Экологические силы формируют персональный набор микробов в организме человека

Условия окружающей среды оказывают гораздо более сильное влияние на состав микробов, живущих в различных частях тела, чем конкуренция между видами. Микробы, яростно конкурирующие за схожие ресурсы, с большей вероятностью сосуществуют в одном организме, а не исключают друг друга.

Это явление было обнаружено в ходе недавнего исследования микробиома человека — обширной коллекции резидентных бактерий, грибов и других микроорганизмов.

Результаты были опубликованы 15 июля в ранней онлайн-версии журнала PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).

Исследование является одним из первых шагов к главной цели руководителя проекта, доктора Эльханана Боренштейна. Его команда надеется создать прогностическую модель человеческого микробиома как инструмент для изучения того, как медицинские состояния могут изменять эту массивную биологическую систему, для выявления условий, способствующих формированию полезного микробиома, и для разработки клинических вмешательств для лечения трудноуправляемых проблем. Например, могут быть разработаны диеты или лекарственные терапии для управления микробиомом с целью достижения желаемых результатов, таких как устранение хронического воспаления пищеварительного тракта.

«Большие сообщества микробов, обитающих на нас и внутри нас, критически важны для нашего состояния здоровья или болезни», — сказал Боренштейн, доцент кафедры геномных наук, компьютерных наук и инженерии Вашингтонского университета, который провёл исследование вместе со своим аспирантом Рои Леви.

Он объяснил, почему медицинских учёных интересуют силы, формирующие наши уникальные сообщества микробов: эти знания могут показать клиницистам, как восстановить более нормальную картину у пациентов, чей микробиом был нарушен болезнью, инфекцией, токсинами или травмой. Это также может помочь им лучше понять, как такие заболевания, как ожирение или воспалительное заболевание кишечника, отражаются на микробиоме и зависят от него.

Боренштейн отметил, что благодаря крупным генетическим исследованиям учёные добились значительного прогресса в сборе информации о видовом составе микробиома человека в здоровье и при болезни. Однако, добавил он, мало что известно об экологических механизмах, определяющих состав микробиома человека. Одни лишь исследования состава не объясняют, как различные виды микробов взаимодействуют, сотрудничают или конкурируют, чтобы формировать, поддерживать или изменять свои популяции.

Команда Боренштейна использует системный биологический подход и применяет сложное компьютерное моделирование для понимания структуры, функции и динамики микробиома. В текущем исследовании, например, они использовали геномную информацию о сотнях видов микробов, обычно встречающихся у человека, для создания компьютерных моделей метаболизма питательных веществ и энергии. На основе этих моделей они предсказали, какие питательные вещества требуются каждому виду, и взаимодействия между микробами. В частности, они смогли оценить, насколько сильно каждая пара микробов конкурирует за доступные питательные вещества или сотрудничает в производстве необходимых соединений. Затем они сравнили эти предсказанные взаимодействия с распространённостью видов микробов в образцах от разных людей.

Таким образом они выяснили, что виды, как правило, чаще сосуществуют с другими видами, за потребности которых они сильно конкурируют, а не вытесняют друг друга. Экологи, в том числе изучающие растения и животных большего размера, называют это фильтрацией среды обитания. Это означает, что виды со схожими требованиями к жизни отбираются средой и совместно встречаются в одном месте. Фильтрация среды обитания противопоставляется другой теории — видовой ассортативности, в которой организмы, стремящиеся к почти идентичным ресурсам, сталкиваются, пока побеждающий вид не восторжествует.

Боренштейн отметил: «Взаимодействие видов играет роль, но среда оказывает более сильный эффект».

Он также указал, что даже когда его исследовательская группа скорректировала данные с учётом наличия ожирения, воспалительного заболевания кишечника и других факторов, они всё равно наблюдали ранее выявленную закономерность совместного пребывания микробов-конкурентов.

Это говорит о том, объяснил он, что принципы, по которым виды фильтруются и формируются микробиомы, не полностью определяются серьёзными физиологическими аномалиями у пациента, а могут действовать на более тонком уровне.