Реконструкция рациона питания и микробиома предков человека показывает поразительно быструю потерю разнообразия микробиомаРеконструкция рациона питания и микробиома предков человека показывает поразительно быструю потерю разнообразия микробиома
Представьте себе Австрию, примерно 800-450 годы до нашей эры.
Шахтер железного века добывает соль в древних шахтах Халльштатта в Восточных Австрийских Альпах. Он приближается к концу своего обеденного перерыва, насытившись сытной пищей из зерновых и бобовых, с орехами и несколькими кусочками соленой говядины. Его приятель по работе предлагает ему глотнуть пивка. Шахтер закусывает его домашним голубым сыром и горстью ягод. Он встает, потягивается, берет свою кирку и возвращается к работе в прохладной шахте, не подозревая, что это была его последняя трапеза. В тот самый момент, когда его кирка со звоном ударяется о соль, раздается страшный грохот, и туннель обрушивается.
Два тысячелетия спустя, в 1734 году, шахтеры обнаружили мумифицированное тело в соляной гробнице, почти идеально сохранившееся благодаря соли, с кусочками одежды и обуви. Они похоронили его вблизи озера Халльштатт, и он стал центральной фигурой местного фольклора, известной под ласковым названием "Засоленный человек". Хотя он не собирался жертвовать свое тело науке, он оставил кое-что для потомков: свои фекалии - золотую жилу информации для современных ученых, располагающих современными техническими средствами для изучения биомолекул в сохранившихся древних образцах.
Спустя почти триста лет после обнаружения тела "Засоленного человека" ученые собрали сохранившиеся образцы древних фекалий его современников из соляных шахт Халльштатта. В недавно опубликованном исследовании их уникальный подход к анализу пищевых привычек и микробиома кишечника предков человека продемонстрировал связь между рационом питания и потерей микробного разнообразия кишечника, а также возможности лечения современных заболеваний благодаря изучению микробиома кишечника древних людей.
Франк Майкснер, микробиолог из Научно-исследовательского института изучения мумий Eurac в Больцано, Италия, и его коллеги изучили эти образцы палеофекалий и сообщили о своих выводах в журнале Current Biology. В этом исследовании коллектив Майкснера провел микроскопический, метагеномный и протеомный анализ палеофекалий, чтобы определить пищевые привычки и микробиом кишечника древних европейских шахтеров.
"Древние ткани, [включая] музейные образцы, все еще содержат эндогенные биомолекулы, [такие как] белки, ДНК и липиды", - пояснил Майкснер. Сочетание радиоуглеродного датирования образца с анализом эндогенных биомолекул "открывает окно в прошлое [чтобы] задавать эволюционные вопросы".
Майкснер и его междисциплинарная команда исследовали четыре образца палеофекалий: один из бронзового века (1301-1121 гг. до н.э.), два из железного века (650-545 гг. до н.э.) и один из эпохи барокко (1720-1783 гг. н.э.). Они обнаружили, что шахтеры Халльштатта железного века потребляли необработанную волокнистую пищу, богатую цельным зерном, которую они дополняли фруктами, орехами, бобовыми, животным белком и ферментированными продуктами, такими как голубой сыр и пиво. Последнее стало неожиданностью, когда анализ грибков в одном из образцов железного века показал значительный уровень Penicillium roqueforti и Saccharomyces cerevisiae, дрожжей, которые ферментируют голубой сыр и пиво, соответственно.
Образцы палеофекалий также содержали такие виды бактерий, как Lactobacillus ruminis, Catenibacterium mitsuokai и Prevotella copri, что аналогично микробиомам современных людей, потребляющих необработанные (unprocessed) продукты. Напротив, западный тип питания способствует потере разнообразия микробиома кишечника. Сходство между микробиомом палеофекального образца, полученного в период барокко в 1700-х годах, и микробиомом кишечника современных незападных людей говорит о том, что потеря микробного разнообразия, связанная с индустриализированным питанием, произошла довольно быстро. "Если речь идет о столетиях", - отметил Майкснер, - "очень поражает такая [быстрая] потеря разнообразия в нашем кишечном микробиоме".
Мейкснер обратил внимание на то, что диета с высоким содержанием клетчатки и углеводов может сдерживать потерю численности и разнообразия определенных видов микроорганизмов. Например, в отличие от вестернизированных микробиомов, современные незападные микробиомы содержат четыре варианта бактериального штамма Prevotella copri, каждый из которых выполняет уникальную задачу по перевариванию сложных углеводов. Аналогичным образом, микробная сигнатура древних образцов палеофекалий содержит эти четыре варианта.
