Вырваться из этого круга поможет только более качественная и быстрая диагностика. Уже разработана технология так называемой полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая позволяет относительно быстро и с высокой достоверностью выявлять ряд патогенных микроорганизмов. Она особенно полезна в тех случаях, когда нужно отличить бактериальную инфекцию от вирусной, против которой антибиотики бессильны (вирусы имеют другую природу, чем бактерии, так что, если вы подхватили вирус, вам нужны соответствующие противовирусные препараты). Будем надеяться, что в ближайшем будущем эта технология перекочует из научно-исследовательских лабораторий в больницы.
Если у вас бактериальная инфекция, то для ответа на вопрос, насколько опасен данный штамм и устойчив ли он к антибиотикам, потребуется культивирование, антитела и анализ ДНК. Это займет несколько дней, а к тому времени может быть слишком поздно. Новые, более быстрые технологии, такие как лазерная масс-спектрометрия (использующая выгорание образца и очень точное взвешивание на молекулярном уровне) и усовершенствованное секвенирование ДНК, могут ускорить этот процесс и спасти многие жизни. Эти технологии уже на горизонте: пока что они имеются только в научно-исследовательских лабораториях, но уже через несколько лет можно будет провести клинические испытания и получить одобрение FDA. Пусть эти технологии не были доступны для моей дочери в начале ее жизни, но я настроен оптимистично: к тому времени, когда она вырастет, медицина станет гораздо умнее. Если мы сумеем использовать антибиотики только при необходимости и очень селективно, мы не только пролонгируем полезное действие антибиотиков, но и нанесем меньший ущерб своим микробиомам.
7. Будущее
К тому времени, когда вы будете читать эти строки, мы будем знать о микробиоме уже гораздо больше, чем сейчас, когда пишется эта книга. Скорость, с которой развивается наука о микробах, столь же удивительна, как и те открытия, которые она совершает: открытия, которые обещают переосмыслить и углубить понимание того, как работают наши тела – и даже наш разум.
За какие-то несколько лет мы прошли путь от простой констатации того факта, что в нашем теле больше микробных клеток, чем человеческих, до открытия, что количество их генов во много раз превышает количество наших. И сейчас мы двигаемся еще дальше – к осознанию того, что скоро при помощи микробов мы сможем объяснить почти все неразгаданные до сих пор загадки нашего здоровья и наших болезней. Лишь в последние пару лет благодаря резкому удешевлению технологий каждый человек получил возможность при желании определить свое место на микробной карте и узнать, как он связан с другими людьми. Сегодняшний день – это необычайно интересное время для изучения микробов, и все, что нужно, чтобы начать это изучение, – взять у себя мазок ватной палочкой.
Новый передний край науки изучения микробов находится за пределами нашего организма. Мы начинаем исследовать всемирную связь микробов. Те же технологии, которые позволяют нам расшифровать микробиом человека, можно приложить к изучению домашних животных, скота, диких животных и планеты в целом. Вооруженные этими новыми знаниями, мы можем рассматривать микробов как сеть, соединяющую здоровье людей и животных и окружающую среду, – и, возможно, в конце концов мы сможем понять, как улучшить микроскопические экосистемы, в которых живем мы и которые живут в нас.
Нас ждет много интереснейших потенциальных прорывов. Вот чего можно ожидать:
• будут разработаны основанные на вашем микробиоме тесты, которые предскажут, как вы будете реагировать на те или иные обезболивающие и сердечные препараты и искусственные подсластители;
• мы будем лучше понимать, как наше тело, в том числе его микробы, реагирует на диеты и физические упражнения и что лично вы должны сделать, чтобы стать более здоровым;
• мы будем лучше понимать, как работает фекальная трансплантация: можно ли использовать кал любого человека, или нужно тщательно подбирать донора для каждого пациента? И можно ли использовать фекальную вытяжку в виде пилюль? (Хорошо-хорошо, я понимаю, что такая перспектива может вдохновить только микробиолога.)
А на горизонте уже маячат еще более провокационные вопросы:
• Можем ли мы создать микробные сообщества, которые будут предотвращать ожирение у людей, подобно тому, как мы уже умеем предотвращать его у мышей?
