Текст книги "Я – суперорганизм! Человек и его микробиом"

От наблюдений к экспериментам

Далее наступает этап, который технология облегчает мало. Нам предстоит выяснить, что все это значит. Вероятно, тут уместна аналогия с переходом от естественной истории к более глубокому научному пониманию того, что же мы так долго описывали и классифицировали. Здесь требуется объединить теорию с новыми экспериментами, иначе метагеномика рискует подпасть под шуточное определение Сиднея Бреннера, одного из отцов-основателей современной молекулярной генетики, и стать «биологией с непонятными данными на входе, высокими расходами и нулевым выходом».

Как же избежать столь безрадостного итога? Биологией можно заниматься самыми разными способами, но в данном случае разумно выделить три главных подхода. Один из них сводится к тому, чтобы выяснить, как проводить контролируемые эксперименты над микробиомом. Понятно, что опыты на людях ставить непросто, даже если эти опыты вполне отвечают этическим требованиям[27]27
  Еще сравнительно недавно, в 1970-х, в США проводили на заключенных-добровольцах опыты по изучению бактериального токсина, ответственного за некоторые симптомы брюшного тифа. Но времена меняются [Hornick, 1970].


[Закрыть]. Значит, следует обратиться к микробиомам других видов. Микробиомы есть у всех, так что для сравнения можно использовать самые разные существа. Список соответствующих микробиомов, которые уже проанализированы, неуклонно растет.

Более четкое сравнение можно провести, используя подопытных животных, которые начинают свою жизнь без всякого микробиома, – снабдить их микробиомом, специально сконструированным для того, чтобы получить ответ на конкретный вопрос, интересующий экспериментатора. Основная модельная система здесь – безмикробные мыши. Впервые их вырастили в лаборатории еще полвека назад[28]28
  По мнению биолога Роба Данна, сообщения прессы о первых безмикробных животных вызвали в обществе энтузиазм: теперь-то, считали многие, удастся полностью уничтожить микробов и в среде обитания человека. Мне кажется, это превратное толкование истории, но рассказывает он, что ни говори, убедительно [Dunn, 2011, гл. 5].


[Закрыть]. С помощью кесарева сечения им помогают появиться на свет, а затем растят в стерильных условиях. Всю работу исследователи должны выполнять при помощи герметических рукавов с перчатками на концах. Это занятие, дорогостоящее и трудоемкое, почти вышло из употребления с зарождением новой волны микробиомных исследований. Саркис Мазманян из Калифорнийского технологического института, лауреат премии «Гений» фонда Мак-Артура (с этим гением мы еще встретимся в главе 7), рассказывает, что в 2002 году, начав исследовать влияние микробов на кишечник, он обнаружил, что в пределах досягаемости нет никого, кто знал бы, как выращивать безмикробных мышей. «Мне пришлось убедить одного лаборанта, ушедшего на пенсию, помочь мне устроить стерильные боксы и научить меня «санитарной инженерии». Вместо устройств из стали и стекла, которые он использовал в свое время (50 лет назад), мы сумели раздобыть чудесные модернизированные боксы с пластиковыми пузырями, содержащими по 4 клетки с мышами. После того как я несколько раз случайно занес в эти боксы грязь, я понял, почему исследователи так редко обращаются к безмикробным подопытным животным»[29]29
  Цит. по: Mazmanian, 2009.


[Закрыть].

Спустя десяток лет удалось наладить поточное выращивание безмикробных мышей во многих лабораториях. Мыши с давних пор служат моделями для генетических и биохимических исследований; есть фирмы, поставляющие для лабораторных исследований стандартизированные их породы («линии»). Теперь для лабораторных нужд привлекаются и другие безмикробные существа, в том числе крысы и (последнее приобретение науки) рыба данио-рерио. Эти рыбки замечательны тем, что эмбрионы у них прозрачные, поэтому за их развитием наблюдать гораздо легче.

