В качестве примера рассмотрим 40–50-летний опыт разведения и изучения двух типов мышей — гнотобиотических (абсолютно стерильных) и лишенных части микробов. Эти мыши содержатся в стерильных условиях, едят стерильную пищу и даже рожают своих детенышей — по крайней мере на первых порах — с помощью кесарева сечения. Мыши-гнотобиоты полностью лишены бактерий, включая и нормальную микробиоту. Чтобы выжить, они должны получать особые пищевые добавки. Это связано с тем, что кишечные бактерии образуют специфические питательные вещества, необходимые животным для здоровой жизни, а клетки млекопитающих их вырабатывать не могут. К числу таких питательных веществ относится, например, жирорастворимый витамин К. Уровень образуемых бактериями витаминов и других метаболитов имеет критическое значение для выживания животных. Так, например, если мыши-гнотобиоты получают в качестве пищи стандартный сухой корм для грызунов, через три дня они заболевают и погибают. Страдают они и дефицитом тимидина, так как им недоступен образуемый бактериями тимидин. Грызуны, полностью лишенные микробиома и не получающие добавок бактериальных метаболитов, обречены на скорую гибель.
Но и это еще не все. На долю одного из отделов кишечника, слепой кишки, у грызунов обычно приходится от 6 до 10 % общей массы тела. При полном отсутствии кишечных бактерий слепая кишка сильно увеличивается в размерах и составляет от 20 до 25 % массы тела; это осложнение может привести к гибели животного. Сердце, напротив, уменьшается в размерах, что сопровождается ослаблением кровотока и снабжения тканей кислородом. Двигательная активность животных также снижается. Отмечается недостаточность иммунной системы и иммунных ответов.
Как же живут мыши, полностью или частично лишенные микробиома? Прежде всего их приходится содержать в стерильных лабораторных условиях. Оказавшись в обычных условиях, они быстро погибают от инфекций. По информации одного из производителей гнотобиотических мышей (компании Taconic), для поддержания их жизнедеятельности в корм необходимо добавлять смеси пробиотиков. В противном случае животные будут страдать от дефицита витамина К, поскольку его вырабатывает микробиом. Интересно отметить, что лечение людей антибиотиками может привести к значительному снижению уровня витамина К, поскольку антибиотики убивают и кишечных бактерий.
Как и в случае тропического дождевого леса и кораллового рифа, повреждение или разрушение «микробиомного сада» человека приводит к самым серьезным последствиям. Чтобы жизнь была здоровой и долгой, наш микробиом должен быть полноценным, а мы сами — иметь доступ к достаточному разнообразию микробных партнеров.
3. Невидимый человеческий суперорганизм
Люди состоят главным образом из микробов. Ученые подсчитали, что количество микробов, живущих внутри и на поверхности нашего тела, в 10 раз больше, чем его собственных клеток. А генетики, сравнив количество микробных и человеческих генов, обнаружили, что в еще большей степени наша «микробная природа» выражена на генетическом уровне; в наших клетках содержится примерно 22 000 генов, свойственных млекопитающим, а количество микробных генов, которые мы носим с собой, составляет приблизительно 10 млн. Всю совокупность этих микробных генов, включая гены бактерий, вирусов, грибов и паразитов, по праву можно назвать нашим вторым геномом.
Второй геном важен не только из-за его громадного численного превосходства. Изменить человеческий геном — значит изменить хромосомы в каждой клетке нашего тела. Хромосомы представляют собой нитевидные структуры, которые присутствуют во всех живых клетках, состоят из нуклеиновых кислот и белков и содержат гены. Учитывая общее количество подлежащих изменению хромосом и клеток, следует признать, что переделка человеческого генома — невероятно сложная задача. Но если человеческие гены изменить очень трудно, то замена микробных генов особых проблем не представляет. По сути дела, достаточно изменить микробную «смесь» тела, а это автоматически приведет и к изменению микробных генов. Этот факт дает в распоряжение ученых и медиков новую мощную стратегию для улучшения нашего здоровья и физического благополучия.
Другая проблема, возникающая при изменении человеческого генома, связана с тем обстоятельством, что многие гены млекопитающих работают группами. Попытка изменить один ген может запустить цепную реакцию в других генах, что приведет к неполной экспрессии некоторых генов. А это в свою очередь чревато изменением или даже утратой некоторых функций организма. Даже если подобрать «правильную смесь» генов, с большинством неинфекционных болезней ей, скорее всего, справиться не удастся. Похоже, лечение таких заболеваний, как астма, диабет, ожирение и аутизм, требует изменения многих генов и метаболических путей, связанных с иммунной системой, а также с различными органами и тканями. В любом случае основное ограничение терапии, предполагающей манипуляции с человеческими генами, состоит в том, что она нацелена лишь менее чем на 1 % нашего общего количества генов (первый плюс второй геном).