Človek a jeho baktérie NZZ

Na ľuďoch žije niekoľko biliónov baktérií, ktoré tam preberajú dôležité úlohy. Aj keď sa druhové zloženie môže veľmi líšiť od človeka k človeku, celý genóm, ktorý si so sebou prináša populácia, je veľmi podobný.

Baktérie Escherichia coli sa v ľudskom čreve cítia dobre. Obrázok bol urobený skenovacím elektrónovým mikroskopom. (Obrázok: NIH/Wikipedia)

Keď bol v roku 2003 kompletne sekvenovaný ľudský genóm, mnohým sa zdalo neuveriteľné, že tak zložitá bytosť ako človek dokáže iba s 30 000 génmi. Pre týchto ľudí je určite upokojujúce počuť, že to tak nie je. Pretože bez približne 100 biliónov (10 14) baktérií, ktoré kolonizujú ľudí, by neboli životaschopné, aspoň nie v podobe, v akej dnes existujú. Všade na pokožke, v ústach alebo v črevách vytvára obrovské množstvo baktérií malé prosperujúce ekosystémy. Živia sa ľudským odpadom, štiepia nestráviteľnú vlákninu, produkujú niektoré dôležité vitamíny a podporujú svojho hostiteľa v obrane proti choroboplodným baktériám. To je dôvod, prečo niektorí vedci považujú človeka aj za akýsi superorganizmus, ktorý sa skladá z mnohých ľudských buniek a asi 10-krát viac bakteriálnych buniek. Z tohto pohľadu by bakteriálny genóm rozšíril ľudský genóm na približne 30 miliónov génov. Dodnes sa však vie len málo o vplyve týchto génov a ich nosičov na človeka. Je však predmetom rastúcej výskumnej oblasti.

Baktérie Escherichia coli sa v ľudskom čreve cítia dobre. Obrázok bol urobený skenovacím elektrónovým mikroskopom. (Obrázok: NIH/Wikipedia)

Baktérie kolonizujú deti

Bakteriálne kolónie, ktoré kolonizujú človeka, sú pre každého jedinca jedinečné. O tom, ako tieto rozdiely vznikajú - napríklad pokiaľ ide o stravu, genetické vlastnosti človeka alebo náhodné vystavenie mikroorganizmom - sa stále špekuluje. Niektoré choroby, ako je chronické zápalové ochorenie čriev alebo invázia patogénnych baktérií, sú spojené s narušením vnútornej rovnováhy v bakteriálnom ekosystéme. Najlepšie skúmanou ľudskou bakteriálnou spoločnosťou je zatiaľ črevná flóra, ktorá sa považuje za najhustejšie osídlenú zo všetkých známych ekosystémov a odhaduje sa, že je domovom asi 500 až 1 000 rôznych druhov a asi 7 000 poddruhov. Výskyt a číselný pomer druhov tvoria individuálny profil osoby, takpovediac osobný odtlačok prsta.

Patrick O. Brown a Chana Palmer z lekárskej fakulty Stanfordskej univerzity v Kalifornii skúmali, ako vzniká individuálna bakteriálna spoločnosť. Za týmto účelom pravidelne analyzovali baktérie vo vzorkách stolice od 14 detí od narodenia do dvoch rokov. Pretože akonáhle sa dieťa narodí zo sterilného prostredia v maternici, stále úplne ležiace oblasti dobývajú baktérie rôznych rodov a druhov. Ukázalo sa, že každé dieťa malo od začiatku veľmi osobné zloženie, ktoré sa síce časom menilo, ale vždy si zachovalo nezameniteľný individuálny profil.

Paralelné výkyvy vo výskyte a zmiznutí jednotlivých druhov u dizygotického páru dvojčiat naznačovali, že pri kolonizácii zohráva úlohu genetika a náhodný kontakt s rôznymi prostrediami. Prví prisťahovalci pochádzali z matkinho zásobníka baktérií, čo ukazujú porovnania so vzorkami z ich vagíny, stolice a materského mlieka. Asi po roku mali všetky deti relatívne podobný profil, ktorý sa čoraz viac podobal profilu typickej bakteriálnej spoločnosti pre dospelých. Prechod na tuhú stravu predstavoval jasný bod obratu od detskej bakteriálnej spoločnosti k typickej črevnej flóre dospelých. Baktérie sa ideálne prispôsobujú podmienkam v čreve, napriek tomu zostáva individuálny profil, ale aj podobnosti medzi nimi. Členovia rodiny existujú roky. Posledné uvedené ukazujú výsledky nedávno zverejnenej štúdie s 31 monozygotnými a 23 dizygotickými dospelými dvojčatami a ich matkami.

Vedci zo skupiny Jeffreyho Gordona na Washingtonskej univerzite v St. Louis dokázali, že črevná flóra medzi členmi rodiny je podobnejšia ako medzi nepríbuznými ľuďmi. Čím bola podobnosť medzi identickými dvojčatami najväčšia, tá medzi dizygoti len o niečo menšia a podobnosť s matkami o niečo väčšia. To by mohlo naznačovať, že genetika má menší dopad ako bežné prostredie, pretože aj keď identické dvojčatá zdieľajú 100 percent génov a dizygoti iba asi 25 percent, podobnosti medzi bakteriálnymi spoločnosťami medzi identickými dvojčatami boli iba o niečo väčšie. Ak však vezmeme do úvahy výsledky iných výskumných skupín týkajúcich sa tejto témy, stále neexistuje jednotný obraz.