• Можем ли мы создать микробные сообщества, которые будут жить у нас на коже и отпугивать комаров? (У Аманды к этой проблеме свой, поистине шкурный, интерес.)
• Можно ли использовать микроорганизмы не только для диагностики, но и для лечения широкого круга заболеваний, к которым, как мы теперь знаем, они имеют самое прямое отношение?
Нам предстоит еще долгий путь в мир микробов, и на этом пути нас ожидает множество открытий. Мы уже очень хорошо умеем определять, какие микроорганизмы присутствуют в конкретной экосистеме, но мы еще очень мало знаем о том, чем именно они занимаются, как общаются между собой или с нами. Мы также не знаем, какими могут быть непредвиденные последствия нашего вмешательства, будь то использование антибиотиков с целью избавиться от вредных бактерий или введение в организм новых видов микробов (при изменении диеты, контактах с новыми людьми или животными, окружающей средой в целом). Сегодня проблема во многом состоит в том, что мы изменяем свой микробиом каждый день, однако делаем это произвольно и нецеленаправленно. Огромные возможности науки о микробах по-настоящему откроются, когда мы поймем, что нужно делать, чтобы достичь желаемого эффекта в существующей внутри нас экосистеме.
Чтобы приблизиться к ответу на эти вопросы, сотни ученых участвуют в проектах “Микробиом человека”, “Микробиом Земли” и “Нутро Америки” (American Gut) вместе с тысячами добровольцев, которые поддерживают эти исследования и денежными пожертвованиями, и предоставлением своих биологических материалов.
Проект “Микробиом человека” (так же, как и известный проект “Геном человека”) направлен на составление генетического реестра здорового микробиома и отклонений, которые характерны для определенных заболеваний. Проект “Нутро Америки” (American Gut) стремится расширить этот реестр, повышая разнообразие путем привлечения огромного количества участников, больных и здоровых. Проект “Микробиом Земли” надеется выйти за пределы человеческого организма и изучить микробные сообщества в экосистемах нашей планеты.
Все три проекта – это не только новаторские концепции, но и практические предприятия: они нацелены на то, чтобы мы поскорее смогли перейти от описания к предписанию, от научных статей к рецептам. Предстоящие исследования создадут не просто подробную карту микрофлоры человека, но также нечто вроде микробного GPS – руководства, которое подскажет, где мы находимся, куда хотим попасть и как туда добраться.
Приложения “Нутро Америки” (American Gut)
Вы хотите узнать больше подробностей о собственном микробиоме? Определить свое место на подробной карте микрофлоры? Тогда у меня для вас есть предложение.
В 2012 году, вскоре после Дня благодарения (когда очень многие по необходимости вспоминают о том, что у них есть кишечник), мы с микробиологом Джеффом Личем основали проект, который назвали “Нутро Америки” – American Gut[140]. Он открывает для широкой публики возможности тех технологий, которые мы уже прежде использовали в проекте “Микробиом человека”.
Прорыв, который произошел в последние годы в технологии ДНК-секвенирования, во много раз удешевил этот метод. Проект осуществляется в рамках “гражданской науки”, то есть с привлечением широкого круга добровольцев, которые необязательно должны иметь специальную подготовку. И сегодня мы можем предложить вам, заинтересованному гражданину и любознательному естествоиспытателю, возможность за весьма скромную плату принять участие в захватывающем исследовании. Пожертвовав проекту 99 долларов или более, вы можете проанализировать образец вашего микробиома. Если вы пожертвуете большую сумму, то вам будет доступна услуга, которую мы назвали “Неделя фекалий”. Цель проекта – разобраться, какие микробиомы существуют в каждом человеке.
Насколько нам известно, American Gut – наиболее крупный из краудфандинговых проектов “гражданской науки”. На момент написания этих строк в нем участвуют уже тысячи людей. Все данные становятся известны широкой публике – разумеется, на условиях анонимности каждого участника и максимально возможной защиты неприкосновенности частной жизни, – так что заинтересованные исследователи, преподаватели и просто любознательные люди могут воспользоваться этими данными. В отличие от обычных исследований, результаты которых очень долго, иногда годами, лежат под спудом в ожидании публикации, в нашем проекте все данные публикуются немедленно, что позволяет нам обнаруживать все новые виды различных взаимосвязей, и все они становятся предметом следующего, углубленного и тщательно контролируемого, исследования.
