Mikrobióm Stráca sa čoraz viac našich črevných baktérií. Spektrum vedy
Mikrobióm: Je ohrozená naša črevná rozmanitosť
Živý koralový útes, kde cez oslnivý podmorský svet pláva široká škála rýb a iného morského života. Alebo tropický dažďový prales, v ktorého matnej zelenej skrýva najrôznejších obyvateľov, od motýľov cez žaby a od papagájov až po gorily. Takéto obrazy prichádzajú na myseľ ako prvé, keď dôjde na obzvlášť rozmanité komunity plné jemne utkaných vzťahov.
Na druhej strane je sotva pravdepodobné, že by si v tejto veci niekto myslel na svoje vlastné črevá. Obsahuje jeden z najkomplexnejších ekosystémov, aké vedci poznajú. Žijú tam miliardy a miliardy mikróbov a ich zložitá súhra má ďalekosiahle následky na ľudské zdravie. Ale rovnako ako svetové útesy a lesy, aj tento biotop sa zrejme mení, takže niektoré druhy sú čoraz vzácnejšie. Čo však v prípade, ak sa v dôsledku toho stratia aj lekársky dôležité funkcie a genetická informácia? Aby sa tomu zabránilo, vedci v súčasnosti budujú zbierky, v ktorých sa má pre budúcnosť zachovať čo najväčšia časť mikrobiálnej rozmanitosti: druh Noemovej archy pre črevných obyvateľov.
Je dosť kandidátov, ktorí by sa mohli zapojiť. Odhaduje sa, že každý človek nesie na tele a v tele asi 1,3-krát viac baktérií a iných mikroorganizmov ako svoje vlastné bunky. Celkovo je tu niekoľko stoviek gramov spolubývajúcich, z ktorých väčšina žije v hrubom čreve.
Výskum mikrobiómov zažíva boom
Jeden gram črevného obsahu obsahuje asi 100 miliárd mikróbov, ktoré sú navzájom prepojené a sú spojené s ich hostiteľom prostredníctvom rôznych vzťahov. Súperia a navzájom spolupracujú, využívajú bohatý prísun potravy v čreve a premieňajú ťažko stráviteľné zložky na nové zlúčeniny. Stovky druhov mikróbov uvoľňujú tisíce látok, ktoré majú na organizmus najrôznejšie účinky a majú tak zásadný vplyv na jeho zdravie. Odborníci nazývajú všetkých týchto mikrobiálnych spoluobčanov, vrátane ich biotopov a ekologických funkcií, »mikrobióm«.
Výskum vlastného ekosystému tohto tela zaznamenal v poslednej dobe skutočný rozmach. Každý rok sa na túto tému objavia tisíce vedeckých publikácií. „Je to preto, že vďaka moderným metódam je dnes možné analyzovať genetické zloženie týchto organizmov oveľa rýchlejšie a efektívnejšie ako pred desiatimi rokmi,“ vysvetľuje Alexander Loy z viedenskej univerzity. Je spoluzakladateľom Rakúskej iniciatívy pre mikrobiómy (AMICI), v ktorej sa vedci z rôznych odborov snažia lepšie porozumieť spoločenstvu v čreve a jeho funkciám. „Chceme zistiť, ako jednotlivé druhy spolupracujú, ktoré látky uvoľňujú a čo robia,“ vysvetľuje výskumník. „A samozrejme nás zaujíma, či existuje súvislosť s určitými chorobami.“
Rozlúštenie tohto všetkého je však komplikovaná záležitosť. Prvým krokom je vyšetrenie vzoriek stolice na prítomnosť mikrobiálnej DNA, čím sa vytvorí akýsi súpis organizmov žijúcich v nich. Genetické analýzy potrebné pre toto zameranie sa primárne zameriavajú na skúmanie sekvencie stavebných blokov DNA v takzvanom géne 16S rRNA. Táto sekvencia umožňuje zvlášť dobre odlíšiť rôzne druhy baktérií.
