Сакс Д. Микробы хорошие и плохие. Наше здоровье и выживание в мире бактерий. Джессика Снайдер Саксмикробы хорошие и плохие. Наше здоровье ивыживание в мире бактерий

на человеческий желудок в течение примерно шестидесяти тысяч лет. Определение штамма
H. pylori, свойственного некоторой семье или популяции, можно даже использовать, чтобы отслеживать ее происхождение и пути миграций ее предков вплоть до тех времен, когда представители Homo sopiens впервые расселились за пределы Африки.
С одной стороны, это понижение кислотности в желудке защищает взрослых людей от изжоги и снижает риск развития рака пищевода. С другой стороны, у некоторых, хотя и немногих зараженных Н. pylori вызывает воспаления, достаточно серьезные, чтобы приводить в более позднем возрасте к развитию язвы или рака желудка. Один из давних парадоксов современной медицины состоит в том, что Н. pylori начал вызывать язвы только в середине или в конце XIX века, как раз тогда, когда он стал исчезать из человеческих желудков из-за улучшения качества воды и внедрения первых антибиотиков, таких как препараты висмута.
В тридцатые годы XIX века молодые европейские женщины, недавно здоровые, начали умирать от тяжелых форм, вызывавших прободение стенки желудка. Внезапная и мучительная смерть этих женщин ясно свидетельство о том, что ее причиной была скорее какая-то новая, чем не выявленная ранее болезнь. Недуг распространился от женщин на мужчин и из Европы в Северную Америку, и оставался преимущественно болезнью городского населения, из чего был сделан вывод, что развитие язвы вызывается стрессами,
характерными для современной жизни. На заре XX века медики считали, что фермеры и другие сельские жители в основном не подвержены этому заболеванию благодаря “жизни на свежем воздухе и сравнительной свободе от тревог <…>, что позволяет им успешно переваривать продукты, которые были бы губительны для желудка бухгалтера или его работодателя”.
Только в восьмидесятых годах XX века австралийским патологам Робину Уоррену и
Барри Маршаллу удалось наконец убедить скептиков от медицины, что хвостатая бактерия,
обнаруженная ими при биопсии пораженных язвой тканей, как-то связана с самим поражением28. При этом язва желудка остается в наши дни заболеванием, почти неизвестным в развивающихся регионах, например в Африке, где большинство людей приобретают Н. pylori еще в младенчестве. Возможно, что задержка или нарушение заселения желудка этой бактерией, связанные с улучшением качества воды или с применением антибиотиков, каким-то образом сказывается на иммунологическом
“перемирии”, заключенном между микробом и нашей иммунной системой за тысячи, а возможно, и за миллионы лет.
Так или иначе, Н. pylori быстро исчезает на Западе – быть может, освобождая желудки для заселения другими микробами, которые не могут похвастаться такой продолжительной коэволюцией с людьми. Сегодня в Северной Америке и Западной Европе доля носителей Н.
pylori среди детей составляет меньше 10 %, хотя эту бактерию можно обнаружить примерно у 30 % их родителей и у большинства их дедушек и бабушек. Хорошая новость состоит в том, что подобный упадок Н. pylori привел к резкому снижению заболеваемости как язвой,
так и раком желудка. Но есть и плохая новость: возможно, что именно исчезновение H. pylori и вызвало отмеченный за последние тридцать лет беспрецедентный рост заболеваемости гастроэзофагеальной рефлюксной болезнью и раком пищевода – одной из тех причин смерти, частота которых в развитых странах особенно быстро повышается.
Пройдя через прихожую желудка, оставшиеся в живых бактерии оказываются в извилистом лабиринте тонкой кишки – ее стенки покрыты густым лесом пальчатых выростов, или кишечных ворсинок, до предела увеличивающих площадь поверхности, через которую питательные вещества могут попадать в кровоток. Низкая кислотность (то есть нейтральный pH) тонкой кишки создает в ней идеальную среду для роста бактерий. Но мало кто из них остается здесь надолго, потому что мощные сокращения стенок создают поток разжиженной пищи, который смывает всех, кроме самых цепких.
Именно в тонкой кишке попадающие в организм микробы особенно непосредственно сталкиваются с еще не проснувшейся иммунной системой младенца. Колышущиеся

ворсинки местами расступаются, открывая голые склоны, поверхность которых покрыта мозаикой из странных ямчатых и уплощенных клеток. Это так называемые Пейеровы бляшки (названные в честь впервые описавшего их швейцарского анатома XVII века
Иоганна Конрада Пей- ера) – куполообразные структуры, под которыми располагаются важнейшие военные училища иммунной системы. Ямки на поверхности уплощенных клеток представляют собой полости, в которые постоянно ловятся проплывающие мимо бактерии
(как живые, так и мертвые). Они, как вращающиеся двери, движутся к внутренней поверх- ности клеток, препровождая своих пассажиров в расположенную под этими клетками лимфатическую ткань.
Внутреннее строение
Пейеровых бляшек сходно с
внутренним строением лимфатических узлов, которые будут созревать у младенца на шее, в паху и под мышками.
Но если лимфатические узлы напоминают полигоны, на которых иммунные клетки учатся,
что им атаковать, то лимфатическая ткань Пейеровых бляшек напоминает дипломатическое представительство, где входящие микробы пользуются презумпцией невиновности: их по умолчанию считают “дружественными” или, по крайней мере, “мирными”, пока не будет доказано обратное.
