Учёные открыли «микробные Помпеи»
Международная команда исследователей обнаружила «микробные Помпеи» — сообщества микроорганизмов, сохранившиеся на зубах скелетов возрастом около 1000 лет. Ключом к открытию стал зубной камень (зубной налёт), который сохраняет бактерии и микроскопические частицы пищи на поверхности зубов, создавая своеобразную минеральную гробницу для древних микробиомов.
Исследователи установили, что в древней ротовой полости человека присутствовало множество оппортунистических патогенов, а пародонтит вызывается теми же бактериями, что и сегодня, несмотря на значительные изменения в диете и гигиене человека.
Учёные обнаружили, что древний оральный микробиом уже содержал базовый генетический аппарат для устойчивости к антибиотикам более чем за восемь веков до изобретения первых терапевтических антибиотиков в 1940-х годах. Помимо медицинской информации, из древнего зубного камня была извлечена диетическая ДНК, позволившая идентифицировать компоненты пищи (например, овощи), которые редко сохраняются в археологической летописи.
Под руководством Цюрихского университета, Копенгагенского университета и Йоркского университета этот новаторский анализ экологии и функций древнего орального микробиома был проведён при участии 32 учёных из двенадцати институтов в семи странах.
Исследование, опубликованное в Nature Genetics, показывает, что в отличие от кости, которая быстро теряет молекулярную информацию в почве, зубной камень медленно формируется во рту и попадает в грунт в гораздо более стабильном состоянии, что помогает сохранять биомолекулы. Это позволило команде под руководством доктора Кристины Варриннер проанализировать древнюю ДНК, не повреждённую условиями захоронения.
Впервые к зубному камню был применён метод shotgun-секвенирования ДНК. Учёные реконструировали геном основного патогена, вызывающего пародонтит, и получили, возможно, первые генетические свидетельства диетических биомолекул, извлечённых из древнего зубного камня.
Анализ этого массива данных потребовал решения сложной биоинформатической задачи по сортировке и идентификации миллионов генетических последовательностей, подобно сборке пазла, для реконструкции сложной биологии древнего орального микробиома.
«Зубной камень — это окно в прошлое и, возможно, окажется одним из наиболее хорошо сохранившихся архивов микроорганизмов, связанных с человеком», — говорит профессор Кристиан фон Меринг, соавтор исследования и директор группы в SIB Swiss Institute of Bioinformatics, где проводился биоинформатический анализ.
Профессор Мэтью Коллинз из Йоркского университета отметил: «Мы знали, что камень сохраняет микрочастицы пищи, но уровень сохранности биомолекул поразителен. Микробиом, погребённый и сохранённый в минеральной матрице, — это микробные Помпеи».
Доктор Варриннер из Цюрихского университета и Университета Оклахомы добавила: «Зубной камень служит одновременно долговременным резервуаром орального микробиома и ловушкой для пищевых и экологических частиц. Это позволяет нам изучать здоровье и болезни, а также реконструировать аспекты жизненного пути и деятельности индивида. Никогда ранее мы не могли получить столько информации из одного маленького образца».
Исследование имеет широкие последствия для понимания эволюции орального микробиома человека и происхождения пародонтита. Это заболевание вызывает характерные протеомные изменения и характеризуется хроническим воспалением, ведущим к потере зубов и костной ткани. Доктор Энрико Каппеллини из Копенгагенского университета, старший автор исследования, описывает изученный зубной камень как «археологический сайт поля битвы, только в молекулярном масштабе».
Сегодня пародонтит средней и тяжёлой степени поражает более 10% населения мира и связан с различными системными заболеваниями, включая сердечно-сосудистые болезни, инсульт, лёгочные заболевания и диабет II типа. Хотя болезнь распространена среди людей, домашних питомцев и обитателей зоопарков, у диких животных она обычно не развивается, что позволяет предположить её связь с изменениями орального микробиома в результате современного образа жизни человека.
«По мере того как мы узнаём больше об эволюции этого микробиома в ответ на миграции, изменения в диете, здоровье и медицине, я могу представить будущее, в котором большинство археологов будут считать зубной камень более интересным, чем сами зубы», — говорит профессор Коллинз.
«Изучение древних микробиомов помогает нам понять эволюционную историю здоровья и болезней человека, — говорит профессор Франк Рюли, старший автор исследования и глава Центра эволюционной медицины Цюрихского университета. — Это важно для современной медицины».