„Táto veľká rozmanitosť črevných obyvateľov je spôsobená skutočnosťou, že v tomto ekosystéme existujú medzery pre najrôznejšie požiadavky.“ (Alexander Loy)
Pri takýchto vyšetreniach znovu a znovu vychádzajú na svetlo noví, zatiaľ neznámi črevní obyvatelia. Napríklad tím vedený Samuelom C. Forsterom z britského ústavu pre výskum genómu Wellcome Sanger Institute neďaleko Cambridge nedávno zistil 273 rôznych druhov baktérií vo výkaloch 20 ľudí z Veľkej Británie a Kanady. Napokon, 105 z nich nikdy predtým nebolo izolovaných.
„Veľká rozmanitosť črevných obyvateľov je spôsobená skutočnosťou, že v tomto ekosystéme existujú medzery pre najrôznejšie požiadavky,“ vysvetľuje Alexander Loy. Napríklad, zatiaľ čo časť kyslíka je stále k dispozícii priamo na črevnej sliznici, ktorá je dobre zásobená krvou, je ho nedostatok ďalej vo vnútri hrubého čreva. Preto existujú iba anaeróbne baktérie, ktoré upravili svoj metabolizmus na podmienky bez obsahu kyslíka.
Črevné organizmy - veľké neznáme
Rovnaký druh však nežije u všetkých ľudí. V závislosti od životného štýlu, prostredia a genetiky má každé črevo svoje vlastné, individuálne zostavené spoločenstvo mikróbov. Veci sa ešte komplikujú, pretože každý druh tiež pozostáva z rôznych kmeňov. A každý má so sebou svoju osobnú kombináciu.
„Bohužiaľ nie je možné tieto kmene rozlíšiť pomocou obvyklých genetických analýz,“ hovorí Loy. Napríklad gén 16S rRNA neodhaľuje, či rozšírené neškodné kmene baktérie Escherichia coli žijú v čreve človeka, alebo či ide o patogénne varianty. „Týmto spôsobom môžeme zistiť niečo o zložení mikrobiálnej komunity, ale nie o jej funkciách,“ vysvetľuje výskumník. Najmä preto, že v 40 až 70 percentách všetkých génov nachádzajúcich sa v črevných organizmoch nikto nevie, za čo konkrétne sú zodpovedné. „Toto je ešte stále veľká stavba.“
Funkcie jednotlivých obyvateľov čreva sú obzvlášť zaujímavé, pokiaľ ide o zdravie človeka. Je čoraz zjavnejšie, že malí spolubývajúci môžu ovplyvňovať najrôznejšie aspekty metabolizmu, imunitného systému a dokonca aj správania. Váš metabolizmus premieňa cukor, bielkoviny a tuky z potravy na menšie molekuly, ako sú mastné kyseliny s krátkym reťazcom, kyselina octová, propiónová a maslová. Tieto sa potom absorbujú cez sliznicu čreva a krvnou cestou sa transportujú do rôznych ďalších orgánov. Acetát, soľ kyseliny octovej, sa týmto spôsobom dostane napríklad do mozgu, kde sa viaže na určité receptory a okrem iného tak vyvoláva pocit sýtosti.
Stahovače z čriev
Ale znova a znova sa diskutuje aj o súvislosti s rôznymi chorobami. Ľudia, ktorí trpia chronickými črevnými zápalmi, cukrovkou typu II alebo autizmom, majú iný mikrobióm ako zdraví ľudia. „To však nevyhnutne neznamená, že tieto choroby vyvoláva zmenená bakteriálna komunita,“ vysvetľuje Alexander Loy. Teoreticky by sa rovnako dobre mohlo stať, že vývoj bude postupovať opačným smerom: Najskôr prepukne choroba, ktorá zmení životné podmienky v čreve a nakoniec na ňu mikroorganizmy zareagujú. „Často nie je ľahké zistiť, čo je príčina a čo je následok,“ zdôrazňuje viedenský výskumník.