Масштабы проекта постоянно расширяются по мере того, как к нему присоединяется все больше и больше людей, желающих внести свои данные в картирование микробиома.
Так что не стесняйтесь, присылайте нам свои доллары (а также евро, йены или рубли – проект открыт для международных участников), мы вышлем вам набор для взятия образцов, и вы сможете отправить нам свои фекалии. Или просто подарите набор любимому человеку или коллеге – в конце концов, когда еще представится шанс узнать, из какого именно дерьма мы все состоим?
Наука (и искусство) картирования микробиомаЕсли то, что вы слышали или читали о микробиоме, кажется вам слишком специальным или слишком противоречивым, то это потому, что микробиом и в самом деле не бином Ньютона. Он гораздо сложнее.
Причем одна из самых сложных задач – понять, а с чем, собственно говоря, мы имеем дело.
С точки зрения ДНК все люди, в сущности, одинаковы[141]. Но на микробном уровне наши сходства быстро превращаются в различия. В одном и том же органе или части тела двух человек часто содержатся совершенно разные микробные сообщества (и даже если общие виды имеются, то их количество и соотношение существенно разнятся). Возьмите любых двух человек и исследуйте по одной микробной клетке из стула каждого из них. Только в одном случае из десяти окажется, что обе клетки относятся к одному и тому же виду[142]. В то же время если вы сопоставите геномы этих же двух человек, то они совпадут на 99,9 %. Геном наших микробов не только гораздо разнообразнее, чем наш собственный, но и типы микроорганизмов у разных людей очень различаются.
На этом месте вы можете спросить: а откуда вы знаете, что наши микробы такие разные? Микроб – он и есть микроб. Lactobacillus – всегда Lactobacillus. Оказывается, не всегда.
Количество разновидностей микробов, которые удается обнаружить, зависит от способа исследования. Для определения разнообразия недостаточно простого подсчета отдельных видов. Дело в том, что количество видов, которые мы можем найти, тоже зависит от того, насколько старательно и тщательно мы ищем. Представьте себе, что вам нужно посчитать, сколько и каких именно рыб плавает в пруду. Если вам удалось выловить трех рыбок, это еще не дает вам оснований предполагать, что это и есть все население пруда. Если эти три рыбы – две форели и окунь, это еще не означает, что в пруду водятся только форели и окуни и что их соотношение непременно составляет два к одному. Ваш улов зависит от того, когда и как вы ловите и сколько раз вы забрасываете удочку или сеть.
Дело еще больше усложняется, когда мы пытаемся дать определение, что именно считать уникальным видом микроорганизмов. Когда речь идет о животных, это сравнительно легко: если два животных могут скрещиваться и давать способное к размножению потомство, то они по определению принадлежат к одному виду. Но микроорганизмы редко размножаются половым путем.
А когда это случается, то они могут обмениваться генетическим материалом не только между видами, но и еще гораздо шире: например, бактерии умеют скрещиваться и с другими бактериями, и с археями – и даже с эукариотами и вирусами. Это как если бы рыба могла скрещиваться с водорослями или с водомерками – насекомыми, живущими на поверхности воды! Тем не менее у бактерий нечто подобное происходит.
Есть еще одна проблема: очень немногие микроорганизмы готовы расти в лаборатории. Однако именно это требуется, чтобы вид получил официальное название и описание. Возвращаясь к рыбной аналогии: это все равно что выудить редкостную глубоководную рыбину, которая раздувается и лопается, прежде чем вы успеваете доплыть до берега и идентифицировать ее вид.
Правда, есть обходной путь. Пусть мы не можем вырастить многих микробов в лаборатории, но мы все равно можем выделить и проанализировать их ДНК и на основании этого решить, содержит ли их геном достаточно отличий, чтобы считаться отдельным видом. Мы также можем полностью отказаться от концепции вида и оценивать разнообразие по филогенетическому дереву – аналогу древа жизни, придуманному Дарвином и усовершенствованному Вёзе и Фоксом (см. стр. 8–9); микробное сообщество, которое занимает большую часть дерева, считается более разнообразным. Это полезный подход, потому что он позволяет назвать пруд, в котором обнаружено три вида форели, менее разнообразным, чем тот, в котором водятся форель, окунь и пескарь.
