Я – суперорганизм! Человек и его микробиом - Джон Тёрни

Связь между бактериофагами и устойчивостью к антибиотикам подтверждается опытами на мышах. Соберите мышиный помет до и после введения грызунам антибиотиков. Затем секвенируйте все бактериофаговые ДНК, какие сумеете найти. Оказывается, антибиотики вызывают формирование бактериофаговых геномов, обогащенных генами устойчивости к антибиотикам. Способность мельчайших организмов, находящихся под давлением жесткого отбора, обмениваться генами напоминает проявление разума. Есть в этом что-то жутковатое и сверхъестественное. Геномы бактериофагов после лечения обогащены генами, которые помогают бактериям сопротивляться воздействию введенных лекарств. Что еще удивительнее – в таких геномах обнаруживаются гены, способствующие устойчивости к воздействию антибиотиков, с которыми эти мыши (и их кишечные микробиомы) на самом деле никогда не сталкивались.

Похоже, теперь мы можем по-новому отнестись к изощренным реакциям микробиоты на наши собственные простенькие антибактериальные средства. Это подтверждается еще одной недавней находкой. Обнаружилось, что прием лекарственных препаратов может укреплять сети обмена генами между бактериями и фагами, затрагивая целый ряд других генов, влияющих на рост бактерий и колонизацию ими организма-хозяина. Складывается впечатление, что бактерия, подвергшаяся атаке антибиотика, устраивает набеги на геномы бактериофагов в поисках средств защиты. Иными словами, она использует фаги как своего рода хранилища генов, откуда черпает материал, чтобы ее питание и метаболизм становились эффективнее[146].

С другой стороны, некоторые бактериофаги сами могут являться сложнейшими орудиями для нападения на бактерий. С самого открытия бактериофагов ученые время от времени предпринимают попытки использовать их как антибактериальных агентов. С приходом антибиотиков эти усилия постепенно сошли на нет, но интерес к таким исследованиям вновь разгорается в наши дни, когда невосприимчивость бактерий к антибиотикам стала распространенным явлением.

Между тем бактерии всю свою эволюционную историю подвергались воздействию бактериофагов. Наши собственные внутренние договоры с бактериями используют этот факт. Самое любопытное на данный момент открытие, касающееся фагов в нашем кишечнике, дает представление о том, где они стремятся концентрироваться. Оказывается, их гораздо больше в слизи, покрывающей эпителий кишечника, чем где-либо еще. Подробные исследования вирусных геномов объясняют причину. Дело в том, что бактериофаги способны связываться с компонентами слизи.

Обитающие здесь фаги мирно сосуществуют с бактериальным штаммом-хозяином. Они размножаются вместе с бактерией, встраиваясь в ее геном, при этом атакуют те бактерии, которые конкурируют с хозяином. Это выглядит как ингибирование бактериальной колонизации поверхности, покрытой слизью[147]. Простые эксперименты с единичным штаммом бактериофага подтверждают эту идею. Возможно, данный эффект удастся применить для изменения состава бактериальных популяций. В белках бактериофагов имеются участки, постоянно меняющиеся из-за мутаций бактериофаговых генов, и состав слизи быстро обновляется. Так конкуренция между фагами и бактериальными штаммами привела к возникновению (в ходе их совместной эволюции) ниши, помогающей усиливать способность организма-хозяина (то есть, в данном случае, человека) держать свои бактерии в узде.

Ученые получают все больше данных, свидетельствующих о том, что фаги могут вовлекаться в соперничество между бактериями. Вот один пример. Enterococcus faecalis – широко распространенная кишечная бактерия с весьма многообразными штаммами. Подобно другим бактериям, она может встраивать фаги в свой геном. Штаммы, населенные фагами, выбрасывают их наружу, чтобы сокращать численность конкурентов (при колонизации безмикробных мышей). Совместная работа с фагами дает бактериям конкурентное преимущество при монополизировании богатой питательными веществами среды, где они внезапно оказались[148].

Подобного рода взаимодействия между популяциями и субпопуляциями бактерий и бактериофагов, по-видимому, постоянно происходят в кишечнике, особенно в толстой кишке, где плотность населения особенно высока. Большинство таких взаимодействий до самого последнего времени оставалось непостижимым. Как показывает открытие одного совершенно нового для нас, но вездесущего бактериофага, мы пока не знаем всех фагов, которые могут находиться в микробиоме, не говоря уж об их функциях.

Этот свежеоткрытый бактериофаг, привлекший внимание ученых всего мира в 2014 году, удалось идентифицировать, прочесывая ДНК-последовательности в поисках вирусов при помощи новой компьютерной методики. Эта хитроумная программа отмечала ДНК-фрагменты с высокой вероятностью того, что они имеют вирусное происхождение, а затем объединяла их при помощи перекрывающихся участков последовательности. Так удалось собрать новый, неизвестный прежде бактериофаговый геном. Однако бактериофаг без бактерии – лишь бездомный кусок ДНК, прячущийся в белковой оболочке. Данный анализ показал также, с какими типами бактериальной ДНК обычно появляются эти фрагменты бактериофага.

Это позволило исследователям предположить, что их новый фаг (названный crAssphage, от cross-assembly – «перекрестная сборка»; так именуется компьютерная методика, позволившая выявить его геном) инфицирует собой какой-то из видов Bacteroides – одного из бактериальных родов, обычно в изобилии представленных среди кишечной микрофлоры и играющих немалую роль при исследовании ожирения. Таким путем можно было бы показать, что какой-то фаг, воздействующий на целый ряд Bacteroides или даже позволяющий им приобретать новые гены, непременно должен участвовать во всевозможных метаболических и иммунных процессах, имеющих стратегическое значение для человеческого организма.

Четко вписать вирусы (в том числе и бактериофаги) в общую картину человеческого микробиома – задача для ученых будущего. Предварительные изыскания показывают, какая огромная работа им предстоит.

Однако если даровать вирусам статус живых существ, то можно считать, что виромные исследования уже сейчас выявили еще одну удивительную вещь: в нашем кишечнике идет эволюция и возникают новые виды. Пионерские исследования в этой области, проводимые под руководством Сэмюэла Майнора – постдока из лаборатории Фредерика Бушмана (Пенсильванский университет), включали в себя и некоторые попытки оценить, насколько стабильным может быть виром отдельного человека. Для этого в течение 2,5 лет исследовали состав кала одного добровольца.

Регулярный ДНК-анализ вирусных генов показал, что большинство типов вирусов, населявших кишечник испытуемого в начале эксперимента, пребывало там и 30 месяцев спустя. И хотя вирусы стремительно размножаются и быстро мутируют, большинство из них остались в общем-то примерно такими же. Большинство, но не все. Одно семейство вирусов, Microviridae, представители которого используют короткий однонитевой фрагмент ДНК для передачи своих генов, мутировало чаще других, и его ДНК-последовательность за эти 2,5 года изменилась на целых 4 %. Некоторые из уже известных нам видов Microviridae отличаются по своим генам на 3 %, так что можно предположить, что здесь имеет место процесс, аналогичный видообразованию. Интересующимся биологией есть над чем поразмыслить. Возникновение новых видов, великий феномен, над которым столько лет бился Дарвин, идет у нас внутри! Новые виды, пусть и мельчайшие из возможных, все время появляются в вашем кишечнике, а возможно, и на других микробиомных участках[149].