Однако неправильно было бы сказать, что иммунная система учится игнорировать кишечных бактерий. Взаимодействие микробов с Пейеровой бляшкой, вместо того чтобы вызывать убивающую их воспалительную реакцию, запускает массовый синтез антитела,
которое называют иммуноглобулином А, или IgА. Как и все антитела, IgА прикрепляется к специфическим мишеням, в данном случае – к определенной разновидности кишечных бактерий. Вместо того чтобы помечать бактериальную клетку для уничтожения (как делает большинство антител), IgА просто скапливается островками на ее поверхности, не давая ей прикрепиться к стенке кишечника, то есть как бы вежливо говоря ей: “Проходите! Не задерживайтесь!” Кроме того, встреча, оказываемая микробам на нейтральной территории
Пейеровой бляшки, вызывает размножение Г-клеток и B-клеток, которые поведут атаку на тех же микробов, если они вдруг окажутся на запретной территории, например в крови. Так незрелая иммунная система младенца учится терпимо относиться к проглоченным бактериям и в то же время бдительно держать их на безопасном стоянии. Чтобы по достоинству оценить всю важность этой дипломатии, представьте себе, что происходит, когда в её работе случается сбой. При болезни Крона и неспецифическом язвенном колите иммунная система реагирует на соприкосновение с безвредными кишечными микроорганизмами бурным,
убивающим ткани воспалением из-за которого возникают вызывающие мучительную боль язвы, в тяжелых случаях приводящие к гибели человека из-за их прободения.
Число Пейеровых бляшек в выстилке тонкой кишки ребенка по мере его взросления постепенно сокращается от нескольких сотен до примерно тридцати. Последняя' оставшаяся группа этих бляшек концентрируется на стенках последнего отдела тонкой кишки, перед самым выходом в толстую кишку, служащую для бактерий обширным пересыльным центром. В оставшихся бляшках сильно сокращенный дипломатический корпус иммунных клеток продолжает следить за ежедневным передвижением миллионов микроорганизмов,
узнавая в подавляющем большинстве из них нормальных и заслуживающих терпимого отношения мигрантов.
Пройдя через тонкую кишку с ее мощными сокращениями и отлавливающими микробов клетками, бактерии попадают в отстойник толстой кишки. Хотя в момент рождения она стерильна, впоследствии ей предстоит стать настоящим тропическим лесом для населяющих человеческий организм микробов. В 1905 году французский микробиолог
Анри Тиссье первым начал исследовать становление экосистемы этих джунглей, изучая изменения в продукции, которую она дает на выходе.
Под конец первого дня жизни рожденного естественным путем ребенка состав имеющихся в его стуле немногочисленных бактерий отражает микрофлору влагалища и кишечника его матери. У ребенка же, рожденного с помощью кесарева сечения, в стуле обнаруживается менее предсказуемый набор микробов, попавших в организм от акушеров и

в целом из окружающей среды. Если ребёнка кормят грудью, то на третий день, независимо от способа родов, его стул содержит почти что монокультура бифидобактерий, которые продолжают доминировать вплоть до начала питания твердой пищей. Кишечник ребенка,
вскармливаемого искусственно, тоже содержит бифидобактерий (хотя источник их неизвестен), но в гораздо меньшем количестве, в составе неустойчивой смеси с другими микробами.
Бифидобактерии в кишечнике младенца, как и на его коже и в ротовой полости,
препятствуют росту микробов, способных вызвать неприятности, таких как стафилококки,
помогают отобрать первых постоянных поселенцев. Кроме того, исследования показывают,
что обилие кишечных бифидобактерий способствует повышению уровня защитных антител в крови ребенка – антител, мишенями которых служат не только потенциально опасные бактерии, но и многие разновидности вызывающих понос желудочно-кишечных вирусов.
Этот факт помогает объяснить, почему смертность выкармливаемых грудью младенцев в странах третьего мира с плохим санитарным состоянием воды в целых шесть раз ниже, чем смертность младенцев, растущих на искусственном питании. Даже в США, где смерть младенца от вызывающей понос инфекции остается редким явлением, эпидемиологи отмечают на 20 % более высокую выживаемость в течение первых шести месяцев жизни у младенцев, вскармливаемых грудью, по сравнению с получающими искусственное питание –
независимо от доходов и уровня образования родителей.
Первая волна кишечных микробов вызывает также созревание выстилки толстой кишки. Расположенные в глубине кровеносные сосуды протягиваются к поверхности кишечной стенки и образуют там густую сеть тонких капилляров, необходимых для поддержания здоровья кишечной стенки, а также для поглощения питательных веществ,
высвобождаемых кишечными бактериями. При этом первое её соприкосновение с бактериями вызывает пробуждение миллионов стволовых клеток кишечника. После активации клетки начинают нескончаемо делиться, и их размножение позволяет постоянно обновлять нежный поверхностный слой выстилки кишечника. Сами эти поверхностные клетки в свою очередь начинают отпадать с частотой несколько миллиардов клеток в день.
Непрерывная замена клеток делает кишечный тракт устойчивым к повреждениям, неизбежно возникающим при переходе к питанию твердой пищей, в которой в изобилии содержатся природные токсины, а время от времени попадаются и острые предметы или болезнетворные микробы.
Начало питания твердой пищей более или менее выравнивает различия между бактериальными сообществами младенцев, вскармливаемых грудью и растущих на искусственном питании, хотя в мире и нет двух людей, у которых в кишечниках обитали бы абсолютно одни и те же виды и штаммы бактерий. В среднем около тридцати видов становятся доминантами, а сотня или около того присутствуют в небольшом количестве. К
самым многочисленным и продуктивным из них относятся палочковидные представители бактероидесов (Bacteroides) и эубактерий (Eubocteria). Первые, такие как В. theta iotaomicron
(В. theta), В. vulgatus и В. fragilis, составляют от 20 до 30 % кишечных бактерий человека и каждый день выделяют около литра лишенных запаха углекислого газа и водорода.
Микроорганизмы из рода Eubacteria заявляют о себе, выделяя более пахучий сероводород,
имеющий знакомый всему свету запах тухлых яиц.
Кроме того, рано или поздно мы становимся хозяевами деленного набора кокков –
шарообразных анаэроб- ° бактерий. К ним относятся представители родов Тterococcus,
Peptococcus, Streptococcus и Peptostreptococcus, сбраживающие определенный набор сложных белков С жиров (гликопротеинов и гликолипидов) до более простых сахаров и жирных кислот, которые наш организм способен усваивать. Попутно они выделяют еще одно пахучее вещество – маслянную кислоту с ее характерным запахом испорченного масла.
