Nature Microbiology: Бактерии очень изобретательно выживают в кишечнике человека

Микробиом кишечника настолько полезен для пищеварения и здоровья человека, что его часто называют дополнительным органом пищеварения. Это огромное скопление бактерий и других микроорганизмов в кишечнике помогает нам расщеплять пищу и производить питательные вещества и другие метаболиты, которые влияют на здоровье человека множеством способов.

Новое исследование Чикагского университета показывает, что некоторые группы этих микробов-помощников также удивительно изобретательны, с большим репертуаром генов, которые помогают им генерировать энергию для себя и потенциально влиять на здоровье человека.

В работе, опубликованной 4 января 2024 года в журнале Nature Microbiology, определены 22 метаболита, которые три отдаленно родственных семейства кишечных бактерий используют в качестве альтернативы кислороду для дыхания в анаэробной среде кишечника. Эти бактерии также имеют до сотни копий генов для производства ферментов, которые перерабатывают эти альтернативные метаболиты — гораздо больше, чем было измерено у бактерий, живущих вне кишечника. Эти результаты позволяют предположить, что анаэробные бактерии кишечника могут обладать способностью производить энергию и из сотен других соединений.

Это примеры своеобразных метаболизмов, которые действуют на все эти различные метаболиты, производимые микробиомом кишечника, — говорит Сэм Лайт, доктор философии, доцент кафедры микробиологии Университета Чикаго (Neubauer Family Assistant Professor of Microbiology at UChicago) и старший автор исследования.

Это интересно, потому что один из основных способов влияния микробиома на наше здоровье — это создание или изменение этих малых молекул, которые затем могут попасть в наш кровоток и действовать как лекарства.

На уровне организма мы обычно думаем о дыхании как о процессе вдыхания кислорода. На клеточном уровне дыхание описывает биохимический процесс, генерирующий энергию. Большинство клеток используют кислород для дыхания, но в анаэробной среде, например внутри кишечника, клетки эволюционировали, чтобы использовать другие молекулы.

Для получения энергии клетки используют два основных типа метаболизма: брожение и дыхание. При ферментации клетка расщепляет молекулы для получения энергии напрямую. В дыхании участвуют две молекулы: донор электронов и акцептор электронов. Классический пример этого процесса — использование глюкозы в качестве донора и кислорода в качестве акцептора. Клетки расщепляют глюкозу, перемещая извлеченные электроны через ряд этапов, прежде чем они окончательно перейдут к молекуле кислорода. Это побуждает клетку генерировать АТФ, или аденозинтрифосфат: основной источник энергии для использования и хранения на клеточном уровне.

Большинство микробов, живущих в кишечнике, используют ферментацию, но есть и несколько известных типов бактерий с дыхательным метаболизмом, в том числе те, которые используют акцепторы электронов — углекислый газ и сульфат. Для нового исследования Лайт и его коллеги проанализировали базу данных из более чем 1500 геномов бактерий кишечника человека. Они обнаружили удивительное распределение генов, которые производят редуктазы — ферменты, использующие различные акцепторы электронов в дыхательных путях. В то время как большинство геномов кодируют всего несколько редуктаз, небольшое подмножество кодирует более 30 различных редуктаз. Эти бактерии не были близкими родственниками; они происходили из трех различных и далеко отстоящих друг от друга семейств (Burkholderiaceae, Eggerthellaceae и Erysipelotrichaceae), разделенных сотнями миллионов лет эволюционной истории.

Эти бактерии, по-видимому, более изобретательны, чем бактерии с респираторным метаболизмом, живущие вне организма-хозяина, которые в основном используют неорганические соединения. Выявленные Лайтом и его командой респираторные бактерии кишечника специализируются на различных органических метаболитах, что вполне логично, учитывая постоянное наличие пищи.

В кишечнике так много органических веществ, которые поступают из пищи, которую мы едим. Она химически сложна, и вам нужно больше ферментов, чтобы переработать ее в этой среде, — говорит Лайт.

Мы думаем, что разнообразие генов позволяет бактериям использовать множество различных веществ, которые попадают к ним в организм.

Некоторые из метаболитов, которые они используют, также имеют интересные последствия для здоровья человека в кишечнике. Например, у людей с диабетом второго типа в крови повышается уровень побочного продукта аминокислот, называемого имидазол-пропионатом. Другой метаболит, ресвератрол, влияет на некоторые процессы метаболизма и иммунной системы, а итаконат вырабатывается макрофагами в ответ на инфекции.

Лайт надеется, что дальнейшие исследования, подобные этому, помогут нам понять функции различных микробов в кишечнике, что, в свою очередь, может быть использовано для улучшения здоровья.

Рассчитываюна то, что наше понимание этих различных метаболизмов и того, как они работают, позволит нам разработать стратегии вмешательства — либо через диету, либо фармакологически — для модуляции потока метаболитов через эти различные пути, — заключает он.

Таким образом, в любом контексте, например, при диабете 2-го типа или после инфекции, мы сможем контролировать производство метаболитов, чтобы получить терапевтический эффект.

04.01.2024