Впрочем, все эти модели – своего рода компромиссы. В чем-то люди походят на мышей и даже на рыб, но в чем-то, как нетрудно заметить, от них отличаются. Любые результаты, полученные при изучении этих существ, в лучшем случае лишь указывают на то, что может происходить у людей. Возможна ли какая-то более удачная модель, отражающая наши, человечьи, особенности? Во многих отношениях подходит свинья. Она ближе к человеку, чем мышь, по размерам, по характеристикам пищеварительной системы, по общему метаболизму и даже по микробиому. Но давайте признаемся себе: свинья никогда не будет подопытным животным в большом количестве лабораторий. Колин Хилл из университетского колледжа Корка – один из исследователей, предпринимавших попытки задействовать свинью в качестве экспериментального объекта. На конференции 2014 года он предупредил: «Взрослая свинья с диареей – весьма неприятный объект для всех участников эксперимента»[30]30
  Лейтмотив работы Exploring Human Host-Microbiome Interactions in Health and Disease [«Исследование взаимодействия «хозяин – микробиом» у здоровых и больных людей»], Hinxton, апрель 2014.


[Закрыть].

Живые животные, как и их микробиомы, – сложные объекты. Нелегко увидеть, что происходит внутри этих существ. Вот почему был разработан целый ряд способов экспериментально воспроизвести какое-то подобие части животного или же подобие микробиома. Например, клетки кишечника можно выращивать в культуре, побуждая их образовывать нечто напоминающее внутреннюю оболочку кишечника. Можно попытаться воссоздать микробную экосистему в лабораторном сосуде (или в серии сосудов). Затем можно брать пробы меняющегося населения таких биореакторов, измерять его характеристики, анализировать состав питательной жидкости и выделяемой бактериями смеси. И все это для того, чтобы получить хоть какое-то представление о функционировании системы.

Такой подход годится, если ваша цель – подобрать оптимальную смесь микробов, которая может заново заселить кишечник пациента, чей микробиом резко перешел в нежелательное состояние из-за какого-то неприятного расстройства вроде болезни Крона. Однако такой метод не удовлетворит тех, кто хочет спуститься на молекулярный уровень. Биологические процессы идут в клетках, но управляют этими процессами молекулы, большие и маленькие.

Насколько глубоко вы хотите проникнуть в эти молекулярные детали, зависит от того, какого рода объяснение вы ищете. Эксперименты разрабатывают для проверки гипотез, а те в свою очередь возникают на основе идей – важнейшего компонента всех наших хитроумных микробиомных исследований. Изучение суперорганизма вбирает идеи из всех областей биологии.

Некоторые идеи пришли из теорий о развитии жизни. По выражению великого теоретика Феодосия Добжанского, «биология приобретает смысл только в свете эволюции». Дарвиновский естественный отбор в его современном виде остается биологической «теорией всего». Но он годится скорее для объяснения того, почему биологические объекты так себя ведут, чем для объяснения того, как они действуют.

Ответ на последний вопрос зависит от того, что вы хотите понять и на каком уровне. Многое в биологических системах – человеческих и микробных – зависит от структуры молекул. Но тут же возникает проблема: молекул-то очень много. В принципе я согласен с одним ученым, который на обеде в перерыве конференции, посвященной микробиомам, заметил: «Конечно, мы толком не поймем, что творится хоть с какими-то из этих штук, пока не найдем этому молекулярное объяснение». Впрочем, на практике такой подход не всегда кажется полезным и плодотворным. Зачастую он сводится к бесконечным утверждениям по схеме «А взаимодействует с B, тем самым влияя на C, что провоцирует отклик со стороны D… и в итоге получается X». Впечатляет, когда вы можете распутать всю цепочку, но такой результат всё же представляет собой не столько объяснение, сколько описание. Однако если такое умозаключение показывает, что мы могли бы избежать вредного результата X путем воздействия на A, B, C или D, оно может послужить отправной точкой для дальнейших изысканий.

Мне совершенно не хочется вспоминать тысячи подобных формулировок; к тому же во многих действительно интересных случаях уйдет масса времени на то, чтобы составить такую цепочку. А значит, нам понадобятся идеи более высокого уровня, чтобы осмыслить причинно-следственные связи, возникающие при нашем взаимодействии с собственными микробиомами. Поэтому давайте обратимся хотя бы к некоторым результатам из мощного потока данных, получаемых с помощью новых методик.