В совокупности виды из родов Bacteroides и Eubacteria и разнообразные кокки высвобождают до 30 % калорий, потребляемых человеком с пищей, особенно из богатых углеродами продуктов, таких как кукурузные хлопья или макароны.

Еще один важный компонент кишечной микробиоты составляют клостридии.
Некоторые из них производят токсины, и все они умеют пережидать неблагоприятные условия в виде спор. Самая печально известная из них, Clostridium difficile, обладает отвратительной склонностью вызывать понос и воспаление толстой кишки после курса антибиотиков, устраняющего конкурентов этой бактерии. Как ни странно, С. difficile живет в кишечниках большинства детей, не вызывая у них никаких неприятных последствий. К
зрелому возрасту, когда этот микроб может стать источником неприятностей, нормальная микрофлора обычно держит его под жестким контролем.
К представителям меньшинств в сообществе кишечных бактерий относятся полдюжины разновидностей лактобактерий и небольшое число факультативных анаэробов,
таких как кишечная палочка, чья способность выживать на открытом воздухе позволяет ей забредать куда не следует и иногда вызывать неприятности в таких местах, как женские мочевые пути. Кроме того, примерно у каждого пятого из нас в достаточном количестве,
чтобы их можно было обнаружить, живут метаногенные кишечные микробы, так как
Methonobrevibacter smith i i и Methanosphaera stadma. Эти метаногены питаются водородом и углекислым газом, которые выделяются их соседями, переваривающие пищевые волокна.
Как и водород, метан не имеет запаха но легко воспламеняется (последнему свойству этих газов' не устают радоваться мальчишки всего мира).
Кожа. Рот. Нос. Пищеварительный тракт. К концу восьмидесятых годов прошлого века микробиологи уже могли похвастаться базовыми представлениями о том, кто где обитает на человеческом теле, а также зачаточными знаниями как о пользе этих обитателей, так и о связанных с ними опасностях. Чего наука пока не могла объяснить, это как иммунная система терпит их присутствие – особенно в случае перенаселенного государства, живущего у нас в кишечнике. Другая, не меньшая, загадка – как именно населяющие наш организм бактерии запускаютте глубокие изменения, которые их присутствие явно вызывает в наших клетках и тканях. Ответы на эти вопросы обещали не только удовлетворить чисто научный интерес, но и открыть, каким образом нарушения хитроумной дипломатии, определяющей взаимоотношения микробов и людей, могут приводить к болезням.
Кто здесь главный?
Джеффри Гордон, бывший гастроэнтеролог, ставший микробиологом и специалистом по кишечной микрофлоре, возглавляет процветающий новый Центр геномных исследований
Университета Вашингтона в Сент-Луисе. Обширное, освещенное полосками солнечного света помещение лаборатории этого
Центра располагается над прославлений университетским Центром секвенирования (прочтения ДНК-букв) генов – одним из главных участников проекта «геном человека”: в его рамках к 2003 году были секвенированы все те
20 или 25 тысяч генов, которые читаются как Homo sapiens.
“Теперь пора взглянуть на человеческий геном шире, – говорит Гордон, – принимая во внимание, что наш организм содержит, по-видимому, в сотню раз больше микробных генов,
чем человеческих”. В 2005 году Гордон и его коллеги из Стэнфордского университета в
Калифорнии и Института геномных исследований в Мэриленде вложили средства,
выделенные по нескольким многомиллионным грантам (как частными фондами, так и государственными учреждениями), в осуществление своей инициативы “Микробном человеческого кишечника” – проекта, в рамках которого им предстоит выделить,
секвенировать и проанализировать всю совокупность микробных генов, задействованных в поддержании здоровья и жизнедеятельности человеческого организма, а иногда и в возникновении неполадок в его работе. Один из аспектов этого огромного проекта состоит в том, чтобы подготовить характеристику генетических способностей кишечной микрофлоры.
Другой – в том, чтобы полностью секвенировать геномы сотни самых многочисленных бактерий, обитающих в толстой кишке человека.
Этот проект, посвященный “другому геному человека”, представляет собой лишь один

из дюжины с лишним исследовательских проектов, над которыми единовременно работают сотрудники Гордона, и все эти проекты направлены на изучение влияния на здоровье и болезни человека кишечных микроорганизмов, обитающих не только в толстой кишке, но и в других частях человеческого тела. Штат сотрудников его лаборатории состоит из постоянно эволюционирующей группы из двадцати с лишним аспирантов и постдоков, специалистов по широкому кругу дисциплин от экологии бактерий до рентгеноструктурного анализа.
Гордон заинтересовался бактериями толстой кишки еще в семидесятых и восьмидесятых годах, когда работая гастроэнтерологом и изучал гены, управляющие делением клеток, благодаря которому выстилка человеческого кишечника непрерывно обновляется. Эта постоянная замена клеток (старые клетки гибнут, когда им исполняется всего три дня) не только делает выстилку кишечника устойчивой к повреждениям, но и не дает обитающим в толстой кишке бактериям ни проникнуть слишком глубоко, ни достичь слишком высокой численности: подавляющее большинство бактериальных клеток, сидящих на сброшенных клетках эпителия, ежедневно удаляется из организма при дефекации. Гордон осознавал, что все это деление клеток дается дорогой ценой: рождение каждой новой клетки сопряжено с риском какой-нибудь случайной мутации, которая может отключить механизм торможения деления и привести к образованию раковой опухоли. Гастроэнтерологов ничуть не удивляет, что рак толстой кишки составляет вторую по частоте причину смертей от рака в промышленно развитых странах (уступая только связанному с курением раку легких).
