Клетчатка, как говорят в один голос врачи и ученые, обладает почти магическим действием на организм человека. Это общее название для большой группы молекул, в основном сложных углеводов — линейных и разветвленных полимеров. Потребление в среднем 30 граммов пищевых волокон в день — а это примерно 100 граммов пшеничных отрубей — помогает предотвратить множество заболеваний: от сердечно-сосудистых до кишечных. Однако зачастую жители развитых стран отдают предпочтение пище с жирами и простыми углеводами без пищевых волокон или с очень небольшим их количеством.

Особенность клетчатки — это то, что она не переваривается ферментами желудочно-кишечного тракта, поскольку в геноме человека закодировано менее двух десятков ферментов, расщепляющих сложные углеводы. Однако с этой задачей справляются микроорганизмы, населяющие кишечник. Они синтезируют тысячи ферментов [1], способных расщеплять именно эту группу молекул, преобразуют сахара в короткоцепочечные жирные кислоты, которые обеспечивают энергией клетки кишечника, регулируют некоторые физико-химические показатели кишечной среды, иммунные процессы и содержание глюкозы и липидов в крови.

Пищеварительные органы травоядных, в отличие от всеядного человека, успешнее справляются с задачей расщепления клетчатки, ведь она составляет бόльшую часть их рациона. Желудочно-кишечные тракты таких животных гораздо длиннее, а у некоторых даже устроены и работают немного иначе: у жвачных, например, ферментация сложных углеводов происходит не в толстой кишке, а в многокамерном желудке. Пища переваривается и за счет механического воздействия, и с помощью ферментов микроорганизмов.

Яблоко от яблони недалеко падает: потребляющие мало клетчатки мыши передают потомкам менее разнообразную микробиоту

Группа американских ученых под руководством Эрики Зонненбург (Erica D. Sonnenburg) решила проверить, изменится ли микробиота кишечника при дефиците пищевых волокон. Оказалось, что это значительно уменьшает разнообразие микроорганизмов, а у потомков питавшихся «неправильно» мышей при такой же диете микрофлора становится еще менее «пёстрой» и не восстанавливается при возвращении в рацион клетчатки — бактериальный состав в череде поколений меняется необратимо [2].

Для того чтобы получить такие результаты, исследователи заселили кишечники стерильных мышей микроорганизмами человека и держали их на рационе с высоким содержанием клетчатки. Затем животных случайным образом разделили на две группы. Мышей из контроля в течение всего эксперимента кормили одинаково — пищей с высоким содержанием клетчатки. Опытной группе семь недель давали мало пищевых волокон, а затем вернули изначальный режим питания еще на шесть недель.

При анализе операционных таксономических единиц микроорганизмов (OTU) мышей выяснилось, что кишечная микробиота опытной группы стала менее разнообразной за то время, пока животные ели мало клетчатки. После перехода на режим питания с большим количеством пищевых волокон некоторые исчезнувшие таксоны бактерий так и не восстановили свою первоначальную численность. Состав кишечной микробиоты контрольной группы не изменялся.

OTU, или операционная (оперативная) таксономическая единица — абстрактное понятие, объединяющее организмы с достаточно похожими геномами (из конспектов к лекциям по «Основам биоинформатики» А.В. Тяхта). «Википедия»: «Оперативная таксономическая единица (ОТЕ, OTU) — уровень детализации, выбранный исследователем для данной работы; например, индивидуумы, популяции, виды, роды или линии бактерий». Покойный А. Гиляров писал, что с натяжкой их можно рассматривать как аналоги видов.

Далее ученые решили проверить, как будет меняться разнообразие микробиоты у потомства мышей из первого опыта в разных поколениях (рис. 1). Естественная колонизация кишечника мышат происходила посредством контакта с матерью. Четыре поколения мышей (первое — участники описанного выше опыта) питались по одинаковой схеме: контрольные получали много клетчатки, опытные — сначала мало, а потом их переводили на насыщенную пищевыми волокнами диету. Как выяснилось, ситуация усугублялась с каждым новым помётом: разнообразие кишечных микроорганизмов становилось всё меньше и всё больше отличалось от контрольной группы. Особенно страдали представители порядка Bacteroidales — известные любители клетчатки.

