Микробиота: состав и функции¶

Микробиота (также микробиом, микрофлора) — совокупность микроорганизмов, населяющих определённую среду: организм человека, животного, растения, почву, водоём или техническую систему. В узком смысле термин чаще всего применяют к сообществу бактерий, архей, грибов, простейших и вирусов, обитающих в теле человека, прежде всего в кишечнике. Наука, изучающая состав и функции этих сообществ, называется микробиомикой.

¶Терминология

Понятия «микробиота» и «микробиом» часто используют как синонимы, хотя между ними есть различие. Микробиота — это сами микроорганизмы, а микробиом — совокупность их геномов и генетического материала. Термин «микрофлора» считается устаревшим, поскольку бактерии не относятся к растительному царству, однако в научной и популярной литературе он по-прежнему встречается.

¶История изучения

Первые представления о микроорганизмах, обитающих в теле человека, связаны с работами Луи Пастера и Ильи Мечникова во второй половине XIX века. Мечников предложил концепцию, связывающую кишечную микрофлору с долголетием и старением. В XX веке изучение ограничивалось методами посева на питательные среды, что позволяло выявлять лишь малую долю микробов. Перелом наступил с развитием секвенирования ДНК: с конца 2000-х годов проекты вроде Human Microbiome Project (США) и MetaHIT (Европа) позволили описать состав микробиоты человека методами метагеномики.

¶Состав микробиоты человека

Число микробных клеток в теле человека сопоставимо с числом собственных клеток — по современным оценкам, порядка 3,8·10¹³ бактерий. Основная масса сосредоточена в толстом кишечнике.

Доминирующие типы бактерий кишечника:

• Bacteroidetes — грамотрицательные, участвуют в расщеплении сложных полисахаридов;
• Firmicutes — грамположительные, включают роды Lactobacillus, Clostridium, Faecalibacterium;
• Actinobacteria — в том числе Bifidobacterium;
• Proteobacteria — обычно немногочисленны, их рост связывают с воспалением;
• Verrucomicrobia — например, Akkermansia muciniphila.

Кроме бактерий, в микробиоте присутствуют грибы (в основном Candida и Malassezia), археи (Methanobrevibacter smithii), простейшие и бактериофаги. Состав индивидуален: у разных людей совпадает лишь небольшая доля видов, тогда как набор функций более устойчив.

Другие локальные микробиоты человека — кожная, оральная, вагинальная, респираторная — различаются по составу и выполняемым задачам.

¶Функции

Микробиота выполняет ряд функций, значимых для организма-хозяина:

• Метаболическая — ферментация неперевариваемых пищевых волокон с образованием короткоцепочечных жирных кислот (бутират, пропионат, ацетат), синтез витаминов K и группы B, участие в метаболизме желчных кислот и лекарств.
• Защитная — конкуренция с патогенами за питательные вещества и участки прикрепления, продукция антимикробных веществ, поддержание барьера слизистой.
• Иммунная — созревание и тренировка иммунной системы, формирование толерантности к безвредным антигенам.
• Структурная — влияние на развитие кишечного эпителия и сосудов.

¶Факторы формирования

Состав микробиоты меняется в течение жизни. Первичное заселение происходит при рождении: дети, появившиеся естественным путём, получают микробы родового канала, при кесаревом сечении — преимущественно кожные и средовые. Далее на состав влияют грудное вскармливание, тип питания, приём антибиотиков, возраст, географическое положение, образ жизни и генетика хозяина. К трём годам микробиота ребёнка становится близкой к взрослой.

¶Связь с заболеваниями

Нарушение состава и функций микробиоты (дисбиоз) ассоциировано с широким кругом состояний: воспалительными заболеваниями кишечника, ожирением, сахарным диабетом 2-го типа, аллергиями, некоторыми неврологическими и психическими расстройствами. При этом причинно-следственные связи во многих случаях остаются предметом дискуссий: изменения микробиоты могут быть как причиной, так и следствием патологии.

¶Методы исследования

Основные подходы включают:

• секвенирование гена 16S рРНК для определения состава бактерий;
• метагеномное секвенирование (шотган) для анализа всех генов сообщества;
• метатранскриптомику и метаболомику для оценки активности;
• культивирование и анализ на модельных животных.

¶Практическое применение

На микробиоте основаны методы лечения и профилактики: трансплантация фекальной микробиоты при инфекции Clostridium difficile, применение пробиотиков и пребиотиков, разработка так называемых постбиотиков и живых терапевтических продуктов. В сельском хозяйстве изучают микробиом почвы и рубца жвачных, в биотехнологии — микробные сообщества для очистки среды и производства соединений.

¶Микробиота других сред

Помимо организма человека, термин применяют к почве, океанам, растениям (ризосфера, филлосфера) и техническим объектам. Микробиота почвы определяет плодородие и круговорот веществ, а океанический микробиом участвует в глобальных циклах углерода и азота.