V niektorých prípadoch sú však súvislosti jasné. Ak je počet normálnych obyvateľov čreva znížený antibiotickou terapiou, často sa chopia šance napríklad patogény. Pri absencii konkurencie sa môžu v tejto situácii presadiť oveľa lepšie ako obvykle, a tak spôsobiť aj väčšie škody. Dokázalo sa to napríklad na neslávne známom nemocničnom zárodku Clostridium difficile, ktorý môže spôsobiť veľmi silné a niekedy životu nebezpečné hnačky a črevné zápaly.
Ale aj ľudia, ktorí neužívali antibiotiká, môžu mať vyčerpaný mikrobióm. V črevách obyvateľov miest v priemyselných spoločnostiach sa všeobecne zdá byť menšia mikrobiálna rozmanitosť ako u ľudí s tradičnejším životným štýlom. Súvisí to predovšetkým so stravou, ktorá sa často skladá zo zložitejšej chemickej štruktúry, a preto si vyžaduje rozmanitejší podiel črevnej plochy.
Mikrobióm reaguje na sezónne rozdiely
Objavili to napríklad Samuel Smits zo Stanfordovej univerzity v USA a jeho kolegovia, keď skúmali mikrobióm Hadza v Tanzánii (PDF). U týchto lovcov a zberačov sa zloženie bakteriálnej komunity v priebehu roka mení. Majú najväčšiu rozmanitosť mikróbov v období sucha, keď je jedálniček pestrejší a obsahuje viac mäsa ako v období dažďov. Mikrobióm zjavne reaguje na také sezónne rozdiely, takže druhy sú vždy aktívne, čo dokáže s príslušnou stravou najviac. Ak sa zmení strava, niektoré druhy sa stanú tak zriedkavými, že ich už nemožno zistiť vo výkaloch. Znovu sa objavia až v budúcej sezóne.
A zdá sa, že práve tieto pružné organizmy sú v moderných spoločnostiach na ústupe. To zistili vedci, keď porovnali svoje údaje z Tanzánie s údajmi od ľudí zo 16 ďalších krajín s rôznym životným štýlom. Stratia teda ľudia v moderných spoločnostiach časť tých spolubývajúcich, s ktorými ich spájajú státisíce rokov zdieľanej evolučnej histórie? A to by mohol byť jeden z dôvodov, prečo sú ochorenia životného štýlu ako zápalové ochorenia čriev, obezita, astma, cukrovka a alergie na vzostupe.?
Pomerne veľa mikrobiológov verí, že je to úplne možné. Existujú dôkazy, že chudobnejšia črevná komunita v ranom detstve predstavuje vyššie riziko takýchto chorôb. A keďže čoraz viac ľudí na celom svete priťahuje mestá a moderný životný štýl, mohol by sa tento trend v budúcnosti ešte umocniť. Preto odborníci nechcú stáť bokom a sledovať zmenšujúce sa mikrobiologické dedičstvo ľudstva.
Knižnice pre mikróby
Asi tucet vedcov okolo Maria Gloria Dominguez-Bello z Rutgersovej univerzity v americkom štáte New Jersey sa spojilo a vytvorili medzinárodnú iniciatívu s názvom The Microbiota Vault (mikrobiota vault). Zasadzujú sa za vytvorenie medzinárodného zariadenia, v ktorom môžu byť mikrobiologické vzorky z celého sveta natrvalo zmrazené na bezpečnom a politicky neutrálnom mieste. Modelom je Svalbard Global Seed Vault na ostrove Špicbergy, kde sa semená uskladňujú od roku 2008, aby sa zachovala rozmanitosť plodín na zemi.
Veľmi podobným spôsobom „záchranný čln s baktériami“ v budúcnosti pomôže zachovať a preskúmať rozmanitosť spolubývajúcich v ľudskom tele. „Musíme lepšie pochopiť, ktoré kmene miznú v ľudskej populácii a aké funkčné a patologické dôsledky to má,“ zdôraznili niektoré z vedúcich predstaviteľov iniciatívy v roku 2018 v časopise Science.
