Мікроби гарні та не дуже. Здоров’я і виживання у світі бактерій - Джессіка Снайдер Сакс

їм виповниться три дні) не лише робить кишкову вистилку стійкою до ушкоджень, але й гарантує, що резидентні бактерії товстого кишечника не поселяться надто глибоко й не розростуться надто рясно. Переважна більшість бактерій видаляється на борту злущених епітеліальних клітин із повсякденним випорожненням кишечника. Ґордон розуміє, що весь цей поділ дорого коштує, адже народження кожної нової клітини несе з собою ризик того, що якась випадкова мутація відключить гальма поділу клітин і призведе до розвитку раку. Як гастроентеролога, його геть не дивує, що рак товстого кишечника посідає друге місце серед основних причин смерті від раку в промислово розвиненому світі (зразу після пов’язаного з курінням раку легень).

Ранні дослідження Ґордона були присвячені тому, яким чином різні гени вмикаються й вимикаються в конкретний час розвитку клітин кишечника, коли ті переміщуються з розщелини до піку вздовж кишкової ворсинки. Він дійшов висновку, що гени отримують для цього чіткі інструкції. Але звідки? Загальноприйняті міркування скерували б Ґордона шукати ці біохімічні сигнали в тканинах та органах, що лежать під кишковою вистилкою. Натомість він зацікавився можливістю того, що клітини отримують свої «маршрутні листи» від бактерій, які обліплюють їхню зовнішню поверхню.

З огляду на сотні різних видів бактерій та інших мікробів, що живуть усередині товстого кишечника в будь-який момент, Ґордон розумів, що для перевірки його теорії потрібна якась спрощена модель. Від мікробіолога з Іллінойського університету Ебіґейл Сельєрс персонал Ґордона навчився вирощувати безмікробних мишей. За їхньою допомогою він пізніше зумів простежити, що відбувається, якщо повертати назад по одному представникові мікрофлори за раз. Як неофіційний керівник лабораторії, Сельєрс також дала Ґордонові стартовий набір B. theta, виділеної з випорожнень здорової людини-добровольця. Вона вже виявила, що B. theta однаково добре росте в кишечнику мишей і людей. Ґордон пішов ще далі, показавши, що цей мікроб є доволі вимогливим кишковим мешканцем.

Наприклад, його команда спіймала B. theta за випрошуванням подачок, коли миша не отримувала своєї звичайної їжі. Сельєрс уже продемонструвала, що B. theta переживає такі голодні часи, харчуючись цукристою речовиною (фукозою), що її виділяють кишкові клітини. Пізніше ж співробітники лабораторії Ґордона виявили, що кишкові клітини виробляють цю поживу лише за наполяганням B. theta. Спочатку вчені продемонстрували, що кишкові клітини безмікробних мишей перестають виробляти фукозу через кілька тижнів після народження. «Було схоже на те, що вони готувалися до прийому гостей, які так і не прибули», – каже Ґордон. Але достатньо впорснути в глотку дорослої безмікробної миші порцію Bacteroides, як цукрове виробництво відразу ж поновлюється. Після цього його співробітники використали три типи мутантів B. theta (знову наданих Сельєрс), аби розшифрувати, що ж саме там відбувається. Одній групі безмікробних мишей вони ввели штам B. theta, що не міг безпосередньо прикріпитися до кишкової клітини. Попри це клітини почали виробляти фукозу. Іншу групу безмікробних мишей вони заселили мутантами B. theta, що не могли споживати фукозу, однак кишкові клітини все одно її виробляли. Постачання цієї їжі не почалося лише в мишей, що були заселені моноколонією штаму B. theta, нездатного виділяти конкретний білок, який, за підозрою дослідників, був біохімічним сигналом із проханням про подачку. Іншими словами, цукрове виробництво клітин виникало не просто у відповідь на дотик бактерій або вичерпування запасів фукози. Ключем було повідомлення «погодуй мене» від B. theta, що вмикало мишачий ген, який інакше поринав би в сон після перших кількох днів життя. Це відкриття стало першим чітким підтвердженням колись дуже дивної ідеї Ґордона, що кишкові бактерії можуть безпосередньо контролювати діяльність кишкових клітин.

