Новое исследование, проведенное Оксфордским университетом, продемонстрировало, что разнообразные сообщества бактерий-резидентов могут защитить кишечник человека от болезнетворных микроорганизмов.
Ученые обнаружили, что защитные сообщества блокируют рост вредных патогенов, потребляя питательные вещества, в которых нуждается патоген.
Кишечник человека является домом для сотен различных видов бактерий, известных под общим названием кишечный микробиом. Основная польза для здоровья, которую они обеспечивают, заключается в защите кишечника от проникновения патогенов (болезнетворных микроорганизмов), которые могут вызвать опасные инфекции. Но до сих пор было неясно, как возникает этот защитный эффект и играют ли определенные виды бактерий более важную роль, чем другие.
Чтобы исследовать это, исследователи из Оксфордского университета протестировали 100 различных штаммов кишечных бактерий по отдельности и в комбинации на их способность ограничивать рост двух вредных бактериальных патогенов: Klebsiella pneumoniae и Salmonella enterica. Отдельные кишечные бактерии продемонстрировали очень слабую способность ограничивать распространение любого из патогенов. Но при совместном культивировании сообществ до 50 видов патогены размножались в 1000 раз менее эффективно, чем при культивировании с любым отдельным видом. Этот «эффект защиты сообщества» наблюдался независимо от того, культивировались ли бактерии вместе во флаконах или у «свободных от микробов» мышей (у которых в начале экспериментов не было постоянных кишечных бактерий).
Автор исследования профессор Кевин Фостер (факультет биологии и биохимии Оксфордского университета) сказал: «Эти результаты ясно демонстрируют, что устойчивость к колонизации является коллективным свойством сообществ микробиомов; другими словами, один штамм является защитным только в сочетании с другими».
Однако исследователи обнаружили, что члены бактериальных сообществ, а не только общее разнообразие, оказывают решающее влияние на уровень защиты. Было установлено, что определенные виды необходимы для защиты на уровне сообщества, даже несмотря на то, что сами по себе эти виды обеспечивают слабую защиту.
Исследователи продемонстрировали, что защитные бактериальные сообщества блокируют рост патогена, потребляя питательные вещества, в которых нуждается патоген. Оценив геномы различных видов бактерий, они обнаружили, что наиболее защитные сообщества состояли из видов с очень сходным белковым составом с патогенными видами. Они также использовали метаболическое профилирование, чтобы продемонстрировать, что защитные виды имеют те же потребности в источниках углерода, что и патогены.
Фрэнсис Спрэгг из факультета биологии и биохимии Оксфордского университета добавила, что важно отметить, что, хотя увеличение разнообразия микробиома повышает вероятность защиты от этих патогенов, ключевым фактором является совпадение профилей использования питательных веществ между сообществом и патогеном. Некоторые виды, играющие решающую роль в защите сообщества, демонстрируют высокую степень метаболического совпадения с патогеном и, следовательно, схожие потребности в питательных веществах.
Ученые использовали этот принцип блокирования питательных веществ для прогнозирования сообществ бактерий, которые обеспечивали бы слабую и сильную защиту от другого патогена: штамма кишечной палочки, устойчивого к противомикробным препаратам. При экспериментальном тестировании сообщества, которые имели наибольшее совпадение питательных веществ со штаммом E. coli, были в 100 раз более эффективны в снижении численности патогена, чем сообщества, которые, по прогнозам, обеспечивали слабую защиту.
По мнению ученых, эти новые идеи могут быть использованы в новых стратегиях борьбы с вредными кишечными патогенами путем оптимизации сообществ кишечного микробиома. Они также могут объяснить, почему люди могут стать более восприимчивыми к таким видам, как K. pneumoniae, после приема антибиотиков, которые могут снизить разнообразие видов кишечного микробиома.