Невидимые друзья человека

В теле человека обитает множество бактерий. Все вместе они составляют его микробиом [1]. Больше всего микроорганизмов находится в кишечнике. По отношению к человеку бактерий кишечного микробиома можно разделить на четыре группы. В норме самая многочисленная группа — это симбионты человека: они расщепляют сложные молекулы пищи так, что в нашу кровь поступают уже легко усвояемые продукты; обезвреживают некоторые ядовитые вещества, синтезируют витамины, а также подавляют опасных микробов. Микроорганизмы-симбионты прикрепляются к слизистой оболочке кишечника и образуют биопленки — колонии бактерий, объединенные слизью. В кишечнике нет кислорода, примерно постоянная температура, в разных отделах кишечника — разный уровень кислотности, и симбионтные бактерии приспособлены именно к этим условиям. Бактерии-симбионты живут в нас постоянно, поэтому эту часть микробиома также называют резидентной.

Вторая группа микробиома кишечника человека — случайные гости, не опасные, но и не нужные, попавшие в наш организм из окружающей среды.

Третья группа — вредные микроорганизмы, поселяющиеся на больных тканях или сами вызывающие болезнь. Иногда опасными для организма становятся и бактерии-симбионты, например, если окажутся в кровотоке после повреждения стенок кишечника или при ослаблении иммунной системы.

К четвертой группе микробиома кишечника относят бактерий, специально вводимых в организм человека в лечебных или профилактических целях. Медицинские препараты и пищевые продукты, содержащие полезные бактерии, называют пробиотиками. В состав пробиотиков входят выращенные в лаборатории микроорганизмы — типичные симбионты человека.

Бактерии-симбионты конкурируют с патогенными микроорганизмами и вытесняют их, так как имеют ряд преимуществ: во-первых, симбионты физиологически приспособлены для жизни в кишечнике и обычно способны размножаться быстрее патогенов, а также могут выделять вещества, угнетающие рост не симбиотических микроорганизмов. Таким образом, пробиотики увеличивают количество симбионтов и помогают восстановить нормальный баланс микробиома человека.

Бифидобактерии

Все, наверно, видели рекламу йогуртов с бифидобактериями. Действительно, эти микроорганизмы лучшие среди известных нам в борьбе против вредных микробов. Бифидобактерии были открыты в 1900 году —  их обнаружили в сточных водах. Но потом выяснилось, что самое типичное место обитания этих бактерий — толстый кишечник млекопитающих.

Клетки бифидобактерий довольно крупные по сравнению со средними размерами бактерий: 0,5–1,3 мкм (~0,001 мм) в ширину и 1,5–8 мкм (~0,004 мм) в длину, тогда как средний линейный размер бактериальной клетки оценивается в 1–3 мкм. Клетки бифидобактерий не имеют постоянной формы; обычно они выглядят как палочки или палочки с выростами, за что эта бактерия и получила свое название (от лат. bifidus — разделенный надвое).

Каждая клетка хорошо укреплена снаружи: кроме обычных для бактерий молекул клеточной стенки, у бифидобактерий есть дополнительные внешние слои из гликополимеров (множество связанных между собой сахаров), липополисахаридов (липид и цепочка сахаров) и тейхоевых кислот (цепочка из чередующихся липидов и сахаров). Благодаря толстой клеточной стенке, бифидобактерии оказываются недоступны для ферментов, переваривающих пищу в кишечнике, и нечувствительны к желчным кислотам и некоторым антибиотикам.

Оптимальная температура для роста бифидобактерий — 37–41 °C. Способны жить в средне-кислых и нормальных условиях — оптимальный рН 4,5–8,5. К тому же бифидобактерии сами выделяют уксусную и молочную кислоты, как видите, они могут сами создать для себя наилучшую кислотность, тогда как для многих патогенов эта среда оказывается крайне неприятной. Также бифидобактерии развиваются только в бескислородной среде. Таким образом, эти бактерии отлично приспособлены к жизни внутри человека.

С возрастом видовой состав бифидобактерий-симбионтов меняется. В кишечнике детей больше бактерий видов B. breve (Bifidobacterium breve, рис. 1), B. infantis. В микробиоме взрослых преобладают B. odolescentis, B. bifidum, B. longum. Микробиом человека не постоянен, более приспособленные виды вытесняют медленнорастущие. Бифидобактерии нуждаются в витаминах и бифидных факторах, поэтому при стандартном рационе взрослого человека бифидобактерии обычно почти исчезают. Если у грудных детей бифидобактерии составляют подавляющее большинство в микробиоме в целом, то у взрослого это, скорее, минорная группа.

