Микробиом — сообщество микроорганизмов¶
Микробиом — совокупность геномов микроорганизмов (бактерий, архей, вирусов, грибов и простейших), населяющих определённую среду обитания — организм человека, животного или экосистему, а также их совместное функционирование и обмен веществом с хозяином. Термин закрепился в научной литературе в 2000-х годах и стал центральным понятием современной микробиологии, медицины и биотехнологии.
¶Происхождение термина
Слово «микробиом» происходит от греч. mikros — «маленький» и bios — «жизнь». Впервые термин предложил в 2001 году нидерландский микробиолог Йоост Девос и коллеги, предложив рассматривать микробиом как «совокупность микроорганизмов в конкретной среде». Позднее понятие было расширено: под микробиомом стали понимать не только сообщество микроорганизмов, но и их генетический материал и продукты метаболизма. Ключевой вклад в популяризацию термина внёс проект «Микробиом человека» (Human Microbiome Project, HMP), запущенный в 2007 году Национальными институтами здоровья США, а также европейский проект MetaHIT.
¶Микробиом человека
Человек сопровождается триллионами микроорганизмов: их суммарная численность сопоставима с числом собственных клеток организма, а совокупный геном микробов (микробиом) примерно в 100 раз превышает по объёму геном человека. Основные локализации:
- Желудочно-кишечный тракт — наиболее изученная и плотно населённая среда, до 10^11–10^12 бактерий на грамм содержимого толстой кишки. Доминируют филотипы Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria и Verrucomicrobia.
- Кожа — до 10^10 бактерий на квадратный сантиметр, состав зависит от влажности, солёности и pH участка.
- Ротовая полость — свыше 700 видов бактерий, формирующих биоплёнки на зубах и слизистых.
- Дыхательные пути, мочеполовая система, молочные железы — менее населённые, но функционально значимые зоны.
Микробиом формируется при рождении (вагинальные роды или кесарево сечение), зависит от способа вскармливания, питания, приёма антибиотиков, географии и образа жизни. К трём годам он приобретает относительную стабильность, сопоставимую со взрослым составом.
¶Функции
Микробиом выполняет у хозяина ряд физиологических ролей:
- Метаболическая — синтез витаминов (K, группы B), короткоцепочечных жирных кислот (бутирата, пропионата, ацетата), вторичных желчных кислот, аминокислот; расщепление неперевариваемых полисахаридов.
- Защитная — колонизационная резистентность: занятие экологических ниш и подавление патогенов, стимуляция иммунной системы, развитие толерантности к пищевым антигенам.
- Барьерная — участие в формировании слизистого слоя эпителия кишечника, поддержании целостности эпителиального барьера.
- Нейроэндокринная — метаболиты микробов влияют на центральную нервную систему через вагусный нерв и циркулирующие метаболиты (ось «кишечник — мозг»).
¶Методы изучения
До 2000-х годов изучение микробиома ограничивалось культивированием микроорганизмов, что позволяло описать лишь 1–10 % видового разнообразия. Перелом наступило с развитием высокопроизводительного секвенирования:
- 16S рРНК-метагеномика — секвенирование гена 16S рРНК бактерий, определение таксономического состава.
- Метагеномика — полногеномное секвенирование всех ДНК сообщества, оценка функционального потенциала.
- Метатранскриптомика, метапротеомика, метаболомика — изучение активных генов, белков и метаболитов.
Ключевые международные проекты — Human Microbiome Project (США, 2007–2016) и MetaHIT (ЕС, 2008–2012) — создали каталоги микробных геномов и показали индивидуальность микробиома каждого человека.
¶Микробиом и здоровье
Исследования связывают дисбиоз — нарушение состава и функций микробиома — с рядом заболеваний: воспалительными болезнями кишечника, ожирением, сахарным диабетом 2 типа, аллергиями, аутоиммунными и нейродегенеративными расстройствами, онкологическими процессами. При этом причинно-следственные связи во многих случаях остаются предметом дискуссий.
На основе микробиома разрабатываются терапевтические подходы: пробиотики, пребиотики, синбиотики, фаготерапия, а также трансплантация фекального микробиоты (ФМТ), применяемая прежде всего при рецидивирующей Clostridioides difficile-инфекции.
¶Микробиомы вне организма
Понятие распространяется и на неживые среды: микробиом почвы, водоёмов, пищевых продуктов. Почвенный микробиом — один из самых разнообразных на Земле, в одном грамме почвы обитает до 10^9 бактерий и тысячи видов. В России изучением почвенных и промышленных микробиомов занимаются институты РАН, в частности Институт микробиологии имени С. Н. Виноградского.
¶Перспективы
Персонализация питания и терапии на основе индивидуального микробиома, создание «синтетических микробиомов», редактирование микробных сообществ с помощью бактериофагов и CRISPR-систем — направления, находящиеся в стадии активных исследований.
¶Источники
- Devos D. P., Gonzalez-Perez M., Bork P., et al. «Human microbiome: the metagenome of the human microbiome» (2001)
- Human Microbiome Project Consortium. «Structure, function and diversity of the healthy human microbiome» // Nature (2012)
- Qin J. et al. «A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing» // Nature (2010)
- Сонин М. Д., Григорьев С. В. «Микробиом человека» // Вопросы современной педиатрии (2016)
- Литвинов С. В. «Микробиом: современные представления и методы изучения» // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии