Ваши кишечные бактерии — химические сыщики, вынюхивающие питательные вещества и даже подпитывающие друг друга, чтобы поддерживать процветание вашего микробиома.
Исследователи обнаружили, что полезные кишечные бактерии могут воспринимать широкий спектр питательных веществ и химических сигналов, направляя их к лучшим источникам пищи. Фото: Shutterstock
Микробиом кишечника, также называемый кишечной флорой, играет жизненно важную роль в поддержании здоровья человека. Это огромное и постоянно меняющееся сообщество микроорганизмов формируется в результате бесчисленных химических обменов, как между самими микробами, так и между микробами и организмом человека. Чтобы эти взаимодействия работали, кишечные бактерии должны быть способны обнаруживать питательные вещества и химические сигналы вокруг себя. Несмотря на их важность, ученые все еще относительно мало знают обо всем спектре сигналов, которые могут распознавать бактериальные рецепторы.
Остается открытым ключевой вопрос. Какие химические сигналы наиболее важны для полезных кишечных бактерий?
Выход за рамки патогенов в микробиологических исследованиях
До сих пор многое из того, что ученые понимали о бактериальном зондировании, было получено в результате изучения модельных организмов, особенно болезнетворных бактерий. Гораздо меньше внимания уделялось комменсалам, непатогенным или полезным микробам, которые естественным образом обитают в организме человека. Этот пробел заставил исследователей задуматься о том, какую химическую информацию эти полезные бактерии на самом деле обнаруживают в окружающей их среде.
Международная исследовательская группа под руководством Виктора Сурджика решила ответить на этот вопрос. В состав группы вошли ученые из Института наземной микробиологии имени Макса Планка, Университета Огайо и Университета Филипса в Марбурге. Их работа была сосредоточена на клостридиях, группе подвижных бактерий, обитающих в большом количестве в кишечнике человека, которые, как известно, поддерживают здоровье кишечника.
Кишечные бактерии обнаруживают широкий спектр питательных веществ
Исследователи обнаружили, что рецепторы микробиома кишечника человека способны распознавать удивительно широкий спектр метаболических соединений. Эти вещества включают продукты распада углеводов, жиров, белков, ДНК и аминов. Благодаря систематическому скринингу команда также выявила четкие закономерности. Различные типы бактериальных сенсоров показали различные предпочтения в отношении определенных классов химических веществ.
Это открытие показало, что кишечные бактерии не реагируют случайным образом на окружающую среду, а избирательно реагируют на определенные метаболические сигналы.
Лактат и формиат выделяются в качестве ключевых сигналов
Объединив лабораторные эксперименты с биоинформационным анализом, исследователи выявили множество химических лигандов, которые связываются с сенсорными рецепторами, контролирующими движение бактерий. Эти рецепторы помогают подвижным бактериям обнаруживать питательные вещества, которые особенно ценны для роста. Результаты показывают, что движение этих бактерий в основном обусловлено поиском пищи.
Среди всех протестированных химических веществ молочная кислота (лактат) и муравьиная кислота (формиат) чаще всего оказывались раздражителями. Это говорит о том, что эти соединения могут служить особенно важными источниками питательных веществ для кишечных бактерий.
Перекрестное кормление поддерживает здоровый микробиом
Некоторые кишечные бактерии могут самостоятельно вырабатывать лактат и формиаты, что подчеркивает важность «перекрестного питания». В этом процессе один вид бактерий выделяет метаболиты, которые другие виды используют в качестве пищи. Такое сотрудничество помогает стабилизировать экосистему кишечника.
«Эти домены, по-видимому, важны для взаимодействия между бактериями в кишечнике и могут играть ключевую роль в здоровом микробиоме человека», — объясняет Вэньхао Сюй, научный сотрудник исследовательской группы Виктора Сурджика и первый автор исследования.
Открытие новых сенсорных рецепторов
Благодаря систематическому анализу множества сенсоров команда определила несколько ранее неизвестных групп сенсорных областей. Эти новые сенсоры специфичны для лактата, дикарбоновых кислот, урацила (структурного элемента РНК) и короткоцепочечных жирных кислот (КЖК).
Исследователи также определили кристаллическую структуру недавно открытого двойного сенсора, который реагирует как на урацил, так и на ацетат. Это позволило им понять, как эти молекулы связываются с сенсором на молекулярном уровне. Сенсор принадлежит к большому семейству сенсорных доменов с разнообразными функциями.
Эволюция демонстрирует удивительную гибкость
Изучая эволюционные взаимосвязи между урациловыми сенсорами и смежными сенсорными областями, команда обнаружила, что специфичность лиганда может относительно легко изменяться с течением времени. Эта гибкость помогает объяснить, как бактерии адаптируют свои сенсорные способности к изменениям окружающей среды.
«Наш исследовательский проект значительно расширил понимание сенсорных способностей полезных кишечных бактерий», — говорит Виктор Сурджик. «Насколько нам известно, это первый систематический анализ сенсорных предпочтений немодельных бактерий, которые заселяют определенную экологическую нишу. Заглядывая вперед, можно сказать, что наш подход может быть аналогичным образом применен для систематического изучения сенсорных предпочтений в других микробных экосистемах».