Глава 4. Повсюду микробы

Общая площадь кожи среднего человека – около 2 квадратных метров. Разместите там типичную бактерию, и у нее будет столько же пространства, сколько у одного-единственного человека, живущего на участке, сравнимом по размеру с суммарной территорией всех пятидесяти штатов США[31]31
  Это очень грубая оценка, но, как мне представляется, верная хотя бы по порядку величины. Человек в положении лежа занимает 3 квадратных метра, а бактерия микронной длины – одну миллионную одной миллионной квадратного метра. Площадь же континентальной части США – около 9 миллионов квадратных километров.


[Закрыть]. Если применить более привычную нам шкалу, то можно дать такую оценку: потребуется миллион бактерий, чтобы полностью покрыть булавочную головку.

Такая разница в масштабах делает многие исследования нашей микробиоты весьма приблизительными. Если представить себе, что наша кожа действительно кажется бактериям чем-то вроде континента, то можно, развивая этот образ, сказать, что мы хотим узнать не только общую численность микробного населения, но и его географическое распределение. Как мы увидим, площадь внутренних поверхностей тела гораздо больше площади кожи, так что проблема изучения этих областей еще сложнее.

Нынешние ученые могут отбирать пробы отовсюду, куда их допускают испытуемые. Рекордным, вероятно, является одно исследование, в ходе которого удалось проанализировать 400 различных участков кожи одной героически терпеливой четы и сделать довольно представительную перепись микробного населения. Новые научные результаты влекут за собой новые вопросы, так что за каждым очередным изысканием следует новый отбор проб, новый анализ, новые выясненные подробности. Но для того чтобы оценить масштаб суперорганизма, следует первым делом поискать ответ на основополагающий вопрос: «Кто здесь?»

Основополагающий ответ: «Здесь не все». Простое, но важное открытие. Да, ученые недавно узнали об ошеломляющем количестве и разнообразии микробных видов, обитающих в теле и на его поверхности. Однако это разнообразие ограничено. Уместно вспомнить знаменитую микробиологическую максиму, сформулированную голландцем Баасом Бекингом: «Всё есть повсюду, но среда производит свой отбор». В каждую бактерию заложен потенциал вездесущести, однако места, где эти микроорганизмы реально обитают, зависят от конкретных условий среды обитания, в том числе и от присутствия других бактерий.

Допустим, мы объединим данные всех исследований человеческого микробиома, какие когда-либо проводились, и составим общий список обнаруженных в нем бактерий. По оценкам специалистов, на Земле насчитывается от 50 до 100 филумов бактерий (напомним: филум – одна из самых крупных таксономических категорий, она содержит большое количество видов). Иными словами, мы даже толком не знаем, сколько бактериальных филумов существует на свете. Однако нам точно известно, что лишь представители небольшого их числа входят в человеческий микробиом. В нем могут иногда встречаться очень маленькие колонии представителей других филумов, но в целом, похоже, человек сосуществует не более чем с дюжиной бактериальных филумов. И лишь полдюжины из них – доминирующие: их представители составляют 99,9 % общего числа наших бактерий-компаньонов.

Мы знаем, что бактерии стремительно размножаются и потому способны быстро заполнить любую экологическую нишу, какая только им позволит в ней расти. Так что отсутствие у нас представителей большинства филумов показывает, что бактерии грузятся на славный корабль «Homo sapiens» отнюдь не посредством каких-то случайных процессов. Они проходят отбор и контроль. Что ж, этого следовало ожидать от системы, где миллионы лет идет совместная эволюция.

Еще одна находка общего порядка укрепляет нас в этой мысли. Дело в том, что не все микробы обнаруживаются на каждом участке тела. Мы предоставляем бактериям весьма различные среды обитания, и поэтому бактериальное население в них тоже весьма различно. Чтобы получить всестороннее представление о суперорганизме, нужно более пристально вглядеться в эти участки. Но прежде не помешает обратиться к карте человеческого микробиома и к одному международному проекту, организованному в США и как раз направленному на ее создание.

