СИБИРСКИЕ УЧЁНЫЕ СЕКВЕНИРУЮТ «ВТОРОЙ ГЕНОМ» ЧЕЛОВЕКА

Расшифровав геном человека, научное сообщество решило пойти дальше и рассекретить геном всех бактерий и вирусов, которые в нём живут. О том, как сибирские учёные участвуют в изучении метагенома человека и почему бактерии из йогурта не приживаются в организме COPAH.info рассказали директор Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН академик Валентин Викторович Власов и руководитель ЦКП СО РАН «Геномика» кандидат биологических наук Марсель Расимович Кабилов.

«Все уже знают, что в рамках международной программы учёные расшифровали геном человека, и это стало большим достижением в биологии. Теперь возникла идея выяснить, какие же микроорганизмы живут в организме человека, как они с ним взаимодействуют и что делают. По количеству и разнообразию генов - метагеном намного больше, чем геном человека, поэтому новая задача на порядок сложнее. Ещё дело в том, что геном человека более или менее единообразен для разных людей, а состав микроорганизмов меняется в зависимости от генетики человека, от характера питания, от того болеет человек или нет и от многих других факторов», - сообщил В.В.Власов.

Чем микроорганизмы заслужили такое внимание?

Микроорганизмы внутри нас и на поверхности тела, c одной стороны, могут вызывать заболевания, а с другой, являются неотъемлемой частью нашего организма, даже скорее органом, без которого человек попросту не может жить. Например, микроорганизмы кишечника участвуют в усвоении пищи и продуцируют витамины, которые человек сам по себе производить не может.

«В конце 2007 года был организован международный консорциум «Микробиом человека», крупнейшими программами которого стали «Human Microbiome Project», реализуемый в США, и европейский проект «MetaHIT». Американская программа была изначально нацелена на изучение около 20 сообществ микроорганизмов здорового человека. Европейские ученые сосредоточились на желудочно-кишечном тракте, включив в исследование не только здоровых людей, но и пациентов с болезнью Крона (воспалительное заболевание желудочно-кишечного тракта) и тех, кто страдает ожирением. В международный консорциум вошли также национальные программы Канады, Японии, Кореи, Австралии и других стран», - рассказал М.Р.Кабилов.

«В рамках программы «Human Microbiome Project» на первом этапе работы учёные изучили и охарактеризовали микроорганизмы, которые живут в теле здорового человека. Для этого выбрали двести человек и взяли у них образцы микробов с различных поверхностей и из полостей тела. Одни и те же пациенты сдавали эти анализы в течение длительного времени, в результате чего были получены сведения о том, где какие виды бактерий живут», - сообщил В.В.Власов. - «Затем, проект стал развиваться вширь: учёные сравнили микрофлору городского и деревенского населения, жителей разных стран, появились попытки найти зависимость между заболеваниями и наличием тех или иных микроорганизмов у человека».

Ученые России участвуют в исследовании микробиома человека довольно активно. В середине сентября в Москве в Институте общей генетики РАН состоялся семинар, где российские и американские группы исследователей, которые занимаются метагеномной проблематикой, в режиме скайп-конференции обсуждали полученные результаты.

Так исследователи из НИИ физико-химической медицины поставили перед собой задачу выяснить, насколько различается состав микроорганизмов у городского населения, которое питается относительно стандартно обработанной пищей, и у тех, кто живёт в сельской местности. Как и предполагалось, у жителей деревень разнообразие микроорганизмов оказалось существенно больше. Учёные сравнили свои результаты с данными, полученными в США, в Южной Америке и Африке. Оказалось, что в США, где пища обрабатывается строго регламентированным образом, микрофлора кишечника человека также сильно отличается от набора микроорганизмов, которые обитают в желудочно-кишечном тракте людей из стран Южной Америки, Африки и России.

В.В. Власов отметил особенно интересную работу в Институте общей генетики РАН. Учёные пытаются найти связь между наличием определённых микроорганизмов и недугами человека, которые пока имеют неизвестную природу: нейродегенеративные заболевания - болезнь Альцгеймера, шизофрения и др.

Правда ли, что в йогуртах живут пробиотики?

В мире большое внимание уделяется исследованиям, связанным с пробиотиками. «Полезные микроорганизмы необходимы человеку. К сожалению, большинство коммерческих продуктов, заявленных как источники полезных организмов, в действительности жизнеспособных бактерий вовсе не содержат, потому что обработаны консервантами. В некоторых кисломолочных пробиотики содержатся, но, к сожалению, они в нашем организме не приживаются, в том числе потому что они были выделены из организма европейца, у которого микрофлора отличная от нашей. Это доказано исследованиями американских ученых», - отметил Власов.

Как объясняет собеседник, прижиться в организме имеют шанс лишь некоторые бактерии, которые могут адаптироваться к конкретному организму, именно с ними и нужно работать.

«Сейчас речь идёт о создании персонализированных пробиотиков для конкретных пациентов, этим занимаются в институте общей генетики РАН. Для реализации такого подхода нужно взять у человека полезные лактобактерии, вырастить их, а затем доставить желудочно-кишечный тракт человека, когда возникнет необходимость. Такие эксперименты проводились на космонавтах и показали очень хорошие результаты», - сообщил Власов.

