Обитающие здесь фаги мирно сосуществуют с бактериальным штаммом-хозяином. Они размножаются вместе с бактерией, встраиваясь в ее геном, при этом атакуют те бактерии, которые конкурируют с хозяином. Это выглядит как ингибирование бактериальной колонизации поверхности, покрытой слизью[147]. Простые эксперименты с единичным штаммом бактериофага подтверждают эту идею. Возможно, данный эффект удастся применить для изменения состава бактериальных популяций. В белках бактериофагов имеются участки, постоянно меняющиеся из-за мутаций бактериофаговых генов, и состав слизи быстро обновляется. Так конкуренция между фагами и бактериальными штаммами привела к возникновению (в ходе их совместной эволюции) ниши, помогающей усиливать способность организма-хозяина (то есть, в данном случае, человека) держать свои бактерии в узде.
Ученые получают все больше данных, свидетельствующих о том, что фаги могут вовлекаться в соперничество между бактериями. Вот один пример. Enterococcus faecalis – широко распространенная кишечная бактерия с весьма многообразными штаммами. Подобно другим бактериям, она может встраивать фаги в свой геном. Штаммы, населенные фагами, выбрасывают их наружу, чтобы сокращать численность конкурентов (при колонизации безмикробных мышей). Совместная работа с фагами дает бактериям конкурентное преимущество при монополизировании богатой питательными веществами среды, где они внезапно оказались[148].
Подобного рода взаимодействия между популяциями и субпопуляциями бактерий и бактериофагов, по-видимому, постоянно происходят в кишечнике, особенно в толстой кишке, где плотность населения особенно высока. Большинство таких взаимодействий до самого последнего времени оставалось непостижимым. Как показывает открытие одного совершенно нового для нас, но вездесущего бактериофага, мы пока не знаем всех фагов, которые могут находиться в микробиоме, не говоря уж об их функциях.
Этот свежеоткрытый бактериофаг, привлекший внимание ученых всего мира в 2014 году, удалось идентифицировать, прочесывая ДНК-последовательности в поисках вирусов при помощи новой компьютерной методики. Эта хитроумная программа отмечала ДНК-фрагменты с высокой вероятностью того, что они имеют вирусное происхождение, а затем объединяла их при помощи перекрывающихся участков последовательности. Так удалось собрать новый, неизвестный прежде бактериофаговый геном. Однако бактериофаг без бактерии – лишь бездомный кусок ДНК, прячущийся в белковой оболочке. Данный анализ показал также, с какими типами бактериальной ДНК обычно появляются эти фрагменты бактериофага.
Это позволило исследователям предположить, что их новый фаг (названный crAssphage, от cross-assembly – «перекрестная сборка»; так именуется компьютерная методика, позволившая выявить его геном) инфицирует собой какой-то из видов Bacteroides – одного из бактериальных родов, обычно в изобилии представленных среди кишечной микрофлоры и играющих немалую роль при исследовании ожирения. Таким путем можно было бы показать, что какой-то фаг, воздействующий на целый ряд Bacteroides или даже позволяющий им приобретать новые гены, непременно должен участвовать во всевозможных метаболических и иммунных процессах, имеющих стратегическое значение для человеческого организма.
Эволюция продолжается – в вашем собственном кишечнике
Четко вписать вирусы (в том числе и бактериофаги) в общую картину человеческого микробиома – задача для ученых будущего. Предварительные изыскания показывают, какая огромная работа им предстоит.
Однако если даровать вирусам статус живых существ, то можно считать, что виромные исследования уже сейчас выявили еще одну удивительную вещь: в нашем кишечнике идет эволюция и возникают новые виды. Пионерские исследования в этой области, проводимые под руководством Сэмюэла Майнора – постдока из лаборатории Фредерика Бушмана (Пенсильванский университет), включали в себя и некоторые попытки оценить, насколько стабильным может быть виром отдельного человека. Для этого в течение 2,5 лет исследовали состав кала одного добровольца.
