Общественная жизнь микробов

Поведение микробов мы можем использовать для собственной пользы. Микробы, подобно людям, коровам, рыбам и насекомым, общаются между собой и могут действовать как поодиночке, так и группами. Микробы общаются друг с другом и внутри и снаружи нашего тела. А мы хотим, чтобы при этом они вели себя как добропорядочные существа, а не как бандитская шайка, способная своим поведением причинить нам вред.

Способность микробов общаться друг с другом и координировать свое поведение, то есть действовать сообща, получило название «чувство кворума». В буквальном смысле оно означает, что микробы способны обнаруживать, когда поблизости присутствуют другие микроорганизмы, и даже определять разновидности и количество этих других микробов. Затем они решают, стоит ли принимать участие в групповых микробных проектах. Некоторые из этих проектов могут отвечать нашим собственным интересам, другие – идти вразрез с ними. Тут-то самое время вмешаться хорошо подготовленному «воспитателю» микробиома.

Чувство кворума – способ общения бактерий и архей, координирующий их групповое поведение. Оно позволяет микробам определять плотность популяций микроорганизмов в данной среде (например, в нашем теле), выявлять ее изменения и сигнализировать о них другим микробам. Поскольку микробы постоянно взаимодействуют с окружающей средой, они способны координировать свои реакции, действуя как единый целостный организм.

Среди изменений, которые могут совершать бактерии, – модификация метаболизма в соответствии с доступностью питательных веществ, предотвращение накопления токсичных химических веществ и защита от других микробов. Патогенным микроорганизмам чувство кворума дает возможность защищаться от иммунных атак человеческого тела и повышать свою вирулентность (способность заражать другие организмы). Высвобождая особые сигнальные вещества, одновременно активизирующие тысячи сородичей, микробы дружно изменяют свое поведение и превращаются в организованный, слаженный коллектив. У разных типов бактерий (например, грамположительных и грамотрицательных) чувство кворума опосредовано различными сигнальными системами.

Одна из таких систем включает высвобождение бактериями особых белков-автоиндукторов, помогающих этим бактериями наладить общение с другими микробами. Этот процесс чреват изменениями, одни из которых могут пойти здоровью человека на пользу, а другие – повысить его уязвимость к болезням. Понимание механизмов чувства кворума дает нам возможность манипулировать сигналами, опосредующими общение микробов, и благодаря этому поддержать здоровый микробиом или снизить риск заболеваний, вызываемых дисбиозом.

Примером того, как патогенный микроб способен повысить вирулентность, используя чувство кворума, может служить поведение живущего на нашей коже золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Обычно эта бактерия, проникая в толщу кожи или под кожу, вызывает лишь легкие инфекции. Но при определенных обстоятельствах она может стать причиной серьезных, опасных для жизни болезней. Золотистый стафилококк – главный виновник внутрибольничных инфекций. Бактерия становится патогенной в результате активации определенных комбинаций генов, приводящей к значительному повышению ее вирулентности.

Голландские ученые провели сравнение чувства кворума у различных видов лактобацилл, одни из которых отличаются жесткостью физиологических реакций, а другие, напротив, сравнительно легко приспосабливаются к различным средам. Исследователи обнаружили, что Lactobacillus plantarum, живущая не только в человеческом кишечнике, но и в растениях и ферментированных продуктах, содержит большее количество генов, обеспечивающих чувство кворума, чем виды лактобацилл (например, L. johnsonii), встречающиеся лишь в средах с узким диапазонам условий.

Если чувство кворума у микробов – естественная стратегия сотрудничества, то знание конкретных путей и механизмов, обеспечивающих этот процесс, открывает для нас новые возможности в управлении микробиомом. Существует три основных способа, с помощью которых можно использовать чувства кворума для улучшения нашего здоровья и снижения риска заболеваний: (1) получить индикаторы грядущих изменений микробиома; (2) получить потенциальные мишени, способные взаимодействовать с молекулами лекарств и блокировать тем самым распространение инфекций; (3) получить новые возможности для корректировки состава и статуса микробиома в различных тканях.

В первом случае молекулярные сигналы чувства кворума можно было бы использовать в качестве указаний на то, что в нашем микробиоме развиваются некие потенциально опасные изменения. Такие сигналы-биомаркеры позволили бы нам распознавать вредные и полезные средовые воздействия (например, пагубные воздействия токсинов окружающей среды или благотворные эффекты, возникающие в результате приема тех или иных пробиотиков), а также определять эффективность лекарственной терапии. Некоторые средовые воздействия способны определенным образом изменять чувство кворума различных микробов, что помогло бы выявлять надвигающиеся угрозы здоровью.

Чувство кворума определяет способность многих патогенных микробов образовывать плотные скопления, изменять свою физиологию и формировать так называемые биопленки. Бороться с биопленками иммунологическими методами или с помощью антибиотиков чрезвычайно трудно. Не исключено, что решить эту проблему нам поможет знание механизмов чувства кворума. Так, например, некоторые бактерии нашего кишечника способны блокировать образование биопленок кишечными патогенными микробами. Помимо прочих продуктов они вырабатывают фермент ацилазу, препятствующий образованию биопленок и повышающий их уязвимость к противомикробным агентам. Таким образом, для борьбы с деструктивными группировками патогенов мы можем использовать наступательные стратегии живущих в нашем теле микроорганизмов.

Измерение сигналов систем чувства кворума дает в руки медиков мощный инструмент. Оно может служить ранним предостерегающим признаком, который позволит им предотвратить болезнь. Другие сигналы системы чувства кворума, возможно, помогут определить, вызывает ли принимаемый пробиотик нужные эффекты в кишечнике, дыхательных путях, мочеполовой системе или на коже.

Иллюстрируем сказанное примером из реальной жизни. Отслеживая изменения сигналов системы чувства кворума, медики смогут своевременно вмешиваться в процесс превращения патогенных бактерий в опасных инфекционных агентов. А потеряв способность действовать единой группой и прочно прикрепляться к эпителиальной выстилке наших органов, эти бактерии не могут образовывать и биопленки, отражающие иммунные атаки нашего организма. Иными словами, благодаря такому вмешательству патогенные бактерии лишаются способности вызывать болезни.

Вот пример того, как кишечные бактерии могут использовать чувство кворума для блокировки патогена. В ходе любопытного исследования, проведенного международной группой ученых, было обнаружено, что особый вид комменсальных бактерий (Ruminococcus obeum), присутствующий в кишечнике здоровых бангладешских детей, может использовать межмикробную коммуникацию для ухудшения способности холерных вибрионов (Vibrio cholerae) колонизировать человеческий кишечник и вызывать холеру. Благодаря эффектам чувства кворума комменсальные руминококки изменяли экспрессию генов холерных вибрионов и ограничивали их способность надолго задерживаться в кишечнике и вызывать болезнь.

Не исключено, что все описанные ваше стратегии манипуляции с микробиомом – как естественные, так и целенаправленно разработанные учеными – в недалеком будущем начнут использоваться для снижения риска некоторых инфекционных заболеваний.