Наконец, вы должны решить, интересует ли вас только общее число видов, или вы хотите узнать, сколько особей каждого вида имеется в наличии в данной системе, и таким образом оценить количественное соотношение популяций. Почему это важно? Потому что если вы будете учитывать только количество видов, то пруд, в котором плавают одна форель, один окунь и тысяча пескарей, будет считаться таким же разнообразным, как тот, где насчитывается только по одному представителю каждого вида. В зависимости от того, какой аспект существования экосистемы вы рассматриваете, этого может быть и достаточно. Но в некоторых случаях – нет. Определяя, что считать разнообразием в конкретной экосистеме, приходится принимать множество решений.
Далее, вы можете захотеть сравнить между собой две экосистемы – два разных микробных сообщества. Для этого микробиологи используют метод уникального (индивидуального) фракционирования, или UniFrac[143], который позволяет изучить историю эволюционных изменений, разделивших эти два сообщества.
Кэти Лозьюпоун, одна из моих первых студенток, а ныне профессор медицинской школы Аншуц при Университете Колорадо, разработала этот метод и очень элегантно изложила его в своей докторской диссертации. Вначале мы наносим микробное сообщество на филогенетическое древо. Затем, используя статистический метод анализа главных компонент, вычисляем количество возможных вариантов отличия одних микробных сообществ от других.
Если вам это кажется китайской грамотой – или вы слишком давно изучали линейную алгебру (если вообще изучали), – не пугайтесь. Существуют компьютерные алгоритмы, которые делают эти вычисления за нас. Главное, что этот метод позволяет получить точную карту связей между микробными сообществами и выявить похожие сообщества, соседствующие на древе жизни.
Имея эту информацию, мы можем связать микробиом с конкретными заболеваниями. Чаще всего мы используем для этого кросс-секционный анализ: отбираем группу больных и группу здоровых людей и затем сравниваем их микробиомы. Кросс-секционные исследования позволили установить связь между кишечными микробами у людей и ожирением[144][145] диабетом первого[146][147][148] и второго[149][150][151][152] типов, воспалительными заболеваниями кишечника[153][154][155][156], синдромом раздраженного кишечника[157], раком толстого кишечника[158][159][160][161][162], заболеваниями сердца[163][164], ревматоидным артритом[165] и целым рядом других расстройств. Кросс-секционные исследования очень информативны, потому что когда мы выявляем значительные отличия между больной и здоровой группами, то понимаем, что за этим что-то кроется. Чтобы выяснить, действительно ли различные микроорганизмы вызывают определенные заболевания, необходимы дополнительные исследования.
“Золотой стандарт” кросс-секционных исследований – построение прогностической модели. Используя такую модель, можно взять данные некоторой выборки людей – больных или здоровых – и предсказать, больна или здорова остальная часть группы. Что и было успешно проделано для диабета[166][167], ожирения[168], воспалительных заболеваний кишечника[169]. Интересно, что конкретные биомаркеры (виды микроорганизмов или гены, связанные с болезнью) в разных популяциях отличаются, например шведские от китайских при диабете второго типа. Таким образом, было бы преждевременно связывать определенные организмы с определенными болезнями на основании того, что мы узнали из кросс-секционных исследований, потому что то, что мы считаем патогеном, в разных популяциях может варьироваться.
Уникальность проекта “Микробиом человека” состоит в том, что он направлен в большей степени на здоровых, чем на больных. Проект позволил выявить, что на удивление большое количество тщательно проверенных здоровых добровольцев – до 30 процентов – являлись носителями микробов, которые считаются опасными патогенами, в том числе Staphylococcus aureus – золотистого стафилококка. Эти люди были, без сомнения, здоровы, что заставляет предположить, что многие из нас являются носителями организмов, которые вызывают болезнь только при определенных условиях. Вспомните о сорняках: они представляют проблему, только если растут там, где не должны расти. И это подсказывает нам, что, может быть, стоит переключиться с вопроса “Какие микробы “плохие”, как избежать контакта с ними или избавиться от них?” на вопрос “Почему одни и те же микробы безвредны для одних людей, но смертельно опасны для других?”.