Динамика кишечных бактерий подчиняется экологическим законам

Кажущийся хаотичным "суп" из бактерий кишечного микробиома на самом деле более организован и следует тем же экологическим законам, что и сообщества птиц, рыб, тропические леса, а также сложные экономические и финансовые рынки. К такому выводу пришли исследователи из Медицинского центра Колумбийского университета в статье для Nature Microbiology.

Основная сложность в изучении кишечного микробиома — его огромные масштабы и организационная сложность. В кишечнике человека обитают многие триллионы бактерий, представляющих тысячи видов, которые бесчисленными и постоянно меняющимися способами взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой.

Открытие нескольких принципов динамики кишечных бактерий поможет понять, что делает микробиом здоровым, как он нарушается при болезнях и нездоровом питании, и предложить способы его коррекции для улучшения здоровья.

Динамика микробиома всё ещё плохо изучена

Несмотря на возможности современных технологий секвенирования ДНК для идентификации и отслеживания бактерий во времени, "биологические процессы, управляющие краткосрочными и долгосрочными изменениями в микробиоме кишечника, остаются очень плохо изучены", — говорит старший автор исследования Деннис Виткуп, доктор философии.

В качестве первого шага Виткуп и его коллеги искали математические закономерности, описывающие динамические изменения микробиома кишечника у четырёх здоровых людей, которых наблюдали в течение года. Они также проанализировали данные по микробиомам мышей, которых несколько недель кормили диетой с высоким содержанием клетчатки или жира.

Используя эти данные, исследователи изучили статистические связи между различными аспектами динамики микробиома, такими как колебания и численность различных бактерий во времени. "До сих пор оставался открытым вопрос, существуют ли какие-либо естественные законы, описывающие динамику этих сложных бактериальных сообществ", — отмечает Виткуп.

Хаотичные колебания подчиняются статистическим законам

Как и ожидалось, они обнаружили большие колебания в составе и ежедневных изменениях микробиома человека и мыши. Но, что поразительно, эти внешне хаотичные колебания следовали нескольким элегантным экологическим законам.

"Подобно многим животным сообществам и сложным финансовым рынкам, здоровый кишечный микробиом никогда не находится в истинном равновесии", — говорит Виткуп. Эти колебания не произвольны. Они следуют предсказуемым закономерностям, описываемым степенным законом Тейлора — устоявшимся принципом в экологии животных, который связывает флуктуации с относительной численностью бактерий для разных видов.

Другие обнаруженные законы микробиома также следовали принципам, часто наблюдаемым в экологии животных и экономических системах. К ним относятся тенденция к медленному, но предсказуемому дрейфу численности бактерий во времени, а также предсказуемость появления и исчезновения видов из микробиома.

"Удивительно, что микроскопические биологические сообщества — которые примерно на шесть порядков меньше, чем ранее анализировавшиеся макроскопические экосистемы, — по-видимому, управляются схожим набором математических и статистических принципов", — отмечает Виткуп.

Законы позволяют выявить аномальное поведение бактерий

Эти универсальные принципы должны помочь понять, какие процессы управляют микробной динамикой в кишечнике. Используя статистические законы, исследователи смогли идентифицировать конкретные виды бактерий с аномальными колебаниями. Эти сильно флуктуирующие бактерии были связаны с документально подтверждёнными периодами расстройства кишечника или поездками в другие страны у людей, предоставивших данные для исследования. Таким образом, этот подход может позволить понять и определить, какие именно бактерии вышли из-под контроля и ведут себя потенциально вредным образом.

Анализ данных по мышам также показал, что микробиомы, связанные с нездоровой диетой с высоким содержанием жиров, дрейфуют во времени значительно быстрее по сравнению с микробиомами, питающимися более здоровой диетой с высоким содержанием клетчатки. Это демонстрирует, что экологические законы можно применять для понимания того, как различные изменения в питании могут влиять и, возможно, смягчать устойчивую нестабильность микробиома.

Кишечный микробиом как миниатюрная экологическая лаборатория

Исследование также открывает возможность использовать микробные сообщества кишечника в качестве модельной системы для изучения общих экологических закономерностей. "Экологи годами спорили о том, почему и как возникают эти естественные экологические законы, без чётких ответов", — говорит Виткуп. Предыдущие экологические исследования в основном ограничивались наблюдениями, которые для животных и растений могут занимать десятилетия. Некоторые ключевые эксперименты, такие как добавление или удаление определённых видов, просто невозможно провести.

Кишечный микробиом, напротив, предоставляет идеальную миниатюрную лабораторию, где исследователи могут легко манипулировать различными переменными, такими как количество и состав микроорганизмов, и затем изучать различные аспекты влияния окружающей среды. "Одна из наших следующих целей — понять происхождение этих общих экологических законов с помощью микробиоты кишечника", — заключает Виткуп.