Как взаимодействия микробов формируют нашу жизнь

Взаимодействия между видами микробов, живущих в желудочно-кишечной системе, часто оказывают значительное и непредсказуемое влияние на здоровье, согласно новому исследованию команды под руководством Уилла Ладингтона из Института Карнеги. Результаты опубликованы на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Микробиом кишечника — это экосистема из сотен или тысяч видов микробов, живущих в организме человека. Огромное разнообразие в кишечнике человека затрудняет каталогизацию и понимание влияния этих сообществ на наше здоровье.

Биологов особенно интересует, является ли микробиом как целое больше, чем сумма его частей. Другими словами, в какой степени отдельные виды влияют на наше здоровье и физиологию, и в какой степени эти воздействия определяются взаимодействиями между видами, присутствующими в нашем микробиоме?

Ладингтон и его команда использовали естественно простой микробиом плодовых мушек (Drosophila), чтобы всесторонне изучить кишечную экосистему. Команда обнаружила, что взаимодействия между видами в микробиоме кишечника влияют на здоровье и даже продолжительность жизни мух.

"Классический взгляд на бактериальные виды — это черно-белый контекст как агентов болезни: либо они у вас есть, либо нет", — сказал Ладингтон. — "Наша работа показывает, что для микробиома это не так. Эффекты конкретного вида зависят от контекста, то есть от того, какие другие виды также присутствуют".

Еще в 1927 году Хелен Штайнфельд из UC Berkeley обнаружила, что, просто удалив кишечные бактерии у плодовых мух в своей лаборатории, она может продлить их жизнь на 14%.

Команда Ладингтона повторила эксперимент и обнаружила аналогичное увеличение продолжительности жизни на 23%, когда они удалили специфический микробиом своих мух. Однако оставалось неясным, насколько это влияние связано с присутствием отдельных видов, а насколько — с общей микробной экологией.

Исследователи создали систему для картирования всех возможных взаимодействий между пятью видами бактерий, обнаруженными в кишечнике мухи, чтобы увидеть, как они влияют на развитие насекомого, производство потомства и продолжительность жизни, которые вместе определяют его приспособленность (fitness). Анализ взаимодействий потребовал разработки новых математических подходов, основанных на геометрии пятимерного куба, где каждый вид представляет собой новое измерение.

Команда обнаружила, что взаимодействия между микробными популяциями так же важны для физиологии мухи, как и присутствие отдельных видов. В отношении изменения продолжительности жизни на 23% отдельные виды могут объяснить только четверть эффекта, в то время как взаимодействия объясняют остальное. Эти взаимодействия сильно влияют на некоторые, но не на все факторы, определяющие вероятность передачи мухой своего генетического материала следующему поколению.

"Когда мы изучили общую приспособленность мухи — ее шансы выжить и произвести потомство — мы обнаружили, что существует компромисс между короткой продолжительностью жизни с большим количеством потомства и долгой жизнью с небольшим потомством", — пояснил Ладингтон. — "Этот компромисс опосредован взаимодействиями в микробиоме. Это означает, что если мы хотим понять, как микробиом влияет на наше здоровье, нам необходимо развить прогностическое понимание того, как комбинации бактерий влияют на хозяина, а не только отдельные виды".

Кроме того, инструменты измерения и анализа, разработанные для этого исследовательского проекта, демонстрируют, что плодовая мушка является хорошей моделью для понимания более сложных взаимодействий в микробиоме человека и других животных, что будет важно для будущих исследований.