Mikrobiome Egyre több bélbaktériumunk veszik el. A tudomány spektruma
Mikrobiom: Bél sokféleségünk veszélyeztetett
Élő korallzátony, ahol sokféle hal és más tengeri élővilág úszik át egy káprázatos víz alatti világban. Vagy egy trópusi esőerdő, amelynek homályos zöldje a legkülönfélébb lakókat rejti, a pillangóktól a békákig és a papagájoktól a gorillákig. Ilyen képek jutnak először eszünkbe, amikor különlegesen sokszínű, finoman szövött kapcsolatokkal teli közösségekről van szó.
Másrészt valószínűleg senki sem gondol a saját belére ebben a témában. Az egyik legösszetettebb ökoszisztémát tartalmazza, amelyet a tudósok ismernek. Milliárdok és milliárd mikrobák élnek ott, és összetett kölcsönhatásuk messzemenő következményekkel jár az emberi egészségre. De a világ zátonyaihoz és erdőihez hasonlóan ez az élőhely is változni látszik, így egyes fajok ritkábbak. De mi van, ha ennek következtében elvesznek az orvosilag fontos funkciók és a genetikai információk is? Ennek megakadályozása érdekében a tudósok jelenleg olyan gyűjteményeket építenek, amelyekben a mikrobiális sokféleség lehető legnagyobb részét meg kell őrizni a jövőben: egyfajta Noé bárkája a béllakók számára.
Van elég jelölt, aki felmehet a fedélzetre. Becslések szerint minden ember körülbelül 1,3-szor több baktériumot és egyéb mikroorganizmust hordoz testén és testén, mint saját sejtjei. Összesen több száz gramm szobatárs él, akik többsége a vastagbélben él.
A mikrobiómák kutatása virágzik
Egy gramm béltartalom körülbelül 100 milliárd mikrobát tartalmaz, amelyek különféle kapcsolatokon keresztül kapcsolódnak egymáshoz és gazdájukhoz. Versenyeznek és együttműködnek egymással, felhasználják a bélben lévő gazdag élelmiszer-ellátást, és a nehezen emészthető összetevőket új vegyületekké alakítják. A mikrobák százai közül több ezer olyan anyag szabadul fel, amelyek sokféle hatással vannak a szervezetben, és ezáltal nagy hatással vannak az egészségére. A szakértők mindezek mikrobiális társlakók teljes egészét, beleértve élőhelyeiket és ökológiai funkcióikat, »mikrobiomnak« nevezik.
A test saját ökoszisztémájának kutatása a közelmúltban igazi fellendülésnek indult. Évente több ezer tudományos publikáció jelenik meg a témában. "Ennek oka, hogy a modern módszereknek köszönhetően ezeknek az organizmusoknak a genetikai felépítése sokkal gyorsabban és hatékonyabban elemezhető, mint tíz évvel ezelőtt" - magyarázza Alexander Loy a Bécsi Egyetem munkatársaitól. Társalapítója az osztrák mikrobiológiai kezdeményezésnek (AMICI), amelynek során a különböző tudományterületek tudósai megpróbálják jobban megérteni a belek közösségét és funkcióit. "Szeretnénk megtudni, hogyan működnek együtt az egyes fajok, mely anyagokat bocsátanak ki és mit csinálnak" - magyarázza a kutató. "És természetesen érdekel bennünket, hogy van-e összefüggés bizonyos betegségekkel."
Mindezek kibontása azonban bonyolult kérdés. Az első lépés a székletminták mikrobiális DNS vizsgálata, egyfajta leltár létrehozása a bennük élő szervezetekről. Az ehhez szükséges genetikai elemzések elsősorban az úgynevezett 16S rRNS gén DNS-építőköveinek szekvenciájának vizsgálatára összpontosítanak. Ez a szekvencia lehetővé teszi a különböző baktériumtípusok különös megkülönböztetését.