Hmotnosť ovplyvňuje črevná flóra

V niekoľkých štúdiách však vedci zo skupiny Gordon dokázali, že strava má silný vplyv na štruktúru črevnej flóry. Vedci skúmajú vplyv baktérií na využitie energie u myší a ľudí už niekoľko rokov a okrem iného preukázali, že baktérie zvyšujú absorpciu molekúl cukru v čreve. Okrem toho sa zdá, že podporujú príjem mastných kyselín v tukových bunkách prostredníctvom komplikovaného a dosiaľ nie úplne pochopeného mechanizmu. Týmto spôsobom pomáha množstvo baktérií hostiteľovi lepšie zužitkovať jedlo, ktoré konzumujú. U myší aj u ľudí asi 90 percent črevnej flóry tvoria bakteriálne druhy z 2 z asi 70 existujúcich bakteriálnych divízií, Firmicutes a Bacteroidetes. A ako vedci dokázali, strava má zásadný vplyv na to, ktoré druhy baktérií sa nachádzajú prevažne v čreve.

Myši, ktoré boli kŕmené typickou západnou stravou s vysokým obsahom tukov a sacharidov, vykazovali zmeny v črevnej flóre počas niekoľkých týždňov. Typicky, niektorí členovia konkrétnej triedy divízie Firmicutes, mollicutes, nie sú v myších črevách zvlášť bežní. Po zmene stravovania sa však výrazne rozšírili. Zároveň boli inhibovaní zástupcovia Bacteroidetes. Vedci tiež pozorovali akumuláciu tried Mollicutes u ľudí v súvislosti s obezitou. Po tom, čo sa týmto ľuďom podarilo držať diétu, však schudli a zároveň sa normalizovala črevná flóra. Človek môže zmeniť štruktúru svojej črevnej flóry stravou.

Samotné baktérie však môžu mať tiež silný vplyv na hostiteľa: môžu mať priamy vplyv na jeho hmotnosť. Vedci to preukázali úplnou transplantáciou baktérií z myší, ktoré boli celé týždne kŕmené vysokoenergetickým jedlom, do tenkých myší, ktoré nemali vlastnú črevnú flóru, pretože boli chované za absolútne sterilných podmienok. Aj keď tenké myši udržiavali normálnu stravu, po transplantácii im tukovali, čo je podstatne viac ako myšiam, ktoré dostali črevnú flóru od myší s normálnou hmotnosťou. Ako vedci dokázali, zdá sa, že to je spôsobené skutočnosťou, že typy baktérií, ktoré sa vyskytujú častejšie u tukových myší, premieňajú nestráviteľnú vlákninu na ľahko stráviteľné mastné kyseliny oveľa efektívnejšie ako u tenkých myší. Individuálna bakteriálna spoločnosť má rozhodujúci vplyv na to, koľko energie myš získa z potravy.

Gény ako bežné

Tí istí vedci nedávno našli dôkaz, že takéto metabolické rozdiely sú kontrolované genómom vyvolaným črevnými baktériami a že medzi dvoma jedincami sú väčšie podobnosti na úrovni genómu ako na úrovni druhov. Za týmto účelom vo vyššie spomenutej štúdii skúmali taxonomické a genetické zloženie baktérií vo vzorkách stolice od 31 monozygotných a 23 dizygotických dvojčiat, ktoré boli buď tučné, alebo obe chudé, a ich matiek. Ako sa ukázalo, rozmanitosť bakteriálnych druhov bola zreteľne obmedzená, pokiaľ ide o hrúbku. Zdá sa, že nadmerný prísun potravy vedie k zníženiu rozmanitosti črevnej flóry.

Teraz však vedci chceli vedieť, či existuje spoločný menovateľ u všetkých jedincov, t. J. Určité druhy alebo bakteriálne gény, ktoré sú vždy zastúpené. Za týmto účelom analyzovali celý bakteriálny genóm, takzvaný mikrobióm, vo vzorkách stolice od 18 ľudí - 3 hrubých a tenkých párov dvojčiat a ich matiek. Analýza ukázala, že v skutočnosti existuje viac podobností na úrovni génov ako na úrovni druhov. Zdá sa teda, že rôzne druhy baktérií s rovnakými génmi vykonávajú v čreve veľmi podobné funkcie. Keď potom vedci porovnali mikrobiómy tučných ľudí s tými tenkými, zistilo sa, že určité bakteriálne gény sú u obéznych ľudí podstatne častejšie, najmä tie, ktoré štiepia sacharidy.

Genetická výbava baktérií určuje, ako efektívne človek používa svoje jedlo. Osoba môže pomocou svojej stravy kontrolovať, ktoré druhy alebo ktoré bakteriálne gény sa vyskytujú v čreve častejšie, a tie následne ovplyvňujú to, koľko energie človek prijme. Ako presne tieto interakcie medzi bakteriálnymi a ľudskými bunkami prebiehajú v ľudskom superorganizme a či sa tieto účinky dajú využiť popri diéte, zatiaľ nie je známe. Ďalšie vedomosti o tomto a možných aplikáciách by sa však mohli stať lukratívnym podnikom v dobre živenej spoločnosti vzhľadom na rastúce náklady na zdravotnú starostlivosť.