„Dlhujeme budúcim generáciám mikróby, ktoré naši predkovia kolonizovali najmenej za 200 000 rokov ľudského vývoja“ (poprední vedci v odbore „Veda“)
Koniec koncov, viac ako polovica svetovej populácie už žije v mestskom prostredí. Existuje obava, že by mohlo dôjsť k strate črevných obyvateľov dôležitých pre zdravie človeka. To však človek nemôže prijať. „Budúcim generáciám vďačíme za mikróby, ktoré kolonizovali našich predkov najmenej za 200 000 rokov ľudskej evolúcie,“ píšu vedci. Najdôležitejšie je uchovať mikrobiómy rôznych ľudských spoločností po celom svete. A najmä tými, ktorí ešte nesledovali trend mestského života. Vedci na to nemusia mať veľa času, zdôrazňujú: „Musíme začať skôr, ako bude neskoro.“
Prvé kroky na tejto ceste sa už podnikajú. Eric Alm, Mathieu Groussin, Mathilde Poyet a Ainara Sistiaga z Massachusetts Institute of Technology (MIT) v Cambridge v USA zahájili v roku 2016 ďalšiu iniciatívu na ochranu mikróbov, Global Microbiome Conservancy (GMC). Teraz tu spolupracujú odborníci z približne 70 vedeckých a lekárskych inštitúcií z celého sveta. Zahŕňa široké spektrum vedcov z rôznych disciplín - od mikrobiológov a lekárov cez antropológov až po ekológov a evolučných biológov. Spoločne sa snažia zhromaždiť a uchovať čo najviac rozmanitosti života z ľudského čreva.
Zamestnanci GMC založili svoju bakteriálnu knižnicu s viac ako 7600 vzorkami z čriev zdravých obyvateľov miest v Severnej Amerike. Ďalej zhromaždili a zmrazili okolo 4 000 kmeňov baktérií z neindustriálnych spoločností v arktickej Kanade, Kamerune a Tanzánii. Zbierka sa teraz rozrástla a zahŕňa viac ako 11 600 vzoriek baktérií z 23 ľudských populácií po celom svete. A práca pokračuje. Povolenia na zbierky v Ghane, Rwande a Malajzii už existujú.
Každý si ponecháva vlastnícke práva na svoje mikróby
S cieľom získať viac cestujúcich pre svoju zamrznutú archu, vedci chcú pracovať s čo najväčším počtom rôznych ľudí na celom svete - najmä s členmi domorodého obyvateľstva. Zdôrazňujú, že každý účastník, ktorý daruje svoje výkaly do projektu, si zachováva vlastníctvo svojich mikróbov. Okrem toho by malo ísť o otvorenú a nekomerčnú zbierku, ku ktorej má prístup každý zainteresovaný vedec. Ak sa zo zbierky dá jedného dňa vyvinúť liek alebo iné použitie, mali by z toho mať prospech aj krajiny pôvodu darcov.
„To sú všetko dôležité body, ktoré by sa mali pri takejto zbierke dodržiavať,“ zdôrazňuje Alexander Loy. Všeobecne považuje úsilie GMC za veľmi užitočné. Po celom svete už existuje niekoľko veľkých zbierok bakteriálnych kmeňov, ktoré obsahujú aj črevných obyvateľov. Napríklad v Nemecku je veľmi rozsiahla zbierka uložená v Leibniz Institute DSMZ - Nemecká zbierka mikroorganizmov a bunkových kultúr v Braunschweigu; podobné zariadenia existujú napríklad v USA a Japonsku. „Tieto zbierky však zatiaľ obsahujú podstatne viac ľudských kmeňov z priemyselných krajín,“ vysvetľuje Loy. „O mikrobiómoch v rozvojových krajinách toho toľko nevieme.“ O to užitočnejšie je túto medzeru zaplniť a systematicky zbierať vzorky z rôznych oblastí sveta.