Ранние исследования Гордона были посвящены механизмам включения и выключения различных генов на определенных этапах развития клетки кишечной стенки, по мере того как клетка перемещается из углубления между ворсинками к вершине ворсинки. Он пришел к выводу, что гены при этом строго следуют поступающим откуда-то инструкциям. Но откуда? Рассуждая в традиционном ключе, Гордон стал бы искать источник подобных биохимических сигналов в тканях и органах, лежащих глубже выстилки кишечника. Вместо этого он заинтересовался возможностью того, что клетки кишечника маршируют по указке бактерий, сидящих на их наружной поверхности.
Гордон учитывал, что внутри толстой кишки в каждый момент времени обитают сотни разновидностей бактерий и других микроорганизмов, а значит, для проверки его теории требовалась некая упрощенная модельная система. Сотрудники лаборатории Гордона научились у Абигайль Сэльерс, микробиолога из Иллинойсского университета, искусству выращивания безмикробных мышей. С помощью таких мышей Гордон мог выяснить, что происходит, когда им по одному возвращают представителей микробиоты мышиного кишечника. Абигайль Сэльерс играла для его лаборатории роль неофициального наставника.
Гордон получил от нее культуру клеток В. theta, выделенных из стула здорового человека.
Ранее она выяснила, что В. theta растет не только в человеческом, но и в мышином кишечнике. Впоследствии Гордон установил, что эта бактерия играет в микробном сообществе кишечника особую, ведущую роль.
Например, исследования команды Гордона продемонстрировали, что когда мышь не получает своей обычной порции пищи, В. theta начинает жить подаянием. Абигайль Сэльерс уже выяснила, что В. theta переносит такие голодные времена, питаясь особым сахаром
(фукозой), выделяемым клетками кишечника. В лаборатории Гордона было показано, что клетки кишечника выдают это угощение только по требованию В. theta. Вначале исследователи продемонстрировали, что клетки кишечника безмикробных мышей перестают выделять фукозу в течение недели после рождения. “Они как бы готовились к приему гостей,
которые так и не появились”, – говорит Гордон. Но стоит впрыснуть порцию микробов из рода Bacteroides в глотку взрослой безмикробной мыши, как выделение сахара сразу возобновляется. На следующем этапе исследователи воспользовались тремя разными штаммами мутантных В. theta (которых тоже предоставила им Абигайль Сэльерс), чтобы разобраться, что именно при этом происходит. Одной группе безмикробных мышей они ввели мутантные клетки В. theta не способные прикрепляться непосредственно к клеткам'
кишечника. Но клетки кишечника при этом все равно начинали выделять фукозу. Другой

группе безмикробных мышей ввели клетки В. theta, не способные усваивать фукозу. И все равно клетки кишечника начинали ее выделять. Поток этой пищи не поступал лишь у третьей группы мышей, которым ввели монокультуру В. theta, не способную вырабатывать определенный белок – в нем исследователи и подозревали биохимический сигнал,
означающий просьбу о подаянии Иными словами, клетки кишечника начинали выделять сахар не просто в ответ на соприкосновение с бактериями или в случае недостатка фукозы.
Ключом к их реакции был сигнал “покормите меня”, получаемый от В. theta и включающий в мышиных клетках ген, который без подобного сигнала отключается в течение первых нескольких дней жизни. Это открытие было первым из полученных Гордоном убедительных подтверждений его казавшейся некогда странной идеи, что кишечные бактерии могут напрямую управлять деятельностью клеток кишечника.
В девяностых годах, с появлением метода ДНК-микрочипов, в распоряжении Гордона оказалось новое мощное орудие для исследований в этой области. ДНК-микрочипы позволяют ученым одновременно проверять на предмет активности тысячи генов. Для этого используются тысячи помеченных флуоресцентными метками отрезков
ДНК,
расположенных в строго определенном порядке на сетке размером с предметное стекло. В
2002 году в лаборатории Гордона использовали содержащий около 20 тысяч известных генов мыши “мышиный” микрочип и установили, что сотни из этих генов включаются, когда безмикробной мыши впервые вводят порцию В. theta45. Как и ожидал Гордон, среди этих генов было немало задействованных в процессах нормального созревания выстилки кишечника.
Кроме того, введение В. theta включало также мышиные гены, задействованные в синтезе особых транспортных молекул, необходимых клеткам кишечника для поглощения и использования многих питательных веществ, поставляемых им В. theta и родственными видами бактерий. Все это усиливало складывавшееся у Гордона впечатление, что присутствие В. theta играет особенно важную роль в поддержании здоровья кишечника.
Команда Гордона завершила секвенирование всех 4779 генов В. theta, ответственных за синтез белков, в 2003 году – в тот же год, когда в рамках проекта “Геном человека” были секвенированы все гены Homo sapiens. Исследователи выяснили, что более сотни своих генов В. theta использует для добычи непереваренных растительных углеводов, а еще 170
генов служат для расщепления этих углеводов на составляющие, которые может усвоить организм мыши (или человека). Кроме того, оказалось, что В. theta обладает сложным аппаратом, позволяющим отслеживать, какие питательные вещества доступны клетке в каждый момент времени, чтобы подбирать подходящие наборы биохимических инструментов для работы с ними.
Кроме того, секвенирование генома В. theta дало исследователям из лаборатории
Гордона возможность получить ДНК-микрочип с генами этого микроорганизма, в дополнение к “мышиному” микрочипу. Теперь у них появился шанс выслушать обе стороны в биохимическом разговоре хозяина и микроба. В следующем, 2004 году они открыли, что главенствующее положение В. theta проявляется и за пределами кишечника. Исследователям удалось перехватить приказания, отдаваемые В. theta жировым клеткам брюшного отдела мыши48. При этом выяснилось, что В. theta останавливает синтез гормона, подавляющего образование жира, так называемого “индуцируемого голодом жирового фактора” – Fiaf
{fasting-induced adipose factor). Данное открытие во многом объясняло одно сделанное ранее наблюдение. Когда безмикробным мышам вводили в глотка клетки В. theta, у животных немедленно начинал откладываться брюшной жир, и это притом, что они получали на 30 %
меньше еды, а интенсивность обмена веществ у них повышалась так, что они сжигали почти на 30 % больше калорий.
