престижных научных групп страны, она и команда исследователей раскрывают недавно обнаруженный механизм, с помощью которого организмы отбирают полезные микробы и отвергают вредные.
Внутренние микробные сообщества, или консорциумы, млекопитающих, таких как люди, сложны, поскольку для здорового функционирования им требуется множество типов бактерий. Ткани дыхательной системы, фаллопиевых труб и евстахиевых труб выстланы ресничками — микроскопическими волосовидными структурами, выступающими с поверхности многих клеток животных. Основная роль этих реснитчатых тканей заключается в эффективном удалении токсичных молекул и нежелательных микробов; в работе, выполненной в основном доктором Джанной Наврот (ныне в Emulate, Inc., Бостон) и совместно руководимой Макфолл-Нгай и доктором Евой Кансо, специалистом по математическому моделированию в USC, показано, что эти реснитчатые ткани также избирательно привлекают полезные микробы, называемые симбионтами.
«Несколько лет назад, когда биомедицинское сообщество обнаружило, что все эти поверхности млекопитающих имеют богатый совместно эволюционировавший микробный консорциум, микробиом, который способствует здоровью этих систем, возник вопрос: как они это делают — то есть, с помощью каких механизмов они отбирают хорошие микробы и отвергают вредные?» — пояснила Макфолл-Нгай.
Реснитчатые ткани большинства животных недоступны для наблюдения и изучения. Используя гавайского кальмара-бобтейла и его единственный бактериальный симбионт, Vibrio fischeri, в качестве модельной биологической системы, совместная исследовательская группа — в составе биомеханика/биоинженера, физика-прикладника, математиков, специалиста по визуализации, микробиолога и Макфолл-Нгай, биолога развития и биохимика — исследовала процесс, с помощью которого подходящий вид симбионта привлекается в микробиом животного-хозяина, исключая все другие бактерии.
Эта модель даёт особое окно в такие сложные проблемы, потому что кальмар объединяется только с одним видом симбионта, который он выбирает, используя активность сложной реснитчатой поверхности. Кроме того, план тела этого животного таков, что исследователи могут использовать микроскопию, чтобы наблюдать за процессом на этой легко доступной поверхности ткани.
«Мы были удивлены, обнаружив два разных типа поведения ресничек, — сказала Макфолл-Нгай. — Одно поведение характерно для длинных ресничек — очень организованное, с волнами групп ресничек, бьющихся вместе. Эти поля ресничек служат для концентрации бактериального партнёра в областях, где произойдёт колонизация. Мы также обнаружили поля коротких ресничек, которые бились, но каждая независимо. Математическое моделирование и визуализация показали, что эти более короткие реснички служат для перемешивания химических сигналов клетки-хозяина, чтобы привлечь бактерии-партнёры».
Поскольку структура и функция ресничек сохраняются на протяжении всей эволюции животных, это исследование даёт представление об очень базовой функции реснитчатых поверхностей.
«С этой отправной точки мы можем начать определять, как вся система — клетки хозяина, их секреты и их бактериальные партнёры — работает, чтобы препятствовать колонизации этих тканей смертоносными патогенами, такими как те, что вызывают коклюш, стрептококковую ангину/ревматическую лихорадку и два разных типа пневмонии, — сказала Макфолл-Нгай. — Эта информация также может помочь в разработке способов стимулирования приобретения и роста полезных бактериальных партнёров вдоль дыхательных, репродуктивных и выделительных путей человека».
Почти три десятилетия Макфолл-Нгай и исследователь PBRC Эдвард Руби использовали систему симбиоза кальмара и бактерий для характеристики микробиомов животных. Они обнаружили бактерии, влияющие на развитие животных, и бактериальных партнёров, управляющих циркадными (суточными) ритмами их хозяина.
Эти и другие открытия способствовали расширению некогда узкого взгляда на микробный мир. На основе её выдающихся и продолжающихся достижений в оригинальных исследованиях Макфолл-Нгай была избрана в NAS в 2015 году. Избрание в NAS — одна из высших наград в области науки.