В результате был запущен проект «Микробиом человека»; одна из главных его целей – установить состав и секвенцию человеческого микробиома по тому же успешному образцу, что с человеческим геномом. У более чем ста «нормальных» людей собрали образцы с пяти областей тела (дыхательные пути, кишечник, рот, кожа, у женщин – влагалище). Что значит в данном случае «нормальных»? Молодых, здоровых, не принимавших антибиотики – хотя, конечно, по поводу того, что такое «нормальный человек», споры идут до сих пор. Из этого большого амбициозного проекта мы получили практически все современные данные о человеческой микрофлоре и секвенировали сотни новых бактериальных геномов. Результаты этого проекта опубликованы в 2012 году; в нашей быстро меняющейся отрасли это уже прошлый век.
Ко времени начала проекта ученые уже понимали, что микрофлора играет важную роль, и считали, что смогут найти некий «сердцевинный» человеческий микробиом, который есть у каждого из нас. А вот и нет! Мы узнали, что у каждого человека свой уникальный набор микробов. Это невероятно запутало (и разочаровало) ученых, но зато секвенсоры, наверное, обрадовалось – им пришлось секвенировать намного больше, чем ожидалось. Информация, что у каждого человека своя микрофлора, подтвердилась, и в течение почти всей жизни она практически не меняется. Так как же нам справиться с такой невероятной сложностью – собственной уникальной микрофлорой у каждого человека? Как можно разработать какую-либо общую микробиомную терапию, работающую для большинства людей, если все настолько отличаются друг от друга? Как ни удивительно, это не так сложно, как кажется.
Золотое правило биологии звучит так: если какая-либо функция важна, она используется снова и снова (т. е. сохраняется). Если следовать этой концепции, то получается, что раз микрофлора выполняет некую важную функцию, то должно быть что-то общее и в том, что делают разные микробы. Когда ученые проанализировали микрофлору не с точки зрения идентификации отдельных организмов, а с точки зрения того, чем они занимаются, картина стала намного более ясной. Учитывая, что, скорее всего, существует некое «общее ядро» микробных генов, которые должны быть включены при жизни в организме человека, у разных микробов должны быть похожие гены, выполняющие одну и ту же работу. Иными словами, неважно, в каком микробе находится этот ген, если он присутствует и вырабатывает необходимый продукт. Если смотреть на микробиом с такой функциональной точки зрения, то действительно выделяется набор «сердцевинных» генов, необходимых для нормального функционирования людей.
Существует два основных метода определения состава микробиома у человека. Первый – взять образец (например, кала), секвенировать всю найденную в нем ДНК, после чего убрать все человеческие секвенции – то, что останется, и будет микробными секвенциями. Это очень трудоемкий (и дорогой) способ, доступный лишь горстке людей.
Намного более распространенная альтернатива – секвенировать только ген, который присутствует у всех бактерий (16S рРНК). Некоторые части этого гена одинаковы у всех бактерий (благодаря этому мы знаем, за что «хвататься»), а вот другие у разных микробов отличаются, так что у каждой бактерии свой уникальный «отпечаток». Главное преимущество этого способа – нам не нужно выращивать микробов в лаборатории (мы все еще не можем выращивать многих микробов, живущих в человеческом теле), а с данными, полученными при секвенировании, можно более-менее справиться (всего-то полмиллиона секвенций на один образец!). Компании, предлагающие секвенировать вашу микрофлору за небольшую плату, занимаются именно секвенированием этого гена. Вам нужно всего лишь отправить им по почте небольшой образец вашего кала (вот повезет какому-нибудь почтальону!)
Проблема с обоими методами одинакова: нужно разобраться, что на самом деле означает этот массивный объем данных. Вот такое сейчас состояние науки: многие микробиологи выращивают куда меньше бактерий, чем раньше, и практически превратились в компьютерщиков и почти весь день проводят за экраном. Биоинформатика, отрасль науки, в которой компьютеры используются для обработки больших биологических данных, играет в этом огромную роль, потому что данные невероятно сложны. Нужно создавать биоинформатические платформы, состоящие из многих программ; в идеале выходные данные должны говорить нам: а) состав микрофлоры в данном образце и, что намного важнее, б) что это значит – это хорошо, плохо, или мы пока не знаем (главное слово здесь – «пока»). Как уже говорилось выше, из-за того, что микрофлоры разных людей сильно отличаются друг от друга, это сделать довольно сложно.