Постоянно низкая круглогодичная температура и высокая концентрация соли в шахтах вызывают быстрое высыхание палеофекалий, что может сохранить эндогенные биомолекулы за счет снижения гидролитического повреждения. Кевин Дейли, научный сотрудник Тринити-колледжа Дублина, не принимавший участия в этой работе, объяснил, что "кристаллы соли создают микросреду с небольшим количеством воды, поскольку молекулы воды активно взаимодействуют с положительно заряженными ионами в соли. Это препятствует взаимодействию молекул воды с ДНК, уменьшает деаминирование и способствует сохранению ДНК". В этом смысле мумифицированные палеофекалии действуют как миниатюрные капсулы времени, обеспечивая редчайшую возможность заглянуть в организм и жизнь наших предков.
Одной из самых больших проблем при изучении древних микробиомов является подтверждение того, что микроорганизмы являются эндогенными для образца, а не для окружающей среды. Чтобы решить эту задачу, Майкснер и его коллеги сравнили численность микроорганизмов и метаболических путей в образцах палеофекалий с более чем 800 современными метагеномами. По словам Майкснера, высушенные "капсулы" палеофекалий по неясным пока причинам менее подвержены проникновению почвенных бактерий. Все четыре образца палеофекалий отличались от образцов почвы, что говорит о том, что загрязнение почвой маловероятно.
В одном образце Майкснер и его коллеги выявили солелюбивый Halococcus morrhuae, экстремофил, который выживает при высокой солености, но обычно не ассоциируется с кишечником человека. Майкснер объясняет, что H. morrhuae, вероятно, был занесен как контаминант, связанный с кристаллами соли из окружающей среды. "Это был единственный образец фекалий, который не подвергался процессу разделения крупно- и мелкодисперсного материала". Он добавил, что "экстремальная соленость оказалась бы токсичной для многих обычных почвенных микробов, а сами экстремофилы могут быть не приспособлены к утилизации органических веществ кала, что потенциально может привести к незначительному проникновению экстремофилов в палеофекалии".
Майкснер и его коллеги также обнаружили достаточное количество сохранившейся эндогенной человеческой ДНК в палеофекалиях; дальнейший анализ показал, что все четыре образца принадлежали мужчинам. Мог ли один из этих образцов принадлежать "Засоленному человеку"? По словам Майкснера, географическое положение и временной период совпадают, так что теоретически это возможно. Он пояснил, что если бы у него и его группы был доступ к останкам "Засоленного человека", они могли бы сравнить его генетический материал с человеческой ДНК в палеофекалиях. Если они совпадут, говорит Мейкснер, "мы сможем найти человека, который оставил эти палеофекалии". Тем временем он и его сотрудники хотели бы расширить результаты нынешнего исследования, проанализировав большее количество образцов палеофекалий из соляных шахт, сравнив их с современными образцами и проверив на наличие липидов и других метаболитов. "Пока что мы только прикоснулись к поверхности".
Эта работа имеет широкие последствия для понимания роли микроорганизмов кишечника в здоровье и заболеваниях. Исследователи продолжают открывать новые связи между современными привычками питания, микроорганизмами, живущими в кишечнике человека, и нашей восприимчивостью к заболеваниям, но микробиом кишечника современного человека представляет собой ограниченный срез нашего эволюционного пути. "Несмотря на ограниченное количество образцов, это исследование является прекрасным примером того, что междисциплинарная работа может рассказать о жизни сообществ в прошлом", - говорит Майкснер. Информация о микробиомах кишечника древних людей помогает нам понять, как переход к модернизированной западной диете изменил наш микробиом. Это особенно актуально, учитывая растущий интерес к микробиом-ориентированным методам лечения различных заболеваний, включая рак, инфекционные, метаболические, воспалительные и сердечно-сосудистые заболевания, число которых резко возросло в наше время.
Поскольку ученые продолжают изучать утрату микробного разнообразия в кишечнике современного человека, данное исследование предлагает уникальный взгляд на эволюционную историю нашего микробиома и потенциал восстановления древней микробной сигнатуры нашего кишечника для улучшения здоровья. Учитывая сходство между микробиомом древнего человека и микробиомом современного незападного типа питания, восстановить микробное разнообразие может быть проще, чем мы думаем.
