Животные избирательно приобретают из окружающей среды специфические симбиотические кишечные бактерии, которые способствуют их приспособленности, но для колонизации симбионт должен найти свою нишу и поддерживать рост в кишечнике.
Группа исследователей из Университета Карнеги выявила гены, которые позволяют полезным бактериям колонизировать определенные области желудочно-кишечного тракта. Их работа, опубликованная в журнале Science, может перевернуть наше представление о том, как формируется состав микробиома кишечника и открыть путь к микробиомной инженерии.
Микробиом не является однородным по всему кишечнику. Подобно тому, как различные органы желудочно-кишечного тракта имеют разную специализацию при переваривании пищи и всасывании питательных веществ, различные микробные сообщества локализованы в каждой зоне и играют там уникальную роль. Успешная колонизация каждого участка ЖКТ различными микробными популяциями зависит от множества факторов, таких как потребность бактерий в питательных веществах, местный уровень pH, содержание растворенного кислорода, конкуренция с другими штаммами бактерий и выживаемость в суровых условиях, включая кислотную среду желудка, желчные соли и иммунные клетки.
«Мы говорим о невероятно сложной системе взаимосвязанных микробных сообществ когда каждому виду необходимо попасть в нужное место где он сможет процветать и способствовать здоровью хозяина», - объясняет соавтор исследования Уилл Людингтон. «Мы пытаемся выяснить как именно каждый вид бактерий попадает в нужное место и как минимизировать колонизацию патогенными или не самыми лучшими видами».
Представьте себе зарегистрированный багаж, проходящий через систему конвейерных лент в оживленном аэропорту. Система обработки багажа может выглядеть неорганизованной и хаотичной, но большинство чемоданов попадают в правильный самолет. И существуют процессы, позволяющие исправить все ошибки сортировки, которые возникают со временем. «Точно так же и в кишечнике полезные бактерии должны попасть в ту область, где они смогут успешно колонизироваться. Мы работали над выявлением механизмов, которые позволяют это сделать», - отметил Людингтон.
Успешная колонизация зависит от белков в клеточных стенках бактерий, называемых адгезинами, которые могут прилипать к самым разным поверхностям, но обычно связываются не специфически, то есть могут прикрепляться как к одной ткани, так и к другой. Адгезины часто являются факторами вирулентности для условно-патогенных микроорганизмов. Однако такое прикрепление часто бывает преходящим и для поддержания инфекции требуются дополнительные механизмы.
Лактобациллы (пурпурные), прикрепляются к определенным участкам (зеленые) желудочно-кишечного тракта плодовой мушки (белый). Фото: Ren Dodge/Carnegie Science.
Как же симбиотические виды микробиома попадают туда, куда им нужно? Чтобы ответить на этот вопрос Людингтон и коллеги разработали технологию, которая позволила им наблюдать, как бактерии вида Lactiplantibacillus plantarum колонизирует свою нишу в кишечнике плодовой мушки в режиме реального времени. Плодовая мушка идеальный модельный организм для такого рода исследований, потому что виды, составляющие ее микробиом, хорошо определены и немногочисленны.
Наблюдение за развитием событий в деталях с высоким разрешением позволило ученым увидеть разницу между кратковременной колонизацией и долгосрочным успехом. «Разработка этого метода визуализации была очень сложной задачей», - рассказал Людингтон. «Она позволила нам увидеть взаимодействие отдельных клеток бактерий с кишечником хозяина в беспрецедентных деталях. В будущем мы попытаемся выяснить механизм, лежащий в основе этой специфичности связывания».
Авторы обнаружили, что L. plantarum, выделенная из кишечника диких плодовых мушек, способна стабильно прикрепляться к тканям хозяина, в то время как L. plantarum от человека и других источников образует лишь переходные соединения. Получив эту информацию, исследователи задались целью определить генетическую основу этого присоединения. В результате кропотливой работы им удалось выявить набор генов, обеспечивающих симбиотическую колонизацию кишечника в определенной нише.
Авторы выяснили, что L. plantarum специфически распознает переднюю кишку плодовой мушки как отдельную физическую нишу и стабильно обосновывается в этой нише с помощью специфичных для хозяина адгезинов, кодируемых генами, перенесенными на линейную плазмиду с кластером генов, который авторы назвали островом колонизации. Домены, связывающие адгезины, сохраняются у всех Lactobacillales, а остров также кодирует систему секреции, широко распространенную среди комменсальных и патогенных бактерий. Острова колонизации, по-видимому, широко распространены среди кишечных бактерий и указывают на общий механизм распознавания ниши.
«Выявив гены, позволяющие L. plantarum колонизировать те или иные участки кишечника, мы можем сконструировать таргетные бактерии, что открывает путь к созданию пробиотиков, оптимизированных для конкретных ниш в кишечнике человека», - сообщил Людингтон.