"A béllakók ezen sokfélesége annak köszönhető, hogy ebben az ökoszisztémában vannak fülkék a legváltozatosabb követelményeknek" (Alexander Loy)
Ilyen vizsgálatok során új, még ismeretlen béllakók kerülnek elő újra és újra. Például egy, a Cambridge melletti Wellcome Sanger Institute brit genomkutató intézet, Samuel C. Forster vezetésével egy csapat nemrégiben 273 különböző típusú baktériumot mutatott ki 20 ember székletében Nagy-Britanniából és Kanadából. Végül is 105-et még soha nem izoláltak.
"A béllakók nagy változatossága annak köszönhető, hogy ebben az ökoszisztémában vannak fülkék a legváltozatosabb követelményeknek" - magyarázza Alexander Loy. Például, míg némi oxigén még mindig közvetlenül elérhető a bél nyálkahártyáján, amely jól van ellátva vérrel, a vastagbél belsejében még hiányzik. Ennek megfelelően csak olyan anaerob baktériumok vannak, amelyek metabolizmusukat oxigénmentes körülményekhez igazították.
Bélorganizmusok - a nagy ismeretlenek
Ugyanakkor ugyanaz a faj nem él minden emberben. Az életmódtól, a környezettől és a genetikától függően minden belnek megvan a maga, egyedileg összeállított mikrobaközössége. A helyzet még bonyolultabbá válik, mert az egyes fajok is különböző törzsekből állnak. És mindenki magával viszi saját személyes kombinációját.
"Sajnos ezeket a törzseket nem lehet megkülönböztetni a szokásos genetikai elemzésekkel" - mondja Loy. Például a 16S rRNS génből nem derül ki, hogy az Escherichia coli baktérium széles körben elterjedt ártalmatlan törzsei élnek-e az ember belében, vagy pedig patogén változatok-e. "Így megtudhatunk valamit a mikrobaközösség összetételéről, de nem a funkcióiról" - magyarázza a kutató. Különösen azért, mert a bélorganizmusokban található gének 40-70% -ában senki sem tudja, hogy pontosan mi a felelős. - Ez még mindig nagy építkezés.
Az egyes béllakók funkciói különösen érdekesek, ha az emberi egészségről van szó. Egyre nyilvánvalóbb, hogy a kis szobatársak befolyásolhatják az anyagcsere, az immunrendszer és még a viselkedés legváltozatosabb aspektusait is. Az anyagcseréd átalakítja az élelmiszerből származó cukrot, fehérjéket és zsírokat kisebb molekulákká, például rövid láncú zsírsavakként ecetsav, propionsav és vajsav. Ezek aztán a bélnyálkahártyán keresztül felszívódnak, és a véráramon keresztül különböző más szervekbe kerülnek. Az acetát, az ecetsav sója ily módon jut el az agyba, ahol bizonyos receptorokhoz kötődik, és így többek között a jóllakottság érzetét váltja ki.
A behúzók a belekből
De a különféle betegségekkel való összefüggést is újra és újra megvitatják. Azoknál az embereknél, akik krónikus bélgyulladásban, II. Típusú cukorbetegségben vagy autizmusban szenvednek, más mikrobiómája van, mint az egészségeseknek. "Ez azonban nem feltétlenül jelenti azt, hogy ezeket a betegségeket a megváltozott baktériumközösség váltja ki" - magyarázza Alexander Loy. Elméletileg ugyanúgy előfordulhat, hogy a fejlődés ellentétes irányban halad: Először a betegség tör ki, ez megváltoztatja a bél életkörülményeit, majd végül a mikroorganizmusok reagálnak. "Gyakran nem könnyű kideríteni, mi az oka és mi a következménye" - hangsúlyozza a bécsi kutató.