У космонавтов, подводников, и других, работающих в замкнутых пространствах, наблюдаются очень неблагоприятные изменения в спектре бактерий, живущих в организме. Чтобы этот баланс восстановить, им необходимо принимать специальные пробиотики, изготовленные из коктейля их собственных бактерий.

Руководитель ЦКП «Геномика» М.Р. Кабилов рассказал, как в рамках масштабного эксперимента «Марс-500» учеными института медико-биологических проблем РАН, МГУ и центра биоинженерии РАН исследовалась микробиота людей, находящихся в изолированной системе, и влияние на нее различных пробиотиков. «Это был международный проект: интернациональную команду из трех россиян, француза, испанца и китайца на 520 дней поместили в замкнутую изолированную систему, таким образом, симулируя полёт на марс. «Марсонавты» работали в условиях максимально приближенных к реальным космическим объектам, при этом периодически у них брали образцы и анализировали состав микробиоты кишечника: известный факт, что при попадании человека в замкнутое пространство микрофлора меняется в худшую сторону. Для попытки поддержания здоровья участников эксперимента использовали различные пробиотики как отечественного, так и зарубежного производства, чтобы посмотреть, какие изменения происходят», - прокомментировал Кабилов.

Бактерии как индикаторы рака - исследование сибирских учёных

Как сообщил М.Р.Кабилов, проект, которым занимаются учёные ИХБФМ СО РАН, называется «Метагеномный анализ микрофлоры у больных онкологическими заболеваниями желудочно-кишечного тракта».

Уже доказано, что наличие некоторых штаммов бактерий может приводить к появлению злокачественных новообразований. С другой стороны, возникновение такой опухоли в желудочно-кишечном тракте не может не повлечь за собой изменение состава микрофлоры. «Понятно, что обнаружение таких бактерий потенциально может открыть пути либо к разработке методов профилактики, либо ранней диагностики рака», - рассказал Кабилов.

Марсель Расимович возглавляет Центр коллективного пользования СО РАН «Геномика», сотрудники которого работают над этим проектом. «У нас есть договоренность с новосибирскими онкологами о предоставлении образцов от пациентов, которые впервые обратились с проблемами, связанными с кишечником. В том случае, если у них находят злокачественную опухоль, мы берём образцы крови, кала, биопсию опухоли и здоровой части кишечника. ЦКП «Геномика» обладает современными приборами для геномных исследований. С помощью этих высокопроизводительных платформ планируется за следующий год проанализировать микробиомы около ста пациентов», - сообщил М.Р.Кабилов.

По словам собеседника, понять, какие именно микроорганизмы составляют микрофлору человека - это только полдела. Марсель Расимович предлагает аналогию с толпой людей, в которой есть неизвестный преступник. «Вот вы проанализировали, кто это, и обнаружили определенное число китайцев, арабов, американцев и других людей. Но это нам, на самом деле, ни о чём не говорит. Необходимо понять, чем занимается каждый из этих людей. Именно поэтому мы анализируем не просто видовой состав бактерией, но и пытаемся распознать, что делает каждая из них, выстраивая метаболические цепи», - отметил Кабилов.

Бактерии - это наши симбионты, они помогают нам, например, переваривать пищу, если мы говорим про кишечник. Потому что есть вещества, которые человеческий организм не умеет ни синтезировать, ни переваривать, и только благодаря бактериям у нас появляется такая возможность.

«Когда вещество поступает в кишечник, его расщепляют соответствующие ферменты, причем это целый конвеер, в котором для получившегося продукта есть следующий фермент. Именно такие метаболические цепочки мы пытаемся восстанавливать и изучать», - уточнил Марсель Расимович.

Исследователи получают из больницы образцы и выделяют из них ДНК. Прочитав параллельно сотни миллионов коротких участков ДНК, учёные собирают из них с помощью биоинформатических подходов более протяженные последовательности, которые и анализируются. Для этого используются базы уже просеквенированных бактериальных геномов, которые позволяют понять к какому гену относятся обнаруженные нуклеотидные последовательности и какие ферменты им кодируются. Получив эту информацию, мы выстраиваем метаболические цепочки», - рассказал Марсель Расимович.

По словам учёного, в микробиоме человека в десять раз больше клеток, чем самом организме, а вес бактерий, обитающих в нашем кишечнике около 3 килограмм. Исследование метагенома - это дорогостоящее занятие, так как один запуск секвенатора стоит около 400 тыс. рублей. Сейчас мы за один такой запуск обрабатываем ДНК из образцов шести пациентов. «После анализа данных у нас появится понимание насколько можно увеличить количество образцов, чтобы снизить стоимость секвенирования метегенома одного пациента», - отметил М.Р.Кабилов.

«Предстоит очень большая работа. Ведь с бактериями всё более менее понятно, но ведь это сообщество состоит не только из бактерий, но ещё и из других микроорганизмов и вирусов. Поэтому для изучения микробиома нужно использовать комплексный подход», - сообщил Кабилов.

Автор: Ангелина Иванова