У 1990-х роках поява методу ДНК-мікрочипів (генних чипів) дала Ґордонові потужний новий інструмент для досліджень. Генні чипи дозволяють ученим сканувати активність тисяч генів одночасно. Вони використовують тисячі флуоресцентно позначених фрагментів ДНК, розташованих у чітко визначених місцях на решітці завбільшки з предметне скельце мікроскопа. 2002 року співробітники лабораторії Ґордона використали «мишачий чип», що містив десь із двадцять тисяч відомих мишачих генів, задокументувавши вмикання сотень цих генів, коли раніше безмікробна миша отримує свою першу порцію B. theta. Як Ґордон і очікував, ці гени включали в себе багато з тих, що залучені в нормальному дозріванні кишкової вистилки. Введення B. theta також вмикало мишачі гени, залучені у виробництві конкретних транспортних молекул, необхідних кишковим клітинам для всмоктування й використання багатьох поживних речовин, наданих їм B. theta та спорідненими бактеріями. Усе це посилило враження Ґордона, що B. theta відіграє особливо важливу роль у сприянні здоров’ю кишечника.

Команда Ґордона завершила секвенування 4779 білкотвірних генів B. theta в 2003-му, у той самий рік, коли й проект «Геном людини» завершив секвенування Homo sapiens. Було виявлено, що понад 100 з цих генів B. theta призначає для пошуку неперетравлених рослинних цукрів, а ще 170 – для розщеплення їх на компоненти, які миша (або людина) здатна засвоїти. B. theta також володіє складним апаратом відчуття, які поживні речовини доступні їй в будь-який конкретний час, аби дібрати правильну комбінацію біохімічних інструментів для поводження з ними.

Секвенування геному B. theta також дало дослідникам із лабораторії Ґордона чип цього мікроба, на додачу до мишачого, який у них уже був. Тепер вони могли слідкувати за обома сторонами біохімічного спілкування, що відбувалося між господарем і мікробом. Наступного 2004 року співробітники лабораторії виявили, що вимогливість B. theta сягає за межі кишечника. Вони спіймали її за виданням «маршрутних листів» жировим клітинам черевної порожнини миші. Зокрема, вони виявили, що B. theta зупиняла виробництво гормону, який пригнічує розвиток жиру, відомого як фактор жирової тканини, що індукується голодом (Fiaf). Це відкриття багато в чому пояснило раніше спостереження. Коли дослідники заселяли безмікробних мишей впорскуваннями B. theta в глотку, у тварин одразу починав відкладатися жир на животі, навіть за умови поїдання на 30 % менше їжі та переживання спалаху метаболічної активності, що спалював майже на 30 % більше калорій. Після чотирнадцяти днів із B. theta жирові запаси мишей у середньому збільшувалися на 60 %.

«Ми бачимо тут, як B. theta чинить на свого господаря вплив, схожий на гормональний, – захоплюється Ґордон. – Мікроб неначе каже: “Збережи це – воно може знадобитися нам пізніше”».

Досліджуючи складність таких симбіотичних взаємодій далі, команда Ґордона показала, що на початку життя клітини кишечника та імунна система тварин починають виробляти речовини, що допомагають корисним бактеріям, таким як B. theta, закріпитися на місці, тоді як інші, потенційно небезпечні мікроби вимиваються з товстого кишечника. B. theta, схоже, віддячує за цю послугу тим, що не зловживає прихильністю свого господаря. Наприклад, ці бактерії чекають, доки вкриті цукром епітеліальні клітини злущаться з кишкової вистилки, а лише потім починають на них пастись. А ще вони не просять цукру, доки не припиниться їх звичайне постачання неперетравленою рослинною їжею.

Через усе це Ґордон доходить висновку, що B. theta надає своїй екосистемі певного роду стабільності. Ця бактерія переключається на свого господаря, лише коли ззовні їжі надходить мало, а в хороші часи забезпечує господаря додатковими калоріями та інструкціями запасти на чорний день хоча б частину надлишків. Зовсім нещодавно Ґордон з командою знайшли докази того,