Существует еще и третий метод анализа; он сейчас быстро развивается и дополнит, а может быть, и заменит два анализа ДНК, упомянутых ранее. Каждый микроб занимается своими делами и вырабатывает небольшие молекулы (метаболиты), когда раскладывает на составные части еду, вырабатывает энергию или просто живет. В последнее десятилетие наука совершила огромный рывок в анализе небольших молекул с помощью сложных машин – масс-спектрометров. Эти мощные машины могут взять смесь молекул и измерить вес каждой молекулы в этой смеси. Почти у каждой молекулы свой уникальный вес, так что это дает нам возможность понять, что именно входит в смесь. Проблема заключается в том, что нам нужно знать, какой именно молекуле отвечает какая масса. А что делать, если в смеси оказалась молекула, которую еще никто никогда не видел? На данный момент мы с уверенностью умеем определять около 20 процентов человеческих метаболитов и менее 1 процента микробных метаболитов. Однако здесь-то и начинается основное веселье: эти маленькие молекулы, вырабатываемые людьми и микробами, говорят нам о том, как именно мы взаимодействуем с микробами. Зная имена микробов или даже их генов, мы можем только предполагать, что они, возможно, делают. Напротив, информация о метаболитах («метаболомика») говорит нам, что микробы действительно делают. Именно в этом, как нам кажется, лежит будущее отрасли.
В одном из футуристических примеров, приведенных в начале главы, врач упомянул анализ мочи на метаболиты, с помощью которого удалось выяснить, что микробы делают в кишечнике, – мы называем это биомаркерами болезни. В нашей работе мы обнаружили, что можем идентифицировать в моче трехмесячных детей метаболиты, которые указывают на повышенный риск астмы, задолго до того, как ребенок на самом деле заболеет. Удивительно, но некоторые метаболиты, найденные в моче, производятся кишечными микробами. Как они туда попадают? Они перемещаются по организму. Кишечные бактерии, конечно, живут в кишечнике, но вот молекулы, производимые или модифицируемые этими бактериями, могут выйти за пределы кишечника и попасть в мочу (или в мозг, плаценту или куда угодно еще). Именно так микробы «говорят» с нами, а мы – «слушаем», что они говорят. К счастью, ученые постепенно учатся прислушиваться к их сигналам – и это, возможно, поможет нам гораздо лучше диагностировать заболевания.
Метаболомика пока что находится на ранней стадии развития, но, когда мы разберемся, какие метаболиты важны и какие микробы их производят, она станет очень мощной техникой анализа микрофлоры и ее связи со здоровьем и болезнями. В не таком уж и отдаленном будущем мы сможем предсказать риск развития болезни у ребенка еще до того, как он заболеет, – основываясь на «разговорах» его микрофлоры.
Итак, мы прочитали микрофлору вашего ребенка и, может быть, решили, что ее нужно немного подправить. И как же это сделать? Как мы уже говорили, микрофлору, к счастью, намного легче изменить, чем человеческие гены. Сейчас уже существует несколько работающих методов, а в разработке находятся более сложные.
Самый старый из существующих методов – это, конечно, прием пробиотиков. Это живые штаммы бактерий, которые вы получаете с едой или питьем; они безвредны для вас и даже могут приносить (а могут и не приносить) пользу. Мы принимаем пробиотики с тех самых пор, как человечество освоило ферментированную пищу, например, квашеную капусту («сквашивают» ее именно микробы). Но бактерии-пробиотики не задержатся в кишечнике, если там и так полон дом; им непросто стать частью вашей микрофлоры. Как им помочь? Принимать их ежедневно и в огромных количествах (миллиардами). Это, конечно, приносит немалую прибыль компаниям-производителям, но, к сожалению, не так эффективно, как хотелось бы.
Пробиотики не являются лекарством и поэтому не проходят жесткий контроль или тщательные клинические испытания перед широким их применением.
Пробиотикам сейчас посвящена целая отрасль; нам рассказывают, что они помогают буквально от всего. Впрочем, у отрасли в нынешнем виде есть две проблемы. Во-первых, компании-производители рекламируют только один штамм (например, Lactobacillus или E. coli), и довольно сложно поверить, что единственный микроб, который даже не участвует в конкурентной борьбе с другими видами, может приносить столько разнообразной пользы для здоровья: мы-то знаем, что микрофлора – очень сложное экологическое сообщество. Во-вторых, пробиотики сейчас никак не регулируются FDA, и им не приходится проходить тщательнейшие клинические испытания, как лекарствам. Это в том числе означает, что заявления о пользе какого-либо пробиотика не обязательно подкреплены какими-либо клиническими испытаниями. Кроме того, зачастую главными параметрами для пробиотика с точки зрения изготовителя являются долгий срок хранения и легкость в производстве, а не собственно медицинские свойства (потому что они не регулируются). Из десятков пробиотических средств, предлагающихся в магазинах, лишь очень немногие производятся с соблюдением всех необходимых микробиологических методов, гарантирующих, что микробы будут еще живы и активны, когда вы примете их. Впрочем, как вы уже видели в книге, есть немало намеков и небольших исследований, подтверждающих пользу пробиотиков. Попросите своего врача порекомендовать вам пробиотики, прошедшие клинические испытания.