10% Human. Как микробы управляют людьми

В 1983 году профессор Дженни Брэнд-Миллер стала матерью. Уже через несколько дней ей пришлось погрузиться в изучение детских колик. Ее новорожденный сын безутешно плакал, хотя был, по-видимому, абсолютно здоров. Ранее Брэнд-Миллер и ее муж участвовали в исследованиях непереносимости лактозы – неспособности некоторых людей переваривать молочный сахар (лактозу) при помощи фермента лактазы. Теперь они задумались: а вдруг причиной колик стала как раз такая непереносимость? Муж Брэнд-Миллер решил найти ответ на этот вопрос в своей диссертации и провел испытание капель с ферментами лактазы для младенцев, страдавших от колик, с применением плацебо для проверки объективности опыта. Увы, особой разницы не выявилось: младенцы, получавшие лактазу, продолжали плакать ровно столько же, сколько младенцы, которым давали плацебо. Но обнаружилось одно различие – в количестве водорода, которое выдыхали младенцы с коликами и младенцы без колик.

Это определило дальнейший ход рассуждений. Избыток водорода в дыхании указывает на то, что кишечные бактерии занимаются расщеплением пищи. Однако расщеплять лактозу на глюкозу и галактозу должны ферменты, вырабатываемые самим организмом. Если бактерии выделяют водород, значит, им достается очень много еды; можно предположить, что к ним поступают какие-то другие молекулы, не подвергшиеся расщеплению в тонкой кишке. Брэнд-Миллер знала, что немалую часть грудного молока составляет набор веществ, которые называются олигосахаридами. Эти молекулы считались бесполезными, так как в человеческом организме нет ферментов для их расщепления. И тут ее с мужем посетила догадка: а что, если эти олигосахариды должны кормить не самого младенца, а его кишечных бактерий?

Олигосахариды – это углеводы, состоящие из коротких цепочек простых сахаров (олиго– в переводе с греческого значит «мало», «немного»). В женском грудном молоке их содержится огромное количество – в сумме около 130 различных видов. Их там гораздо больше, чем в молоке любого другого биологического вида: например, в коровьем молоке присутствует всего несколько видов олигосахаридов. В пище взрослых людей нет ничего, что содержало бы такие молекулы. Однако они вырабатываются в грудных железах беременных и кормящих женщин. Здесь, очевидно, и стоит искать ответ на вопрос об их предназначении: если железы производят какое-то вещество, значит, оно служит каким-то целям?

Чтобы проверить гипотезу, Брэнд-Миллер и ее муж провели эксперимент. Они измерили количество водорода, выдыхаемое младенцами: сначала после того, как им давали с водой глюкозу, а потом – после того, как к воде добавлялись очищенные олигосахариды. После глюкозы водорода не становилось больше: это указывало на то, что она усваивалась в тонком кишечнике, а не расщеплялась кишечными бактериями. А вот после смеси с олигосахаридами уровень водорода значительно увеличился: значит, эти вещества «проскакивали» через тонкую кишку и кормили не самого младенца, а его кишечную микрофлору.

Сейчас уже известно, что олигосахариды выступают важным инструментом, заставляющим полезные виды микробов «прорастать из семян» зачаточной кишечной микрофлоры младенца. У младенцев, находящихся на грудном вскармливании, преобладают лактобациллы и бифидобактерии. В отличие от человеческого организма бифидобактерии производят ферменты, которые способны расщеплять исключительно олигосахариды. При этом продуктами их жизнедеятельности становятся чрезвычайно важные короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК) – масляная кислота (бутират), уксусная (ацетат), а также особенно ценная для младенцев молочная кислота (лактат). Все они питают клетки толстой кишки и играют чрезвычайно важную роль в развитии иммунной системы ребенка. Проще говоря, олигосахариды из грудного молока нужны младенцам для того же, для чего взрослым людям нужны волокна из растительной пищи.

Однако олигосахариды, содержащиеся в грудном молоке, не только служат пищей для бактерий. В первые дни и недели жизни младенца его кишечная микрофлора крайне проста и крайне неустойчива. Численность колоний разных штаммов бактерий то повышается, то снижается. Это делает микробное сообщество уязвимым при возникновении опасности. Достаточно одного-единственного патогенного штамма – например, Streptococcus pneumonia, – чтобы посеять смуту в рядах полезных видов и истребить множество штаммов. В таких случаях олигосахариды помогают очистить территорию от противника. Прежде чем вредоносная бактерия причинит какой-либо ущерб, она должна пристать к стенке кишечника при помощи специальных пилей (или фимбрий), имеющихся на поверхности любой бактерии. К этим пилям и прикрепляются олигосахариды, лишая патогенные виды способности закрепиться в кишечнике ребенка. Известно, что среди общего числа видов (около 130) десятки «специализируются» на нейтрализации конкретных патогенов: они подходят к их пилям с такой же точностью, с какой ключ подходит к своему замку.