Неужели изменение рациона на богатый пищевыми волокнами не восстановит нормальный состав микробиоты? Оказалось, что нет. При добавлении в рацион клетчатки лишь небольшая часть бактерий «возвращалась», а 141 из 208 OTU, обнаруженных в первом поколении опытной группы, исчезла в четвертом. Репертуар ферментов, производимых бактериями для расщепления сложных углеводов, тоже сократился, однако сказать, отразилось ли это на способности разлагать клетчатку, можно будет только после дополнительных исследований.

Успешно восстановить былое многообразие кишечной микробиоты удалось лишь фекальными трансплантациями от мышей, которым давали много клетчатки. Созданная группой Эрики Зонненбург мышиная модель подтверждает, что существенное снижение разнообразия кишечной микробиоты в индустриальном мире — по сравнению с обществами собирателей-охотников и земледельцев — можно объяснить скудным потреблением пищевых волокон. И если удастся связать утрату каких-то таксонов, невосполнимую изменением диеты, с неблагоприятными физиологическими последствиями, то существует вполне реальная возможность оздоровить современную хилую «западную» микробиоту введением «традиционных» популяций.

Человек как суперорганизм

Человеческое тело не принадлежит ему одному — помимо его собственных клеток в нём живут и процветают многие триллионы микроорганизмов. Эволюция тоже не проходит в одиночестве: люди коэволюционируют вместе со своими микробами. Совокупность всех микроорганизмов (бактерий, архей, грибов), живущих в теле человека и на его поверхности, называют человеческим микробиомом.

Микробиом не только не вредит здоровью, но и помогает его поддерживать. Конкуренция с патогенами и изменение состава нормальной микрофлоры могут не только быть результатом болезни, но и сами ведут к системным изменениям в организме [4]. На «Биомолекуле» выходили подробные статьи про кишечную и кожную части микробиома: «Зоопарк в моем животе» [5], «Дом для бактерий, или что мы знаем о кожной микрофлоре» [6].

В некоторых частях кишечника — самой густонаселенной области человеческого организма — концентрация бактерий может достигать 10¹¹—10¹² клеток на грамм. Сейчас показано, что микробиом может влиять не только на иммунную, но и на эндокринную и центральную нервную системы (рис. 2), поэтому ученые рассматривают возможность лечения даже психических расстройств путем коррекции неблагоприятной микробной «сигнализации» [7].

С 2008 года развивается проект «Микробиом человека», аналогичный известному «Геному человека» [9], цели которого — охарактеризовать представителей человеческого микробиома и проанализировать их роль в поддержании здоровья и развитии патологий. Исследователи, взяв у 242 здоровых волонтеров образцы микроорганизмов из 15-18 участков тела, составили и опубликовали своеобразную «карту» человеческого микробиома (рис. 3) [10].

Не остается в стороне от микробиомного движения и Россия: совсем недавно стартовал проект OhMyGut от компании Atlas, благодаря которому можно узнать состав своей микробиоты и даже получить рекомендации по питанию [5]. А ведь это может быть очень важно — помните: беречь свой микробиом необходимо смолоду.

Литература

1. Martens E.C. (2016). Microbiome: Fibre for the future. Nature. 159, 158–159;
2. Sonnenburg E.D., Smits S.A., Tikhonov M., Higginbottom S.K., Wingreen N.S., Sonnenburg J.L. (2016). Diet-induced extinctions in the gut microbiota compound over generations. Nature. 529, 212–216;
3. «Омики» — эпоха большой биологии;
4. Wu H., Tremaroli V., Bäckhed F. (2015). Linking microbiota to human diseases: a systems biology perspective. Trends Endocrinol. Metab. 26, 758–770;
5. Зоопарк в моем животе;
6. Дом для бактерий, или Что мы знаем о кожной микрофлоре;
7. Kelly J.R., Kennedy P.J., Cryan J.F., Dinan T.G., Clarke G., Hyland N.P. (2015). Breaking down the barriers: the gut microbiome, intestinal permeability and stress-related psychiatric disorders. Front. Cell Neurosci. 9, 392;
8. Cryan J.F. and Dinan T.G. (2012). Mind-altering microorganisms: the impact of the gut microbiota on brain and behaviour. Nat. Rev. Neurosci. 13, 701–712;
9. Геном человека: как это было и как это будет;
10. Huttenhower C., Gevers D., Knight R., Abubucker S., Badger J.H., Chinwalla A.T. et al. (2012). Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature. 486, 207–214.