Широкий взгляд

Проект получил название «Микробиом человека», явно намекающее ученым (и спонсорам), что это естественный наследник проекта «Геном человека», ознаменовавшегося громким успехом. Новый проект запустила сеть американских Национальных институтов здравоохранения в конце 2007 года. Предполагалось провести обследование биоматериала, взятого у выборки здоровых добровольцев. Содружество лабораторий изучало биологические пробы, взятые у 242 взрослых, с 15 различных участков тела у мужчин и 18 – у женщин. (Большинство этих мужчин и женщин жили в двух американских городах – Хьюстоне и Сент-Луисе.) Общее количество процедур анализа превысило 11 тысяч, поскольку каждого донора просили в течение 2 лет дважды предоставить соответствующий биоматериал. Примерно из половины образцов выделили базовые последовательности 16S рРНК, которые позволяют идентифицировать типы микробов, но не определяют, какие именно штаммы присутствуют в пробе или каков их конкретный генетический состав. Сравнительно небольшой набор из 681 пробы секвенировали после фрагментирования ДНК на небольшие кусочки; так удалось получить общее представление о том, какие белки способны производить эти микробы. Наконец, для 800 бактериальных штаммов, выделенных из проб этих 242 участников эксперимента, провели полное секвенирование геномов. Всё это обошлось куда дешевле проекта «Геном человека», однако общие затраты составили немалую сумму – 170 миллионов долларов.

Благодаря новейшим технологическим достижениям эта сумма позволила получить больше данных, чем когда-либо получали биологи. Сообщество лабораторий, участвовавших в проекте, собрало в общей сложности 18 терабайт информации – примерно в 5000 раз больше, чем проект «Геном человека». В середине 2012 года первый масштабный анализ этих данных с подобающим триумфальным шумом появился в самых читаемых научных журналах – Nature и Science.

Эти данные позволили подтвердить еще одно важнейшее открытие относительно человеческого микробиома – его необычайную сложность и изменчивость. Картина микробиома здорового американца, нарисованная проектом «Микробиом человека», оказалась широкой во всех смыслах. В общей сложности участники эксперимента несли в себе и на себе более 10 тысяч видов микробов, то есть в соответствующих «человеческих экосистемах» имелось примерно 8 миллионов дополнительных генов – в 360 раз больше, чем собственных генов организма-хозяина. Само огромное количество различных микробов, бьющихся за жизненное пространство в каждом из нас, означает, что результаты вашего микробиологического обследования наверняка будут отличаться от результатов такого же обследования вашего соседа. «Все здоровые люди существенно отличаются друг от друга» – такой вывод сделало сообщество ученых, работавших в рамках проекта «Микробиом человека». Это заключение прозвучало в самом начале их программной статьи-отчета[32]32
  Human Microbiome Project Consortium, 2012.


[Закрыть]. Как объяснял Роб Найт из Колорадского университета, это означает, что если у какого-то человека есть среди других микробов один в большом количестве, всегда найдется другой человек, у которого этого микроба практически нет.

Следующее важнейшее открытие показало еще одну сторону этого разнообразия. Различные участки тела сильно отличаются друг от друга, в этом нет ничего удивительного. Однако большой неожиданностью стал тот факт, что микробиомные образцы, взятые с одного и того же участка тела разных людей, тоже очень отличаются. Сие открытие не очень-то порадовало организаторов проекта. Проект «Микробиом человека» продвигали среди спонсоров как подобие проекта «Геном человека». Стратеги от науки искренне надеялись, что он даст возможность выявить своего рода универсальный микробиом, точно так же как предыдущий проект выявил универсальную геномную последовательность человека. Такой микробиом стал бы стартовой площадкой для дальнейшей работы по изучению мелких различий между конкретными людьми. Но теперь мы видим, что никакого универсального микробиома нет, а есть лишь огромное множество микробиомов, весьма отличающихся друг от друга. Авторы одной статьи даже временно отказались от строгого языка науки, чтобы объявить: открытие того, что «нет филума, который присутствовал бы на определенном участке организма у всех людей», попросту «сбило их с ног»[33]33
  Keeney и др., 2014.


[Закрыть].

Разумеется, можно сгрести все эти данные вместе и вывести коллективный микробиом всех участников того или иного исследования – или всего набора исследований. Так и поступили.

Эти 20 дюжин здоровых взрослых американцев с их 10 тысячами видов микробов[34]34
  Определение вида здесь чисто техническое. Оно связано с последовательностями 16S рРНК. Собственно, речь идет о так называемых «операционных таксономических единицах» (ОТЕ). Вполне допустимо рассматривать их как виды, пытаясь оценить степень микробиологического разнообразия.


