Человеческий суперорганизм. Как микробиом изменил наши представления о здоровом образе жизни - Родни Дитерт

Чувство кворума определяет способность многих патогенных микробов образовывать плотные скопления, изменять свою физиологию и формировать так называемые биопленки. Бороться с биопленками иммунологическими методами или с помощью антибиотиков чрезвычайно трудно. Не исключено, что решить эту проблему нам поможет знание механизмов чувства кворума. Так, например, некоторые бактерии нашего кишечника способны блокировать образование биопленок кишечными патогенными микробами. Помимо прочих продуктов они вырабатывают фермент ацилазу, препятствующий образованию биопленок и повышающий их уязвимость к противомикробным агентам. Таким образом, для борьбы с деструктивными группировками патогенов мы можем использовать наступательные стратегии живущих в нашем теле микроорганизмов.

Измерение сигналов систем чувства кворума дает в руки медиков мощный инструмент. Оно может служить ранним предостерегающим признаком, который позволит им предотвратить болезнь. Другие сигналы системы чувства кворума, возможно, помогут определить, вызывает ли принимаемый пробиотик нужные эффекты в кишечнике, дыхательных путях, мочеполовой системе или на коже.

Иллюстрируем сказанное примером из реальной жизни. Отслеживая изменения сигналов системы чувства кворума, медики смогут своевременно вмешиваться в процесс превращения патогенных бактерий в опасных инфекционных агентов. А потеряв способность действовать единой группой и прочно прикрепляться к эпителиальной выстилке наших органов, эти бактерии не могут образовывать и биопленки, отражающие иммунные атаки нашего организма. Иными словами, благодаря такому вмешательству патогенные бактерии лишаются способности вызывать болезни.

Вот пример того, как кишечные бактерии могут использовать чувство кворума для блокировки патогена. В ходе любопытного исследования, проведенного международной группой ученых, было обнаружено, что особый вид комменсальных бактерий (Ruminococcus obeum), присутствующий в кишечнике здоровых бангладешских детей, может использовать межмикробную коммуникацию для ухудшения способности холерных вибрионов (Vibrio cholerae) колонизировать человеческий кишечник и вызывать холеру. Благодаря эффектам чувства кворума комменсальные руминококки изменяли экспрессию генов холерных вибрионов и ограничивали их способность надолго задерживаться в кишечнике и вызывать болезнь.

Не исключено, что все описанные ваше стратегии манипуляции с микробиомом — как естественные, так и целенаправленно разработанные учеными — в недалеком будущем начнут использоваться для снижения риска некоторых инфекционных заболеваний.

Отражать атаки вирусов приходится не только людям, животным и растениям: вторжению вирусов подвергаются и живущие в нашем теле бактерии и археи. Наше тело защищает от вирусных и бактериальных инфекций многокомпонентная иммунная система, но микробы, населяющие наше тело, не имеют ни лимфоцитов, ни макрофагов, ни каких-либо иных иммунных клеток. Значит ли это, что они совершенно беззащитны? Нет, эти микроорганизмы располагают собственной системой противовирусной обороны.

Бактерии и вирусы обладают своего рода аналогом иммунной системы, только состоит она не из полчищ специализированных клеток, в любой момент готовых мобилизоваться и ринутся в бой с противником. Вместо этого наши микроорганизмы мобилизуют различные типы ферментов, раздирающие вирусы буквально в клочья. Мы атакуем врагов особыми клетками, а наши микробы используют для этого ферменты. Их система самозащиты называется CRISPR.

Грубо говоря, CRISPR (от англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) — это «иммунная система» прокариотических организмов (то есть безъядерных одноклеточных микроорганизмов — бактерий и архей). Как и человеческая иммунная система, CRISPR обладает иммунологической памятью: она может вспомнить, что уже сталкивалась прежде с той или иной внешней угрозой. Иммунологическая память позволяет организму распознавать патоген (например, вирус) и при повторном столкновении с ним формировать более быструю, более специфическую и более эффективную иммунную реакцию. Бактериям она помогает защищаться от вирусов (бактериофагов) и других мобильных фрагментов ДНК, которые способны нарушать целостность бактерий и подавлять их функции.

В некоторых отношениях бактериальная CRISPR-атака вирусов напоминает нападение осьминогоподобных, вооруженных лазерами Стражей на город Сион в кинотрилогии «Матрица». Ферменты рвут на части ДНК вирусов и разрушают их, что помогает бактериям и археям сохранять свою целостность. Но механизмы работы этих бактериальных ферментов гораздо сложнее, чем представлялось вначале.

Недавно разгаданные тайны микробиома породили настоящую революцию в системах оценки безопасности в здравоохранении, но еще больше сюрпризов можно ожидать от самих наших микробных партнеров. Поразительное открытие собственной «иммунной системы» у бактерий открывает совершенно новые возможности в медицине, ветеринарии и биотехнологии. Поскольку бактерии очень уязвимы к вирусным атакам, они вынуждены активно защищать свою целостность. С этой целью они выработали уникальную генетическую стратегию самообороны, открытую Дженнифер Дудна из Калифорнийского университета в Беркли и Эммануэль Шарпантье из Центра им. Гельмгольца по исследованию инфекционных заболеваний в Германии и описанную Карлом Циммером в журнале Quanta.

Эта защита включает способность бактерий захватывать фрагменты ДНК внедряющегося в них вируса, хранить их в особых местах своего собственного генома, превращать копии вирусной ДНК в копии РНК и затем использовать кусочки этой РНК вместе со специфическими ферментами, разрушающими ДНК, для атаки ДНК того же самого вируса. Поскольку последовательность нуклеотидов РНК в точности соответствует вирусной ДНК, ферменты разрушают только «нужные» сегменты ДНК. Такой уникальный способ самообороны требует от бактерий лишь незначительных расходов энергии и почти не дает неблагоприятных побочных эффектов.

Основой всего этого процесса служат две серии последовательностей генов. Первая из них — уже упоминавшиеся участки CRISPR. Рядом располагаются гены, ответственные за образование ферментов, разрезающих ДНК (Cas); эти гены называются CRISPR-ассоциированными генами. Cas-ферменты используют бактерию, несущую РНК-копию вирусной ДНК, в качестве «посадочной площадки». Как только происходит посадка, один из Cas-ферментов, Cas9, меняет свою форму и начинает, словно ножом, разрезать на части вирусную ДНК, тем самым разрушая вирусный геном.

Примечательно, что эта система бактериальной иммунной защиты специфическим образом направлена только против какой-нибудь одной вторгающейся в клетку разновидности вирусов и не разрушает другие ДНК. Благодаря такой специфичности и способности бактерии извлекать пользу из своего опыта предшествующего столкновения с вирусом, описанная система бактериальной защиты представляет собой некое подобие адаптивного иммунного ответа. По сути дела, имеет место своего рода вакцинация бактерии, в результате которой она оказывается подготовленной к реальной атаке интактного вируса.