Bizonyos esetekben azonban az összefüggések egyértelműek. Ha az antibiotikum-terápia megtizedeli a normális béllakók számát, akkor például a kórokozók gyakran élnek esélyükkel. Verseny hiányában ebben a helyzetben a szokásosnál sokkal jobban megalapozhatják magukat, és ezáltal több kárt is okozhatnak. Ez bebizonyosodott a hírhedt kórházi csíra, a Clostridium difficile esetében, amely nagyon erős, néha életveszélyes hasmenést és bélgyulladást okozhat.
De még azoknak is kimerült mikrobiomja lehet, akik nem szedtek antibiotikumokat. Az ipari társadalmak városlakóinak belében általában úgy tűnik, hogy kevesebb a mikrobiális sokféleség, mint a hagyományosabb életmódú embereknél. Ez elsősorban az étrendhez kapcsolódik, amely utóbbi gyakran összetettebb kémiai szerkezetből áll, ezért változatosabb bélrendszeri részarányt igényel.
A mikrobiom reagál a szezonális különbségekre
Samuel Smits az amerikai Stanford Egyetemről és munkatársai például ezt fedezték fel, amikor megvizsgálták a tanzániai Hadza mikrobiómot (PDF). Ezeknek a vadászoknak és gyűjtögetőknek a baktériumközösség összetétele az év folyamán változik. A mikrobák sokfélesége a legnagyobb a száraz évszakban, amikor az étlap változatosabb és több húst tartalmaz, mint az esős évszakban. Nyilvánvalóan a mikrobióm reagál az ilyen szezonális különbségekre, így azok a fajok mindig aktívak, amelyek a legtöbb étrenddel képesek. Ha megváltozik az étrend, egyes fajok olyan ritkává válnak, hogy a székletben már nem mutathatók ki. Csak a következő évadban jelennek meg újra.
Úgy tűnik, hogy éppen ezek a rugalmas szervezetek hanyatlanak a modern társadalmakban. Erre jöttek rá a kutatók, amikor Tanzániából származó adataikat összehasonlították 16 másik ország különböző életmódú embereivel. Tehát a modern társadalmakban az emberek elveszítik azon szobatársak egy részét, akikkel több százezer éves közös evolúciótörténet köti őket? És vajon ez lehet az egyik oka annak, hogy az életmódbeli betegségek, például a gyulladásos bélbetegségek, az elhízás, az asztma, a cukorbetegség és az allergiák növekednek?
Jó néhány mikrobiológus ezt teljesen lehetségesnek tartja. Bizonyíték van arra, hogy a korai gyermekkorban a szegényebb bélközösség nagyobb kockázatot jelent az ilyen betegségekre. És mivel a világon egyre több ember vonzódik a városokhoz és a modern életmódhoz, ez a tendencia a jövőben fokozódhat. Éppen ezért a szakértők nem akarják figyelni az emberiség fogyatkozó mikrobiológiai örökségét.
Könyvtárak mikrobák számára
Körülbelül egy tucat tudós, Maria Gloria Dominguez-Bello környékén, az amerikai New Jersey állam Rutgers Egyeteméről jött össze, hogy létrehozzák a The Microbiota Vault (a mikrobiota boltozat) elnevezésű nemzetközi kezdeményezést. Támogatják egy olyan nemzetközi létesítmény létrehozását, amelyben a világ minden részéről származó mikrobiológiai mintákat véglegesen le lehet fagyasztani egy biztonságos és politikailag semleges helyen. A modell a Spitsbergen szigetén található Svalbard Global Seed Vault, ahol 2008 óta tárolják a vetőmagokat, hogy megőrizzék a növények sokszínűségét a földön.
Nagyon hasonló módon a „baktériumok mentőcsónakja” a jövőben segít megőrizni és kutatni a szobatársak sokszínűségét az emberi testben. "Jobban meg kell értenünk, hogy mely törzsek tűnnek el az emberi populációkban, és ennek milyen funkcionális és kóros következményei vannak" - hangsúlyozta a kezdeményezés néhány vezető gondolata a "Science" folyóiratban 2018-ban.