За четырнадцать дней жизни с В. theta мыши увеличивали свои запасы жира в среднем на 60 %.
“Мы видим здесь, как В. theta оказывает на своего хозяина гормоноподобное действие,
– изумляется Гордон. – Бактерия как бы говорит хозяину: “Оставь это про запас, нам это

может еще пригодиться”.
Дальнейшие исследования сложной структуры подобных симбиотических взаимоотношений, проводившиеся командой Гордона, показали, что на ранних этапахжизни организма клетки кишечника и иммунная система начинают выделять вещества,
помогающие полезным бактериям, таким как В. theta, закрепляться на своем месте, в то время как другие, потенциально опасные микробы вымываются из толстой кишки49. В. theta,
судя по всему, платит за это хозяину тем, что воздерживается от злоупотребления своим положением. Например, эти бактерии не начинают пастись на покрытых сахаром эпителиальных клетках, пока те не оказываются сброшены стенкой кишечника. Кроме того,
они не начинают требовать сахара, пока в их распоряжении имеются запасы их обычной непереваренной растительной пищи.
Отсюда Гордон пришел к выводу, что все эти особенности позволяют В. theta придавать своей экосистеме определенную устойчивость. Когда не хватает поступающей извне пищи,
бактерии обращаются за помощью к своему хозяину, а в лучшие времена обеспечивают хозяина дополнительными калориями и указанием запасать на черный день хотя бы часть этого подарка судьбы. В самое последнее время Гордон и его команда получили данные,
указывающие на то, что представители другой обширной группы кишечных бактерий, отдела
Firmicutes, возможно, способны добывать калории и делиться ими еще успешнее, чем бактерии из отдела Bacteroidetes (важнейшим представителем которого является В. theta)50.
“Хотя жители переедающих стран могут и не оценить важность этих дополнительных калорий и жира, – говорит Гордон, – я полагаю, что человеческая история знала продолжительные периоды, когда такого рода динамикой и определялась разница между выживанием и смертью от голода”. Неудивительно, что открытия Гордона пробудили интерес к возможности способствовать похудению страдающих ожирением людей путем корректировки работы их кишечной микрофлоры.
Другие сотрудники лаборатории Гордона рассказывают еще об одном интересном результате: что происходит, когда мыши, внутри которой живет монокультура В. theta,
впрыскивают клетки метаногенного микроорганизма Methanobrevibacter smithii. В
кишечнике такой мыши в итоге оказывается в сто раз больше клеток В. theta, чем было бы без этого впрыскивания. Оказывается, такие метаногены, как М. Smithii, существенно повышают эффективность жизнедеятельности клеток В. theta, питаясь ее отходами –
водородом и углекислым газом – и превращая их в метан и воду. В отсутствие метаногенов накопление этих отходов замедляет обмен веществ В. theta и ограничивает способность этих бактерий размножаться51. В практическом плане такое повышение эффективности дает мышам, которым ввели клетки обоих микроорганизмов, дополнительные 15 % жира.
Сотрудница той же лаборатории Рут Ли в свою очередь начала масштабное исследование черт сходства и различий в микрофлоре человека и животных – чтобы лучше разобраться в эволюционных корнях нашего внутреннего государства. Как она отмечает,
лишь восемь из пятидесяти пяти известных науке отделов бактерий планеты Земля имеют представителей, поселяющихся в пищеварительном тра^ животных, что заставляет предположить высокую степень избирательности этих взаимоотношений. “Согласно нашей гипотезе, – говорит она, – они сформированы за миллионы лет коэволюции”.
Стоя над ведерком со льдом, которое набито пузырьками с фекалиями зверей из
Сент-Луисского зоопарка (гепарда, льва, слона, кенгуру, гиены), а также образцами навоза,
собранными коллегой по ходу собственных исследований у водопоя в Африке, Рут говорит:
“Если мы, млекопитающие, действительно коэволюционировали вместе с нашей кишечной микрофлорой, то мы должны найти определенные черты сходства, заставляющие предположить, что некая древняя бактерия в свое время попала в организм некоего древнего предка всех этих видов и начала там свое дело”. Рут уже удалось найти немало общих черт подобного сходства. При этом из восьми отделов бактерий, встречающихся в кишечном тракте у млекопитающих (в том числе у людей), преобладают только три: Bacteroidetes,
Firmicutes и Proteobacteria.

Если же сравнивать свойственных разным млекопитающим бактерий на уровне рода
(систематической категории на одну ступень выше вида), то обнаруживается масса общих групп. Например, представители рода Bacteroides, такие как В. theta, В. vulgatus и В.
distasonis, преобладают у всеядных млекопитающих (таких как мы сами, мыши или свиньи –
питающихся как растительной, так и животной пищей). У растительноядных, таких как коровы, овцы или кролики, первое место занимают представители близкородственного рода превотелла (Prevotella ruminicola, P. brevis, P. albensis и др.). Специалист по эволюционной биологии ожидал бы появления именно такого рода различий в результате отделения новых ветвей древних млекопитающих, переходивших к иному образу жизни.
Новое окно в мир микробов
Методы выращивания анаэробных культур, разработанные Холдеман и Муром, наряду с использованными Гордоном способами “генетического подслушивания” сделали микрофлору толстой кишки самой изученной из множества микробных экосистем нашего организма. Но по меньшей мере ю% видов бактерий, постоянно обитающих у нас в кишечном тракте, никто еще не выращивал в культуре и не описывал. В первые годы XXI
века появилась новая революционная технология, которая дала науке возможность далеко продвинуться в поисках последних из них – самых загадочных обитателей нашего организма. Попутно она сильно озадачила мир медицины, обнаружив бактерий в таких частях нашего организма, в которых, как считалось, микробы могут оказаться только при серьезном расстройстве.