[Закрыть] на всех стали донорами микробов из ряда мест организма, выбранных отчасти из соображений научного интереса, отчасти же просто из соображений удобства. Девять из этих участков находились во рту или возле него: отбирались пробы слюны, двух видов зубного камня, пробы с поверхности языка, нёба, внутренней части щеки, с десен, миндалин и горла. Четыре участка находились на коже: левый и правый локтевой сгиб, а также заушные складки. При этом сравнительно недоступная нижняя часть пищеварительного тракта с ее куда более значительной микробной нагрузкой была представлена лишь своими выделениями – фекалиями. Микробы из перечисленных мест отбирали у всех участников проекта. Женщины давали еще три вида образцов – из наружного отверстия, из срединной и задней области влагалища.

Полученные результаты подтвердили, что основную часть бактериального населения наших микробиомов составляют представители всего четырех филумов: Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria и Proteobacteria. Первые два преобладают в кишечнике среднего здорового человека, особенно в толстой кишке, хотя Firmicutes можно обнаружить практически во всех остальных местах. Actinobacteria и Proteobacteria в изобилии встречаются во рту; имеются они и на коже.

Пока не очень-то информативно. Каждый из этих филумов содержит в себе большой набор видов. К примеру, Firmicutes (по-английски название звучит трогательно: firm and cute – «очаровательно твердые») – это просто бактерии с относительно твердой внешней оболочкой. Эту черту использовали, чтобы отличить их от хлюпиков Mollicutes (molli в переводе с латыни означает «мягкий»), к которым у меня личный интерес (об этом в главе 5) и у которых практически нет клеточной стенки.

Поэтому не так-то легко оценить значимость результатов, получаемых на первой стадии микробиомных исследований. Гарвардский эпидемиолог Уильям Хейнидж говорит: попробуйте-ка интерпретировать изменение в микробиоме кишечника, когда вам известно лишь, как изменилось соотношение содержания двух бактериальных филумов; по степени информированности вы окажетесь в положении человека, уверенного, что вольер, где живут 100 птиц и 25 улиток, идентичен аквариуму, где обитают 8 рыб и 2 кальмара, ведь оба вместилища содержат вчетверо больше позвоночных, чем моллюсков[35]35
  Hanage, 2014.


[Закрыть].

Но как только вы спуститесь от уровня филумов пониже, микробное разнообразие может показаться несколько озадачивающим. В рамках проекта «Микробиом человека» удалось обнаружить 1000 видов микробов лишь во рту, 440 – на локтевых сгибах, 1250 – за ушами. Влагалище, как выяснилось, обладает наименее многообразным микробным населением из всех обследованных зон тела: зачастую в нем обитает лишь несколько видов из рода Lactobacillus.

Во всех же прочих местах мы неизменно сталкиваемся с длинным (часто весьма длинным) списком видов, различным даже для довольно небольших участков организма. Так, в каждой из обследованных зон рта имеется микробное население особого состава. На сухих, влажных и маслянистых участках кожи (вы сами знаете, где они у вас располагаются) живет различная микробная флора. Особое микробное население у таких маленьких образований, как волосяные фолликулы или потовые железы. В кишечнике – самом крупном вместилище микробов – имеется множество различных экологических ниш для микробов, но в рамках проекта не планировалось подробно исследовать еще и эту область. Как предостерегал один ученый, полагаться лишь на образцы фекалий для того, чтобы разобраться в кишечной микробиоте, – все равно что пытаться представить себе окраску «феррари», нюхая выхлопные газы.

Столько видов! Их можно перечислить все, но это было бы бессмысленно. Скорее всего в списке нам окажутся хорошо знакомыми лишь немногие названия. На самом-то деле мы больше всего хотим узнать, что все эти микробы делают и каковы особенности их деятельности в разных местах организма, у разных людей, при заболеваниях и в здоровом состоянии. Для этого следует внимательнее вглядеться в наши многообразные микробные ниши, а затем – на перекрывающиеся друг с другом карты, отражающие результаты другого рода исследований. Давайте рассмотрим все наши основные экосистемы по очереди, кратко перечисляя главные их свойства. Самая сложная из них, кишечник, заслуживает отдельной главы (ее номер – 5). Здесь же я обращусь к целому ряду других мест, которые не столь сложны с точки зрения микробной жизни, однако и не обязательно просты. Начнем с той части нашего организма, которую микробы (как и все прочие, кто с нами знакомится) встречают первой, – с кожи.