Микрофлора в пробирке
Многочисленные исследования доказывают, что микробиом кишечника влияет на развитие нервной системы, реакцию на иммунотерапию рака и другие аспекты здоровья. Но эти бактериальные сообщества сложны, и без систематизации оценить влияние отдельных клеток или молекул на состояние здоровья человека невозможно.
Исследователи из Стэнфордского университета создали самый сложный на сегодняшний день синтетический микробиом – сообщество из более чем 100 видов бактерий – и успешно пересадили его мышам. Возможность добавлять, удалять и редактировать отдельные виды позволит ученым лучше понять связи между кишечной микрофлорой и здоровьем и в конечном итоге разработать новые методы лечения на основе манипуляций с микробиомом.
Обычно исследования микробиома проводятся с использованием фекальных трансплантатов, которые переносят весь естественный микробиом из одного организма в другой. Удалить или модифицировать один из сотен видов бактерий для оценки его влияния на организм с помощью имеющихся инструментов невозможно. Майкл Фишбах и его коллеги приняли решение создать микробиом с нуля, выращивая по отдельности, а затем смешивая составляющие его бактерии.
Каждая клетка в микробиоме занимает определенную функциональную нишу, выполняя реакции, которые расщепляют и накапливают молекулы. Чтобы создать микробиом, необходимо убедиться, что конечная смесь будет не только стабильной, поддерживая баланс без подавления одних видов другими, но и функциональной, выполняя все действия полноценного естественного микробиома. Выбор видов для включения их в синтетическое сообщество также был затруднен, учитывая естественную вариабельность между особями; так, два человека, отобранных случайным образом, несут менее половины одинаковых бактерий.
Исследователи решили создать свою колонию из наиболее распространенных бактерий и обратились к Human Microbiome Project (HMP) Национальных институтов здоровья, чтобы секвенировать полные микробные геномы более 300 взрослых. Они отобрали более 100 штаммов бактерий, которые присутствовали по меньшей мере у 20% людей из базы HMP. Добавив нескольких видов, необходимых для некоторых последующих исследований, группа получила 104 штамма. Эти бактерии выращивались в отдельных чашках, а затем помещались в одну комбинированную культуру, чтобы получилось единое сообщество (human community one, hCom1).
Штаммы в синтетическом микробиоме устойчиво сосуществовали in vitro. Чтобы проверить, приживется ли новая колония в кишечнике животного, исследователи ввели hCom1 мышам, лищенным кишечной микрофлоры. hCom1 было удивительно стабильным, при этом 98% составляющих видов колонизировали кишечник этих мышей, а относительная численность каждого вида оставалась постоянной в течение двух месяцев.
Далее предстояло убедиться, что все жизненно важные функции микробиома будут выполняться. Авторы опирались на теорию колонизационной устойчивости, согласно которой любая бактерия, будучи введенной в существующую колонию, выживет только в том случае, если заполнит еще не занятую нишу. Введя полный микробиом в виде образца человеческих фекалий в колонию hCom1 и отслеживая любые новые виды, которые поселятся там, исследователи могли бы создать более полное сообщество.
Примечательно, что hCom1 держался практически самостоятельно, и только около 10% бактерий в конечном сообществе были выделены из фекального трансплантата.
В результате получилось новое сообщество из 119 штаммов, получившее название hCom2.
Чтобы продемонстрировать полезность синтетического микробиома, мышам, колонизированных hCom2, ввели образец кишечной палочки. Эти мыши, как и мыши с естественным микробиомом, сопротивлялись инфекции.
Предыдущие исследования показали, что здоровый естественный микробиом борется с кишечной палочкой, но Фишбах и его коллеги собираются сделать еще один шаг вперед, устраняя или модифицируя определенные штаммы, чтобы определить, какие из них конкретно обеспечивают защиту от нее. Они уже обнаружили несколько ключевых бактерий и планируют провести дальнейшие исследования, чтобы сузить круг наиболее важных видов.
Авторы предполагают, что метод создания микробиома с нуля сделает возможным лечение или профилактику различных заболеваний, в том числе аутоиммунных и онкологических.
Статья A.Cheng et al. Design, construction, and in vivo augmentation of a complex gut microbiome опубликована в журнале Cell.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Stanford University: Stanford researchers construct most complex, complete synthetic microbiome.