Эта технология – генное зондирование – появилась благодаря трудам микробиолога
Карла Вёзе, работающего в Иллинойсском университете. В семидесятых и восьмидесятых годах Вёзе занимался поисками генетического мерила для определения степеней родства между разными группами бактерий нашей планеты. Ученые уже давно искали лучший способ объединять организмы в систематические группы, чем по внешним признакам, таким как внешний вид и особенности деятельности (эта тактика могла, например, приводить к попаданию в одну группу микробных аналогов бабочек и летучих мышей). Вёзе понял, что,
поскольку все гены со временем накапливают не имеющие никаких последствий крошечные изменения, ему нужен был ген, который был бы одновременно жизненно необхо димым всем живым клеткам и достаточно сложным, чтобы небольшие изменения в последовательности его ДНК-букв можно было использовать для измерения эволюционного расстояния. В
качестве такого мерила Вёзе выбрал ген, кодирующий одну из ключевых частей бактериальной рибосомы – белковой фабрики бактериальной клетки. Это позволило ему открыть совершенно неожиданное разветвление древа жизни – древнее расхождение, в результате которого возникла отдельная ветвь похожих на бактерий микроорганизмов,
которых он назвал археями. Как оказалось, генетически отличные от настоящих бактерий археи живут преимущественно в экстремальных условиях, таких как глубоководные “черные курильщики” и горячие серные источники, но среди них нашлось и несколько обитателей человеческого организма, таких как метаногенные Methanobrevibacter”.
Пока Вёзе перерисовывал древо жизни, один из его постдоков, Норман Пейс, понял,
что подобный ключевой ген можно применить также в чем-то вроде ДНК-дактило- скопии,
чтобы выявлять множество бактерий в образцах населенной ими среды, например почвы или воды. Иными словами, можно было сделать ДНК-зонд, который позволил бы искать рибосомные гены бактерий в почве или воде, используя в качестве мишени участок одного и того же гена, имеющегося у всех бактерий. Извлекая эти отрезки ДНК из образца, можно было затем изготовить тысячи копий подобных участков с помощью ПЦР, или полимеразной цепной реакции, – той самой методики амплификации (увеличения числа копий) генов,
которую используют судмедэксперты для амплификации генетических “отпечатков пальцев”, оставленных на месте преступления. После этого можно было рассортировать эти фрагменты на основании небольших различий между ними. Красота нового метода состояла

в том, что он позволил Пейсу выявлять бактерий в смешанном образце, используя
ДНК-буквы единственного гена в качестве “штрих-кода”, – что намного проще, чем выделять и выращивать представителей каждого вида в культуре, впоследствии определяя их по химическим и визуальным отличительным признакам.
К концу восьмидесятых микробиологи всего мира с энтузиазмом взяли на вооружение изобретенный Пейсом метод. При этом они остановились на одном рибосомном гене
(кодирующем одну из частей рибосомы – так называемую 165 рРНК), чтобы использовать его в генетической дактилоскопии бактерий. Вскоре секвенирование этого гена у каждой исследуемой бактерии стало общей практикой. В результате этих исследований была создана постоянно растущая библиотека вариантов гена 165 рРНК, которую можно было использовать для определения бактерий тем же способом, каким судебно-медицинские эксперты сравнивают обнаруженную на месте преступления ДНК с ДНК известных преступников.
Но, быть может, еще важнее было то, что зондирование с использованием гена 165
рРНК впервые дало микробиологам способ, позволяющий напрямую выявлять бактерий,
которых нельзя выращивать в чистой культуре, то есть отдельно от сбивающей с толку мешанины из других микробов, вместе образующих единые природные сообщества55. Если же какой-либо “отпечаток” гена 165 рРНК отсутствует во всех библиотеках известных микроорганизмов, значит – эврика! – вы открыли новый вид. Более того, этот новый вид можно поместить в определенную систематическую группу, возможно – даже в какой-либо из уже описанных родов, сравнивая его с хорошо известными видами в поисках наиболее похожего.
Генные зонды Пейса открыли микробиологам новое окно в мир микробов. Например, в
1986 году Пейс опубликовал данные о том, что ранее неизвестные и не выращивавшиеся в культуре бактерии составили, как ни сложно в это поверить, 99 % всех бактерий в некоторых из исследованных им образцов почвы, грязи и воды. Не могло оказаться, что это относится и к сложным микробным сообществам, населяющим человеческий организм?
В числе первых исследователей, занявшихся поискам генов 165 рРНК в человеческих тканях, были микробиологи Дэвид Релман из Стэнфордского университета и Кен Уилсон из
Университета Дьюка. В1991 году независимо друг от друга они оба занялись зондированием тканей пациентов, зараженных ВИЧ и страдающих болезнью Уиппла. Симптомы этой болезни, редко встречающейся у людей со здоровой иммунной системой, включают сильную потерю веса, артрит и повреждения различных органов. В течение восьмидесяти пяти лет медикам не удавалось культивировать маленький палочковидный организм, который попадался им в тканях пациентов, и поэтому у них не было возможности ни определить его,
ни сравнить с другими, известными разновидностями бактерий. Проведенное Уилсоном и
Релманом секвенирование гена 165 рРНК этого загадочного микроба позволило уверенно отнести его к порядку актиномицетов (Actinomycetales) – бактерий, образующих ветвящиеся нити, напоминающие гифы грибов (к этому порядку относятся многие представители микрофлоры ротовой полости и кишечника). Еще важнее было то, что Уилсон и Релман дали медикам новый метод генетического анализа, позволяющий быстро диагностировать болезнь
Уиппла, что было жизненно важно, потому что своевременное лечение соответствующим антибиотиком позволяет останавливать развитие этой инфекции раньше, чем она вызовет необратимые нарушения в сердце и головном мозге.
