Бактерії кишківника змінюються разом із сучасним способом життя: вчені виявили масштабний обмін генами

Харчування, антибіотики, санітарні умови та контакт із довкіллям впливають на те, які мікроорганізми заселяють кишківник людини. Однак нове дослідження показує, що зміни відбуваються не лише у складі кишкової мікробіоти. Самі бактерії також еволюціонують, набуваючи нових генів залежно від умов життя своїх носіїв.

Міжнародна команда науковців проаналізувала майже 6000 геномів кишкових бактерій і виявила закономірність: штами з організмів людей, які живуть в індустріалізованих спільнотах, зазвичай мають більше генів, ніж споріднені бактерії з неіндустріалізованих середовищ. Значна частина цієї додаткової генетичної інформації з’явилася відносно недавно. Причому бактерії отримували її переважно не від батьківських клітин, а від інших мікроорганізмів.

Колекція бактерій із дев’яти країн

Роботу виконали дослідники Інституту клінічної молекулярної біології Кільського університету та Департаменту біологічної інженерії Массачусетського технологічного інституту. Еволюційний аналіз проводила група з Японії.

Основою дослідження стала колекція Global Microbiome Conservancy — міжнародна ініціатива зі збереження живих штамів бактерій від спільнот, які недостатньо представлені в дослідженнях мікробіому.

Для нової роботи 20 добровольців із Камеруну, Гани, Малайзії, Нігерії та Руанди надали зразки калу. Усі вони нещодавно не приймали антибіотиків. Зразки обробляли безпосередньо на місці протягом трьох годин, після чого заморожували в рідкому азоті за температури мінус 196 °C.

У лабораторії бактерії вирощували в середовищі без кисню, а потім виділяли окремі колонії для секвенування. Так вдалося отримати 1841 новий бактеріальний геном. Разом із раніше збереженими 4140 штамами колекція налічувала 5981 геном від 56 донорів із дев’яти країн.

Більше генів — завдяки обміну між мікроорганізмами

Для детального порівняння науковці відібрали десять видів бактерій, представлених достатньою кількістю зразків з обох груп населення. Більшість із них належали до роду Bacteroides та близьких груп — поширених мешканців нижніх відділів кишківника. Escherichia coli свідомо не включили, оскільки її генетичну різноманітність уже детально вивчали.

У всіх десяти видів бактерії з індустріалізованих спільнот мали більше генів, що кодують білки. Для восьми видів різниця була статистично значущою. Водночас кількість основних генів, спільних для всіх штамів одного виду, практично не відрізнялася. Відмінності припадали на додаткові гени, які можуть бути в одних штамів і бути відсутніми в інших.

Подальший аналіз 34 видів підтвердив загальну тенденцію. Щоб з’ясувати походження нових генів, дослідники зіставили еволюційні дерева окремих генів із родоводами бактерій. Такий підхід допоміг визначити, коли ген міг з’явитися в певній лінії та чи був він переданий від іншого мікроорганізму.

Виявилося, що більшість генетичних надбань припадає на відносно недавні етапи еволюції. Приблизно 80–90% нових генів бактерії отримали шляхом горизонтального перенесення — тобто від інших мікробів, а не через звичайне успадкування під час поділу клітин. Частина генів переміщувалася за допомогою плазмід і бактеріальних вірусів.

Антибіотики, вітамін B12 та імунна система

Деякі генетичні зміни повторювалися в різних видів бактерій. Зокрема, дослідники виявили гени, пов’язані з формуванням зовнішньої оболонки клітини, а також фермент, здатний розщеплювати препарати пеніцилінового ряду. Подібні гени можуть переноситися між мікроорганізмами разом з іншими мобільними елементами ДНК.

Окремо науковці простежили зміни в генах, пов’язаних із виробництвом вітаміну B12, побудовою клітинної стінки та реакцією на стрес. У деяких випадках виявили ознаки природного добору — ситуації, коли певні генетичні варіанти поширюються швидше, ніж можна було б очікувати випадково.

Інше дослідження тієї самої наукової групи раніше виявило вищий рівень виробництва вітаміну B12 у кишкових мікробних спільнотах людей, які більше контактують з індустріалізованим середовищем. Також виявлено зміни в генах, що формують молекули на поверхні бактерій, які розпізнає імунна система людини. Проте вплив цих змін на роботу імунітету поки не перевіряли.

Що саме змушує бактерії змінюватися

Дослідження не дає змоги визначити, який саме компонент сучасного способу життя спричиняє виявлені відмінності. Харчування, використання ліків, санітарія та контакти з мікроорганізмами довкілля часто змінюються одночасно, тому відокремити їхній вплив складно.

Крім того, більший геном не обов’язково означає, що бактерія стала кориснішою чи небезпечнішою для людини. Дослідники не перевіряли безпосередньо, як додаткові гени впливають на здоров’я носіїв. Не виключено також, що частина генетичного матеріалу накопичується через послаблення механізмів, які за інших умов сприяли б його втраті.

Є й обмеження вибірки: десять детально досліджених видів становлять лише невелику частину мікробного різноманіття кишківника, а бактерії, які не вдалося виростити в лабораторії, залишилися поза аналізом.

Тож поки науковці встановили передусім еволюційну закономірність: у різних умовах життя кишкові бактерії не просто змінюють чисельність і склад спільнот, а й активно обмінюються генами. Щоб зрозуміти наслідки цього процесу для здоров’я, знадобляться контрольовані експерименти та докладніші дослідження способу життя людей. Результати опубліковані в журналі Cell.