"Tartozunk a jövő nemzedékeknek azoknak a mikrobáknak, amelyeket őseink az emberi evolúció legalább 200 000 éve alatt gyarmatosítottak" (vezető mikrobiomkutatók a "Science" -ben)
Végül is a világ népességének több mint fele már városi környezetben él. Félő, hogy elveszett béllakók lehetnek, amelyek fontosak az emberi egészség szempontjából. De ezt nem lehet elfogadni. "Tartozunk a jövő generációinak azoknak a mikrobáknak, amelyek az emberi fejlődés legalább 200 000 éve alatt gyarmatosították őseinket" - írják a kutatók. A legfontosabb a világ különböző emberi társadalmainak mikrobiomjainak megőrzése. És főleg azok, akik még nem követték a városi élet irányát. Lehet, hogy erre nem sok idő marad, hangsúlyozzák a tudósok: "El kell kezdenünk, mielőtt túl késő lenne."
Ezen az úton már megtették az első lépéseket. Eric Alm, Mathieu Groussin, Mathilde Poyet és Ainara Sistiaga az Egyesült Államok Cambridge-i Massachusettsi Műszaki Intézetéből (MIT) újabb mikrobavédelmi kezdeményezést indított el, a Global Microbiome Conservancy (GMC) 2016-ban. A világ mintegy 70 tudományos és orvosi intézményének szakértői most együtt dolgoznak itt. Különböző tudományterületek tudósainak széles spektruma vesz részt - a mikrobiológusoktól és orvosoktól az antropológusokon át az ökológusokig és az evolúciós biológusokig. Együtt próbálják az emberi belekből az élet sokszínűségének lehető legnagyobb részét összegyűjteni és megőrizni.
A GMC munkatársai több mint 7600 mintával indították el az észak-amerikai egészséges városlakók beléből származó baktériumok könyvtárát. Ezután körülbelül 4000 baktérium törzset gyűjtöttek össze és fagyasztottak le a Kanadai-sarkvidék, Kamerun és Tanzánia nem iparosodott társadalmaiból. A gyűjtemény mára világszerte 23 emberi populációból több mint 11 600 baktériummintával bővült. És a munka folytatódik. A ghánai, ruandai és malajziai gyűjtési engedélyek már meg vannak.
Mindenki megőrzi mikrobáinak tulajdonjogát
Annak érdekében, hogy minél több utast szerezzenek megdermedt bárkájukért, a kutatók a lehető legtöbb emberrel szeretnének együtt dolgozni szerte a világon - különösen az őslakosok tagjaival. Hangsúlyozzák, hogy minden résztvevő, aki székletét adományozza a projektnek, megőrzi mikrobáinak tulajdonjogát. Ezenkívül nyílt és nem kereskedelmi gyűjteménynek kell lennie, amelyhez minden érdeklődő tudós hozzáférhet. Ha egy napon gyógyszeres kezelés vagy egyéb felhasználás fejleszthető ki a gyűjteményből, akkor az adományozók származási országainak is hasznot kell hozniuk.
"Ezek mind fontos szempontok, amelyeket meg kell figyelni egy ilyen gyűjteményben" - hangsúlyozza Alexander Loy. Általánosságban nagyon hasznosnak tartja a GMC erőfeszítéseit. Világszerte már vannak nagy baktériumtörzs-gyűjtemények, amelyek béllakókat is tartalmaznak. Például Németországban egy nagyon kiterjedt gyűjteményt a Leibniz Institute DSMZ - német mikroorganizmusok és sejttenyészetek gyűjteménye (Braunschweig) tárol; hasonló létesítmények vannak például az USA-ban és Japánban. "Azonban ezek a gyűjtemények eddig lényegesen több ipari törzset tartalmaznak az iparosodott országokból" - magyarázza Loy. "Nem tudunk ennyit a fejlődő országok mikrobiómáiról." Annál is hasznosabbnak tartja ennek a hiánynak a megszüntetését és a szisztematikus mintagyűjtést a világ különböző régióiból.