Еще через пару лет Релман продолжил поиски гена 165 рРНК, на этот раз в ротовой полости здорового человека (своей собственной), с единственной целью – оценить уровень разнообразия ее экосистемы. Он вернулся в лабораторию от зубного врача с несколькими заранее стерилизованными пробирками, в которых находились соскобы, взятые с его зубов непосредственно из-под края десен. Затем вместе с сотрудниками своей лаборатории он амплифицировал бактериальную ДНК из этих образцов и секвенировал 264 различных варианта гена 16S рРНК. qyrb больше половины соответствовали вариантам этого гена,
отмеченным у известных бактерий, а тридцать пять оказались отличными настолько, что

указывали на новые для науки виды (а не штаммы, то есть разновидности, уже иЗвестных видов).
Начиная с 1994 года Брюс Пейстер и Флойд Дьюхёрст и3 Института Форсайта, филиала
Гарварда, проводят генное зондирование на ген 165 рРНК для намного более полного анализа микробиоты ротовой полости, оценивая уровень разнообразия микроорганизмов у десятков испытуемых, как здоровых, так и страдающих от различных стоматологических проблем. К настоящему времени им удалось обнаружить варианты этого гена у представителей семисот с лишним разновидностей бактерий ротовой полости, большинство из которых были ранее неизвестны. Во рту одного человека, по данным Пейстера и
Дьюхёрста, их обычно одна или две сотни. Некоторые из этих бактерий всегда связаны с расстройствами, в то время как другие способствуют свежему дыханию и поддерживают здоровье ротовой полости.
Ученые из Института Форсайта создали на основе своей обширной базы данных по гену 165 рРНК специальный ДНК- микрочип, который можно использовать как своего рода устройство для считывания штрих-кода, чтобы быстро определять, какие именно из двух сотен преобладающих разновидностей бактерий ротовой полости имеются у человека во рту и присутствуют ли они в большом или в малом количестве. Этот микрочип, хотя он еще и не готов к внедрению в стоматологическую практику, позволяет исследователям оценивать риск развития стоматологических заболеваний, выясняя, кого из “хороших парней” не хватает, а также кто из нарушителей порядка проник в ротовую полость. Он также позволяет им отслеживать, что происходит со сложными комплексами бактерий во рту пациента по ходу лечения, будь то обработка корневого канала или курс антибиотиков (то и другое иногда оказывается источником новых неприятностей).
ДНК-микрочипы позволили микробиологам отслеживать подобным образом изменения, происходящие и в других экологических нишах нашего организма. Например, в
2006 году Релман и Гордон вместе с учеными из Института геномных исследований в
Роквилле (штат Мэриленд) завершили амбициозный проект по секвенированию гена 165
рРНК обитателей кишечного тракта. Они обнаружили в образцах стула двух здоровых взрослых людей больше двух тысяч различных вариантов этого гена, из которых около ста пятидесяти отличаются настолько, что соответствуют новым разновидностям бактерий, а тридцать пять – новым для науки видамб0.
Тем временем Релман и его коллеги продолжают находить бактерий в тканях, которые долго считались безмикробными. “Может выясниться, что в человеческом организме не так уж много тканей, в которых нельзя обнаружить присутствие бактериальной ДНК”, – говорит
Релман. Представляют ли эти микробы скрытые инфекции или нормальную микрофлору –
это еще предстоит выяснить. “На что я надеюсь, – говорит он, – так это на то, что, начав с образцов, взятых у здоровых людей, мы будем вправе предполагать, что обнаруженные у них микробы, вероятно, были с нами на протяжении какой-то части нашего пребывания на этой планете и вполне могут оказаться важными для нашего здоровья”.
Инфекции-невидимки или безобидные посторонние?
Надо сказать, что даже поведение хорошо известных бактерий, живущих у нас в организме, расходится со старым, прямолинейным представлением об инфекционных болезнях, воплощенным в незабвенных постулатах Коха, согласно которым любой болезнетворный микроб должен неизменно обнаруживаться в пораженном организме и всегда вызывать заболевание при введении новому хозяину. Helicobacter pylori – наверное,
самый известный микроб, опровергающий этот пункт. Когда-то обитавший в желудках почти всего человечества, он лишь в последнее время начал вызывать язвы желудка. Но и сегодня
Н. pylori вызывает язвы лишь у скромной доли носителей.
“Такие вещи сводят с ума микробиологов старой школы, – говорит специалист по молекулярной биологии Алан Хадсон, – потому что постулаты Коха здесь просто

неприменимы”. Вопреки этим постулатам, такие скрытые инфекции, как вызываемая Н.
pylori и другими недавно открытыми микробами, судя по всему, оказываются источником неприятностей лишь у некоторых людей и лишь иногда, обычно после многих лет, если не десятилетий непрочного мира между хозяином и бактерией.
Хадсон, микробиолог, гордящийся тем, что у него никогда не было собственного микроскопа, любит рассказывать одну историю из своей практики, показывающую, что генные зонды не только произвели революцию в медицинской микробиологии, но и сильно запутали эту областьб2. “Молодой солдат подхватывает за границей хламидиоз, известное венерическое заболевание, вылечивается от него антибиотиками, а потом возвращается домой и женится на своей школьной подружке, – начинает свой рассказ Хадсон,
откинувшись в кресле за рабочим столом в тесном углу своей лаборатории в Университете
Уэйна в Детройте. – Но три недели спустя у них обоих развивается сильнейший хламидиоз”.
