Полезные бактерии (пурпурный цвет) прикрепляются к определенным областям кишечника (зеленый цвет), колонизируя их.
Полезные бактерии занимают определенные области кишечника, внося вклад в наше здоровье через микробиом. Новое исследование выявило гены, которые полезные бактерии используют для колонизации этих областей, что открывает дверь для создания сконструированных пробиотиков.
Годы исследований продемонстрировали, насколько важен микробиом кишечника для многих аспектов нашего здоровья. Например, исследования показали, что микробиом влияет на все: от рака груди и рассеянного склероза до уровня сахара в крови.
Чтобы микробиом был эффективным, необходимы симбиотические отношения между полезными и не очень полезными бактериями, которые колонизируют определенные области кишечника. Новое исследование, проведенное Институтом науки Карнеги (Carnegie Science), обнаружило способ направления бактерий в область, где они принесут наибольшую пользу.
«Мы говорим о невероятно сложной системе взаимосвязанных микробных сообществ, и каждый вид должен попасть в нужное место, где он сможет процветать и способствовать здоровью хозяина», — сказал Уильям Ладингтон из отдела экологии и эволюционной биологии Carnegie Science и автор работы. «Мы пытались выяснить, как каждый вид бактерий направляется в нужное место и как минимизируется колонизация вредными или неидеальными видами».
Исследователи сравнивают этот процесс с системой обработки багажа в аэропорту, где зарегистрированный багаж — в данном случае полезные бактерии — транспортируется от стойки регистрации до грузового отсека самолета. Внешне это выглядит хаотично, но большую часть времени багаж доставляется в нужный самолет. Если это не так, то существуют корректирующие процессы.
«Точно так же и в кишечнике полезным бактериям нужно попасть в область, где они могут успешно создать колонию», — сказала Карина Гарсия, соавтор исследования. «Мы работали над тем, чтобы выявить механизмы, которые позволяют этому произойти».
Чтобы выяснить, как виды симбиотического микробиома попадают туда, куда им нужно, в свою так называемую нишу, исследователи разработали технологию, которая позволила им наблюдать за тем, как одна клетка полезного бактериального вида Lactiplantibacillus plantarum колонизирует кишечник плодовой мушки в высоком разрешении и в режиме реального времени.
Гены полезного вида бактерий Lactoplantibacillus (красные) позволяют ему прикрепляться к определенной нише в кишечнике плодовой мушки (синий/голубой). © Ren Dodge/Carnegie Science
Плодовая мушка была выбрана, потому что ее микробиом намного меньше, чем у людей, и он хорошо определен.
«Разработка этой техники визуализации была захватывающей задачей», — сказал соавтор исследования Рен Додж. «Она позволила нам увидеть взаимодействие отдельных клеток бактерий с кишечником хозяина в беспрецедентных подробностях».
Успешная колонизация зависит от белков, называемых адгезинами, которые присутствуют на поверхности бактерий. Как следует из их названия, адгезины прикрепляются к другим клеткам, тканям или структурам в организме. Однако адгезины обычно не различают, где они прикрепляются, и прикрепление является временным.
Используя технологию визуализации в реальном времени, исследователи наблюдали, что адгезины, используемые L. plantarum, выделенными из диких плодовых мушек, стабильно прикреплялись к тканям кишечника хозяина.
Напротив, L. plantarum, полученный от человека, образовывал только кратковременное прикрепление. При более внимательном рассмотрении они определили генетическую основу для улучшенной адгезии бактерий в определенной нише кишечника.
«Выявив гены, которые позволяют L. plantarum колонизировать определенные ниши, мы теперь имеем представление о том, как с большей точностью внедрять их в другие бактерии», — говорят ученые. «Это открывает дверь к созданию пробиотиков, оптимизированных для определенных ниш в кишечнике человека».
Исследование опубликовано в журнале Science.