Регулярный ДНК-анализ вирусных генов показал, что большинство типов вирусов, населявших кишечник испытуемого в начале эксперимента, пребывало там и 30 месяцев спустя. И хотя вирусы стремительно размножаются и быстро мутируют, большинство из них остались в общем-то примерно такими же. Большинство, но не все. Одно семейство вирусов, Microviridae, представители которого используют короткий однонитевой фрагмент ДНК для передачи своих генов, мутировало чаще других, и его ДНК-последовательность за эти 2,5 года изменилась на целых 4 %. Некоторые из уже известных нам видов Microviridae отличаются по своим генам на 3 %, так что можно предположить, что здесь имеет место процесс, аналогичный видообразованию. Интересующимся биологией есть над чем поразмыслить. Возникновение новых видов, великий феномен, над которым столько лет бился Дарвин, идет у нас внутри! Новые виды, пусть и мельчайшие из возможных, все время появляются в вашем кишечнике, а возможно, и на других микробиомных участках[149].
Стремительная эволюция на этом уровне идет на протяжении всего существования человечества, а началась она гораздо раньше, чем появился человек. Темпы нашей собственной эволюции куда скромнее. Порой высказывают мнение, что она и вовсе остановилась. Но человек – единственное существо, которое использует культурную эволюцию как силу, меняющую и природный, и социальный мир. Как мы уже видели, она вносит существенные (и незапланированные) изменения в наш микробиом. А если мы начнем намеренно его менять? Удастся ли нам его усовершенствовать? Пора подумать над тем, куда культурно-цивилизационная эволюция заведет наш суперорганизм в будущем.
Глава 11. Приручая микробиом
То, как складывается и поддерживается в равновесии человеческий микробиом, уже само по себе словно бы готовит его к эпохальным переменам. Он эволюционировал вместе с нами. Подобно другим организмам, дающим пристанище микробам, в ходе эволюции мы постепенно выработали способы поощрения нужных нам микробов (чтобы те становились нашими колонистами) и отторжения всех остальных. С тех пор как мы начали есть продукты брожения, на человеческий микробиом оказывает влияние культура (в обоих смыслах этого слова). За последние 100 лет с приходом бытовой гигиены, современных диет, кесаревых сечений и массового употребления антибиотиков наше культурное воздействие на наш же микробиом (зачастую непреднамеренное) резко усилилось.
Теперь мы подготовлены к тому, чтобы применять более информированный подход. Он должен прийти на смену неразборчивым атакам, которые мы предпринимали «по четким медицинским показаниям», и непредумышленным воздействиям, которые на микробиом оказывали наши пищевые пристрастия. Нам предстоит долгий путь. Мы – словно древние земледельцы, только что открывшие подсечно-огневой метод и размышляющие, как выращивать удобные и совершенные сорта. Впрочем, представляется вполне логичным, что накопление знаний о микробиоме должно в конечном счете привести к разработке способов его усовершенствования. И на сей раз решать, что считать усовершенствованием, будем мы, а не микробы.
Лучше отдавать, чем получать: фекальная трансплантация
Самый грубый (во многих смыслах) подход – предоставить человеку микробиоту, в которой он нуждается, путем ее пересадки целиком. Некоторые кишечные заболевания сегодня лечат именно таким способом. Это, по крайней мере, дает ученым некую точку отсчета: на подобную процедуру соглашаешься, когда толком не знаешь заранее, о чем речь. Метод подразумевает использование донорского микробиома в виде фекалий, поэтому вызывает смешанные чувства. Дерьмо нас и отталкивает, и чем-то завораживает[150].
Что ж, это и в самом деле отчаянная мера. Но сия грубая процедура все-таки способна принести кое-какую пользу. Иногда она может служить подходящим методом лечения, когда против микробов нашего организма ведется настоящая химическая война. Явную пользу от освежения содержимого толстой кишки при помощи чужих фекалий получают те пациенты, в кишечнике которых слишком активно плодится широко распространенная бактерия Clostridium difficile. Это может быть вызвано приемом антибиотика, направленного на борьбу с каким-то другим заболеванием: антибиотики уничтожают смешанную популяцию микробов, конкурировавшую с C. difficile и поддерживавшую количество представителей этого вида на терпимом уровне. В этом смысле мы имеем здесь дело с оппортунистической (условно-патогенной) инфекцией, как называют ее врачи.
Хроническое заражение толстой кишки бактериями C. difficile – вещь страшная. Пациент страдает от болезненных колик, тошноты, обезвоживания, зловонной диареи. Следует быстрая потеря веса, а в особо серьезных случаях (у тех, кому достались худшие штаммы бактерии) кишечное воспаление может стать фатальным.