Муж, исходя из обычных двойных стандартов, возмущен, что его девушка изменяла ему, пока его не было, хотя она это категорически отрицает. “И вот мне звонит врач из того городка, который пытается спасти их брак, – говорит Хадсон. – Он знал ее с детства и верит,
что она говорит правду”. Этот врач хочет понять, мог ли муж каким-то образом заразить ее,
хотя его, судя по всему, как следуетяечили и вылечили. “И вот я говорю ему: “Пришлите мне образец его мочи и мазок с ее шейки матки”. Причем это происходит уже после того, как они оба прошли полный курс антибиотиков под наблюдением этого доктора. “Я сделал ПЦР того и другого, – говорит Хадсон, – и оказалось, что у мужа по-прежнему явные признаки инфекции”. Хадсон предполагает, что, вместо того чтобы уничтожать возбудителей,
антибиотики просто переводили их в неактивное состояние. Если одна из таких покоящихся клеток передалась новому хозяину (молодой жене), она могла начать делиться и вызвать развитие активной инфекции, которая затем передалась от жены обратно мужу.
Хотя покоящиеся хламидии редко реактивируются, вызывая повторное развитие венерического заболевания, Хадсон давно подозревал их в других злодеяниях. В начале девяностых, исследуя образцы ткани из суставов пациентов, страдающих артритом, он обнаружил два вида хламидий: Chlamydia trachomatis, обычно связанную с венерическими и глазными заболеваниями, и Ch. pneumoniae, распространенного возбудителя респираторных инфекций. В другом, более знаменитом случае в 1996 году он начал находить Ch. pneumoniae в клетках головного мозга жертв болезни Альцгеймера.
Примерно в то же время генетические отпечатки паль- Ch. pneumoniae и разнообразных бактерий ротовой полости стали обнаруживаться в ходе медицинских исследований в артериальных бляшках пациентов, перенесших сердечный приступ. Это открытие побудило многих кардиологов прописывать своим пациентам антибиотики.
Большинство кардиологов отказались от этой практики 2003 году, когда стали известны долгожданные результаты исследования, в котором было задействовано более четырёх тысяч пациентов,
страдающих кардиологическими заболеваниями,
в течение двух лет принимавших сильный антибиотик гатифлоксацин. Эти результаты подтвердили, что такое лечение не снижает риск ни сердечного приступа, ни атеросклероза, то есть закупорки артерий. Однако эта проверка не столько оправдала Ch. pneumoniae, сколько продемонстрировала, что даже продолжительный курс сильных антибиотиков не позволяет полностью уничтожить эту бактерию. Поэтому данное исследование, хотя оно и пресекло ширящуюся практику лечения кардиологических заболеваний гатифлоксацином, вызвало колоссальный интерес к разработке более сильных, более эффективных курсов антибиотиков, которые позволили бы уничтожать не только Ch. pneumoniae, но и многих других возбудителей так называемых инфекций-невидимок (stealth infections), а их становится известно все больше и больше.
Понятно, что материальные стимулы здесь огромны. Если выяснится, например, что какой-то сильнодействующий новый антибиотик хотя бы частично сокращает риск сердечного приступа, это приведет к тому, что его будут прописывать миллионам, если не десяткам миллионов пациентов. “Речь идет о курсах антибиотиков, возможно нескольких

одновременно, для большей части населения”, – говорит Уильям Митчелл, специалист по хламидиям из Университета Вандербильта и один из основателей фармакологической компании, занимающейся поисками как раз такого средстваб7. Более того, если предварительные результаты будут хоть как-то указывать на его эффективность, пациентам будут предписывать ежедневно принимать такие антибиотики не в течение нескольких дней,
а месяцами, если не годами.
Многие ревматологи уже сегодня прописывают длительные и даже пожизненные курсы антибиотиков пациентам страдающим воспалительным артритом, потому что такое лечение ослабляет у них болезненные воспаления. (Пока Не ясно, достигается ли этот эффект за счет уничтожения бактерий-невидимок или за счет какого-то неизвестного механизма.) В самое последнее время психиатры начали прописывать длительные курсы антибиотиков юным пациентам, страдающим синдромом навязчивых состояний. Эта практика возникла из идеи,
что такие дети могут страдать от некоторой разновидности неврологических аутоиммунных заболеваний, запускаемых оказавшимися не на своем месте пиогенными стрептококками,
оставшимися после развития активной инфекции.
Каталогизация микрофлоры нашего тела, разработка способов выращивания безмикробных животных-хозяев и развитие методов генетического зондирования все вместе обеспечили постепенное углубление наших знаний о взаимодействиях (как благотворных,
так и вредных) микробов-путешественников с людьми, которые их подвозят. Судя по всему,
что на сегодня известно, для этих микробов совершенно нормально время от времени оказываться в нашем организме где-нибудь не на своем месте, хотя генетические технологии лишь теперь позволили нам обнаруживать их присутствие.
Хадсон, со своей стороны, предупреждает, что, прежде чем приниматься за уничтожение наших попутчиц-бактерий, “нам надо, черт возьми, сперва разобраться, что они там делают”. С этой целью он начал работать с собственным иабором ДНК-микрочипов, а именно одним микрочипом для хламидии и другим для ее хозяина – человека. Вместе они позволяют ему подслушивать биохимические разговоры человеческого тела с
полупокоящимися хламидиями, обнаруженными им в тканях суставов. Ему даже пришлось прибегнуть к помощи устройства, которым он долго пренебрегал ради ДНК-зондов:
микроскопа, хотя и не простого, стоящего 250 тысяч долларов, цифровым световым микроскопом, который позволяет увеличивать живые объекты в беспрецедентные 15 тысяч раз. Этот микроскоп находится в лаборатории его супруги, иммунолога Джудит
Уиттам-Хадсон, работающей в том же университета над созданием вакцины против хламидий.
Видеоэкран этого микроскопа позволил Хадсону пронаблюдать, как клетки хламидий переходят из инфекционной, активной формы в малоизученную хроническую. “Вначале видна совершенно нормальная, сферическая бактерия, которая в итоге превращается в этакую крупную, глупейшего вида клетку”, – говорит он. Ясным весенним днем он склоняется над экраном микроскопа, наводя объектив на резкость на мутном пятне активности внутри одной из хламидий. “Она что-то делает, – говорит он. – Чем-то занята.
Что-то говорит своему хозяину”.

перейти в каталог файлов