Бифидобактерии обладают преимуществом при прикреплении к стенкам кишечника и выделяют кислоты, таким образом они могут вытеснять патогены, эффективно занимая их места на стенках кишечника. Поэтому при дисбактериозе опасно использовать антибиотики: они сократят численность всех бактерий и могут не решить проблему. А если принимать бифидобактерии в качестве пробиотиков, можно значительно сократить численность вредных микробов, поддерживая при этом перевес в количестве на стороне полезных.

Еда для бактерий

Вместе с обычной пищей мы можем съесть что-нибудь полезное именно для наших микробов. Молекулы, улучшающие рост бактерий-симбионтов и таким образом помогающие нашему здоровью, называются пребиотиками. Бифидные факторы — это специализированные пребиотики для бифидобактерий. Кстати, их довольно много в материнском молоке. Большая часть микробиома новорожденного переходит к нему с кожи матери (во время родов, кормления или просто при тесных объятиях), а бифидные факторы в молоке помогают остаться в кишечнике более полезным микробам.

А что бактерии нашли в елке?

В древесине кроме целлюлозы (полимер, состоящий только из молекул глюкозы, рис. 2) есть гемицеллюлозы (полимер, в котором кроме глюкозы есть и другие сахара). Только некоторые бактерии и грибы способны питаться этими соединениями.

В елках и соснах больше всего гемицеллюлозы одного типа, содержащей глюкозу, галактозу и маннан. Эта молекула называется галактоглюкоманнан (рис. 3). Оказалось, что бифидобактерии способны переваривать эту молекулу. Для видов Bifidobacterium animalis subsp. lactis штамм Bb12, B. longum и L. rhamnosus GG, распространенных пробиотиков, при добавлении галактоглюкоманнана было показано ускорение роста, достижение более высоких плотностей и увеличенной продолжительности жизни популяции.

Важно, что галактоглюкоманнан остается неиспользованным ресурсом после обработки древесины. Хвойные деревья содержат больше галактоглюкоманнана — это связано с их типом древесины. Традиционно, древесину ели и сосны называют мягкой, ее легче обрабатывать, и именно эти деревья используются для изготовления бумаги или фанеры. Остатки от этих процессов можно было бы отлично использовать для приготовления пребиотиков.

Введение в пищевое производство нового сырья, например, добавление переработанной елочной древесины, требует времени и клинических испытаний. В 2012 году была доказана польза от галактоглюкоманнана для бактерий, растущих в лаборатории [2]. Теперь нужно выяснить, как реагирует организм животного на это соединение и нет ли у него побочных эффектов.

Возможные пребиотики сейчас активно исследуются — многие лаборатории увлечены их поиском и выяснением их свойств. Это очень активно развивающееся направление в микробиологии. Сбор информации оказывается полезен — появляется выбор для производителей, обнаруживаются прекрасные натуральные лекарства, и мы все больше узнаем о наших ближайших соседях, а также и о себе.

Микроигра 1

Микроигра 2

Галактоглюкоманнан — полимер, состоящий, в основном, из молекул галактозы, глюкозы и маннозы. Разберитесь, где на этой картинке расположен какой сахар, если манноза с краю, а галактоза левее глюкозы и не возле маннозы.

А теперь прочитайте зашифрованное послание: выпишите по порядку все буквы под глюкозой, затем под галактозой, и в конце под маннозой. Аккуратнее, здесь есть сахара, не составляющие галактоглюкоманнан, буквы под ними только уводят от решения!

Литература

1. «Омики» — эпоха большой биологии;
2. Lauri Polari, Pauliina Ojansivu, Sari Mäkelä, Christer Eckerman, Bjarne Holmbom, Seppo Salminen. (2012). Galactoglucomannan Extracted from Spruce (Picea abies) as a Carbohydrate Source for Probiotic Bacteria. J. Agric. Food Chem.. 60, 11037-11043;
3. Нетрусов А.И. и Котова И.Б. Микробиология: учебник для студ. высш. учеб. заведений (3 изд.). М.: Издательский центр «Академия», 2009;
4. Пиневич А.В. Микробиология. Биология прокариотов: учебник. В 3 т. Том 1. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2007 — С. 150, 276-279;
5. Пиневич А.В. Микробиология. Биология прокариотов: учебник. В 3 т. Том 3. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2007 — С. 423.