Микробиота: состав, функции и значение¶

Микробиота — это совокупность микроорганизмов (бактерий, архей, грибов, простейших, а также вирусов), постоянно или временно обитающих в определённой среде: в организме человека, животного, растения, в почве, воде или ином субстрате. Термин чаще всего применяют к сообществу микробов, населяющих конкретный биотоп, например кишечник, кожу или ротовую полость. Близкое понятие «микробиом» обозначает не сами организмы, а совокупность их генов и продуктов жизнедеятельности, хотя в научной и популярной литературе эти слова нередко используют как синонимы.

¶Терминология и разграничение понятий

Строго говоря, микробиота — это перечень и состав живых микроорганизмов, тогда как микробиом — их коллективный геном. Число микробных генов в организме человека на порядки превышает число собственных генов хозяина, поэтому микробиом рассматривают как дополнительный «орган» или экосистему. Различают также понятие «микробиота» применительно к внешней среде: почвенная, водная, воздушная микробиота.

¶История изучения

Первые представления о микроорганизмах связаны с работами Антони ван Левенгука в XVII веке, который с помощью микроскопа описал бактерии из зубного налёта. Луи Пастер и Роберт Кох в XIX веке заложили основы медицинской микробиологии и доказали роль микробов в болезнях. Однако долгое время микрофлору человека изучали в основном методами посева на питательные среды, что позволяло выявить лишь малую часть видов. Перелом наступил в конце XX — начале XXI века с появлением методов секвенирования ДНК, прежде всего анализа гена 16S рРНК и метагеномики. Эти технологии показали, что значительная часть микробиоты не культивируется в лабораторных условиях, а её состав гораздо разнообразнее, чем считалось ранее. Крупные международные проекты, такие как Human Microbiome Project, систематизировали данные о микробных сообществах человека.

¶Состав и локализация

Наибольшая по численности и разнообразию микробиота у человека сосредоточена в толстом кишечнике. Основные группы бактерий там относятся к типам Bacteroidetes и Firmicutes; присутствуют также Actinobacteria, Proteobacteria и другие. Общее число микробных клеток в организме человека сопоставимо с числом собственных клеток, а по некоторым оценкам — несколько превышает его.

Основные биотопы человека:

• кишечник (главным образом толстая кишка);
• кожа;
• ротовая полость и верхние дыхательные пути;
• урогенитальный тракт;
• молочные железы.

Состав микробиоты индивидуален и зависит от генетики хозяина, возраста, питания, образа жизни, приёма антибиотиков, географического региона и других факторов. У новорождённого кишечник заселяется микробами при прохождении родовых путей и с грудным молоком; в первые годы жизни сообщество постепенно приближается к «взрослому» типу.

¶Функции

Микробиота выполняет ряд ключевых функций для организма-хозяина:

• Метаболическая. Микробы расщепляют пищевые волокна, которые не перевариваются ферментами человека, и производят короткоцепочечные жирные кислоты, витамины (например, витамин K и часть витаминов группы B), участвуют в обмене желчных кислот.
• Защитная. Нормальная микробиота препятствует закреплению и размножению патогенов, конкурируя за питательные вещества и места прикрепления, а также выделяя антимикробные вещества.
• Иммунная. Микроорганизмы участвуют в созревании и «обучении» иммунной системы, помогая отличать собственные и безвредные агенты от опасных.
• Барьерная и структурная. Микробиота поддерживает целостность слизистых оболочек и эпителия.

¶Роль в здоровье и патологии

Нарушение состава и функций микробиоты, называемое дисбактериозом (дисбиозом), связывают с широким кругом состояний: воспалительными заболеваниями кишечника, ожирением, сахарным диабетом 2-го типа, аллергиями, некоторыми аутоиммунными и неврологическими расстройствами. При этом причинно-следственные связи во многих случаях остаются предметом дискуссий: не всегда ясно, является ли изменение микробиоты причиной заболевания или его следствием. Устойчивость выводов зависит от дизайна исследований, и часть популярных утверждений о микробиоте пока не подтверждена строгими данными.

¶Методы исследования

Для изучения микробиоты применяют:

• посев на питательные среды (культуральный метод);
• секвенирование гена 16S рРНК для определения бактериального разнообразия;
• метагеномику — секвенирование всей ДНК сообщества;
• метатранскриптомику и метаболомику — анализ активности генов и продуктов обмена;
• микроскопию и методы количественного учёта.

Каждый метод имеет ограничения: культуральный выявляет лишь культивируемые виды, а молекулярные методы не всегда позволяют отличить живые микроорганизмы от погибших.

¶Практическое значение

Знания о микробиоте применяют в медицине (трансплантация фекальной микробиоты, пробиотики и пребиотики, рациональное использование антибиотиков), в сельском хозяйстве (почвенная микробиота и плодородие, микробные препараты для растений и животных), в пищевой промышленности (закваски, ферментированные продукты), в биотехнологии и экологии (биоремедиация загрязнений). Микробиота почвы и водоёмов играет центральную роль в круговороте веществ в природе.

¶Микробиота внешней среды

Помимо организма человека и животных, термин применяют к природным средам. Почвенная микробиота включает бактерии, грибы, актиномицеты и простейшие, участвующие в разложении органики и образовании гумуса. Водная микробиота формирует основу пищевых цепей и участвует в самоочищении водоёмов. Эти сообщества чувствительны к температуре, влажности, кислотности и загрязнению.