Микробиом: состав, функции и значение¶

Микробиом — это совокупность микроорганизмов (бактерий, архей, грибов, простейших, вирусов), обитающих в определённой среде — в организме человека, животного, растения, в почве или воде, — а также совокупность их генов. Термин применяется как к самим микробным сообществам, так и к изучающей их области науки. Наибольшее развитие получило исследование микробиома человека, прежде всего кишечного, поскольку от его состава зависят пищеварение, иммунитет и обмен веществ.

¶Терминология

Понятия «микробиота» и «микробиом» часто используют как синонимы, хотя между ними есть различие. Микробиота — это перечень самих микроорганизмов, населяющих среду. Микробиом — более широкое понятие, включающее микроорганизмы и их генетический материал. Термин «микробиом» предложил в 2001 году нобелевский лауреат Джошуа Ледерберг, объединив слова «микро» и «геном».

¶История изучения

Микроорганизмы в организме человека впервые описал в XVII веке Антони ван Левенгук, изучавший зубной налёт под собственным микроскопом. В XIX веке Луи Пастер и Роберт Кох заложили основы медицинской микробиологии, однако долгое время микробы рассматривались преимущественно как возбудители болезней.

Перелом произошёл в конце XX — начале XXI века, когда методы секвенирования ДНК позволили изучать микроорганизмы, не выращивая их в лаборатории. В 2007 году в США стартовал проект Human Microbiome Project, а в Европе — аналогичные программы (MetaHIT). Они показали, что микробные сообщества человека значительно разнообразнее и многочисленнее, чем считалось ранее.

¶Состав микробиома человека

Число микробных клеток в организме человека сопоставимо с числом собственных клеток — по современным оценкам, порядка 10¹³–10¹⁴. Основная масса сосредоточена в толстой кишке.

В кишечнике преобладают несколько крупных типов бактерий: фирмикуты, бактероиды, актинобактерии и протеобактерии. Состав сильно варьирует между людьми, однако набор выполняемых функций у здоровых взрослых во многом сходен.

¶Формирование микробиома

Микробиом начинает формироваться при рождении. Существует представление о внутриутробной стерильности, которое в последние годы оспаривается. Ключевые факторы, влияющие на состав:

• способ рождения (естественные роды или кесарево сечение);
• характер вскармливания (грудное молоко или смеси);
• питание и образ жизни;
• приём антибиотиков;
• контакты с окружающей средой и животными;
• генетические особенности хозяина.

К трём годам микробиом ребёнка становится близким к взрослому. У взрослых состав относительно стабилен, но меняется под действием диеты, болезней и лекарств.

¶Функции

Микробиом выполняет ряд жизненно важных задач:

• Пищеварение. Расщепление сложных углеводов, которые организм человека не способен переварить самостоятельно, с образованием короткоцепочечных жирных кислот.
• Синтез веществ. Выработка витаминов (например, витамина K и ряда витаминов группы B), аминокислот и других метаболитов.
• Иммунитет. Обучение и регуляция иммунной системы, защита от патогенов за счёт конкуренции за ресурсы.
• Защита барьеров. Поддержание целостности слизистых оболочек и кожного покрова.
• Влияние на нервную систему. Через так называемую ось «кишечник — мозг» микробиота влияет на поведение и эмоциональный фон.

¶Связь с заболеваниями

Нарушение состава и функций микробиома (дисбиоз) связывают с широким кругом состояний:

• воспалительные заболевания кишечника (болезнь Крона, язвенный колит);
• ожирение и метаболический синдром;
• сахарный диабет 2-го типа;
• аллергии и аутоиммунные болезни;
• некоторые расстройства нервной системы.

Причинно-следственные связи во многих случаях остаются предметом дискуссий: не всегда ясно, является ли изменение микробиома причиной болезни или её следствием.

¶Методы исследования

Основной современный метод — метагеномное секвенирование, позволяющее определять состав сообщества по образцам ДНК без культивирования. Дополнительно применяются:

• анализ гена 16S рРНК (для бактерий);
• метапротеомика и метаболомика;
• культивирование отдельных штаммов;
• эксперименты на животных без микрофлоры (гнотобионтах).

¶Практическое применение

На основе знаний о микробиоме развиваются несколько направлений:

• Пробиотики — препараты с живыми микроорганизмами.
• Пребиотики — вещества, стимулирующие рост полезных бактерий.
• Трансплантация фекальной микробиоты — метод, применяемый при тяжёлых инфекциях, вызванных Clostridioides difficile.
• Персонализированное питание — подбор рациона с учётом состава микробиоты.

Значительная часть этих подходов пока не имеет убедительных доказательств эффективности и требует дальнейших исследований.

¶Микробиом за пределами организма

Понятие применяется не только к человеку. Микробиом почвы определяет её плодородие и участвует в круговороте веществ. Микробиом растений влияет на их рост и устойчивость к болезням. Изучаются микробные сообщества океанов, где они играют ключевую роль в глобальных биогеохимических циклах.

¶Критика и открытые вопросы

Область активно развивается, но сталкивается с рядом проблем: сложность установления причинных связей, различие результатов между исследованиями, а также коммерческое использование термина в рекламе продуктов, не имеющих подтверждённой пользы. Многие заявления о «восстановлении микробиома» носят спекулятивный характер.