Важная для здоровья кишечная микрофлора могла зародиться в океане

Фото из открытых источников

Ученые годами изучали одну из самых полезных бактерий кишечника, связывая ее с более здоровым уровнем сахара в крови и улучшением метаболизма. Исследователи долгое время предполагали, что микроб развил эти способности в кишечнике животных.

Однако новое исследование из Германии предполагает, что история нашей кишечной микрофлоры могла начаться где-то гораздо раньше – в океане. Ученые обнаружили, что морские родственники тех же бактерий используют практически идентичные молекулярные инструменты для расщепления сложных сахаров в морской воде. Результаты исследования опубликованы в журнале The ISME Journal.

Исследование предполагает, что кишечные микробы, возможно, унаследовали свои отличительные способности от древних водных предков. Речь идёт о микроорганизме рода Akkermansia, который заслужил прочную репутацию в исследованиях метаболического здоровья.

Главный вид этого микроорганизма, Akkermansia muciniphila, обитает в кишечнике человека, питаясь муцином — скользким, богатым сахаром гелем, выстилающим стенку кишечника. Похоже, эта диета приносит пользу. В ходе исследования 2019 года с участием добровольцев с избыточным весом и нарушением контроля уровня сахара в крови было обнаружено реальное улучшение контроля уровня сахара в крови через три месяца. Однако исследователи до сих пор изучают, как именно этот микроб вызывает такие эффекты.

Луис Умберто Орельяна Ретамаль — микробиолог-эколог, возглавляющий группу экологической геномики в Институте морской микробиологии им. Макса Планка (MPIMM) в Бремене, Германия. Он предположил, что свойства, обеспечивающие этому микробу такую успешность в нашем кишечнике, могут быть полезны и в совершенно других местах. Его команда приступила к исследованию. Они проанализировали примерно 250 000 наборов данных ДНК, полученных из кишечника животных, океанов, озер и рек, в поисках родственников Akkermansia.

Бактерии обнаружили практически повсюду. Самое удивительное, что они процветали в морской воде. В кишечнике Akkermansia питается муцином. В открытом океане её морские сородичи поедают фукоидан — сложный сахар, выделяемый бурыми водорослями и морскими растениями.

Вот что странно: муцин и фукоидан химически связаны — оба представляют собой сложные, трудноперевариваемые цепочки сахаров, построенные на основе схожей молекулярной структуры.

Бактерии, расщепляющие пищу, не просто похожи друг на друга. Одна и та же задача, один и тот же механизм. По всей видимости, они используют одну и ту же основную систему для усвоения и расщепления пищи.

«Мы обнаружили поразительное сходство между бактериями Akkermansia в нашем кишечнике и в океане», — говорит Ретамаль. Обе группы проводили одни и те же биохимические исследования.

Ключевым элементом является крошечный волосоподобный отросток на поверхности клетки, который прикрепляется к этим сложным сахарам. И морские виды, и виды с кишечной микрофлорой синтезируют его. Гены, кодирующие его, расположены в одном и том же порядке на геноме в обеих линиях.

Последняя часть — это и есть новое открытие. Кластер генов, отвечающих за поглощение муцина, был описан у A. muciniphila совсем недавно.

До сих пор никто не замечал, что морские родственники имеют одинаковую структуру – одинаковую архитектуру, но с разными ферментами, тонко настраивающими ее для разных источников пищи. Из этого следует, что Akkermansia muciniphila не изобрела свой кишечный образ жизни с нуля. Большую часть его она унаследовала из более древних и влажных мест.

«Это сходство позволяет предположить, что эти бактерии не переосмыслили себя при первой колонизации кишечника, а, скорее всего, адаптировали уже существующий набор инструментов», — говорит Ретамаль.

Иными словами, водный предок, уже умевший расщеплять твердые сахара из водорослей, в конечном итоге перешел к животным. Химический состав слизистой оболочки кишечника был достаточно знаком. У него были необходимые инструменты.

Затем есть еще и морская сторона вопроса. Фукоидан, как известно, очень трудно расщепляется бактериями. Большинство морских микробов не могут до него добраться. Поэтому фукоидан, выделяемый водорослями, может попадать в глубокие воды и оставаться там столетиями, удерживая углерод от атмосферы.

Новые результаты добавляют бактерии рода Akkermansia и их родственников в короткий список бактерий, способных расщеплять фукоидан. Этот список неслучайно так короткий.

Чтобы подтвердить, что бактерии действительно потребляют фукоидан в природе, команда сделала простую вещь. Они добавили флуоресцентно меченый фукоидан в образцы морской воды и наблюдали. Морские клетки его поглотили.

Впервые удалось обнаружить ту же самую молекулярную систему, которая позволяет кишечной микробиоте улучшать метаболическое здоровье человека, у морских организмов, выполняющих по сути ту же функцию в совершенно других водах.

Для исследований пробиотиков это открывает новые перспективы. Морские родственники могут содержать варианты ферментов, полезные для разработки методов лечения нового поколения, направленных на борьбу с воспалением кишечника, ожирением или диабетом.

С точки зрения океанологии, это позволяет добавить ранее упущенную из виду группу бактерий к изучению того, как углерод перемещается по морским экосистемам и какая его часть остается погребенной.

Два совершенно разных мира используют один и тот же древний набор инструментов. Он возник задолго до того, как океаны и кишечник животных приобрели свою современную форму, и он до сих пор помогает этим бактериям процветать.