Скорее всего, вы считаете себя человеком. Ваше тело состоит из нескольких триллионов человеческих клеток, в каждой из которых содержится геном человека, и это подкрепляет ваше представление о собственной видовой идентичности. Но в вашем теле обитают, помимо вирусов, триллионы микроорганизмов – главным образом бактерий, а также архей и микроскопических эукариот; их так много, что, устрой вы всеобщее голосование, ваши человеческие клетки, вероятно, оказались бы в меньшинстве¹. Микробы населяют ваши рот, кожу и все теплые и влажные поверхности, которые вы только можете себе представить, но больше всего их в вашем кишечнике. Люди в этом не уникальны. В организмах всех животных обитает огромное число разнообразных кишечных микробов, и без этих компаньонов нам было бы очень сложно выжить. Микробные партнеры есть и у растений – их особенно много в зоне корней.

О существовании сообществ, которые часто называют кишечной микробиотой или кишечным микробиомом, мы знаем уже больше века. Однако наш интерес к ним резко возрос лишь в последние 20 лет, когда с технологической революцией в сфере секвенирования ДНК пришло понимание их важности. Прежде изучение бактерий редко могло обойтись без их выращивания в лабораторной культуре. Но, к несчастью, бактерии в большинстве своем упрямо отказываются сотрудничать и сейчас. Одни – нормальные обитатели человеческого кишечника, например, – погибают из-за избытка кислорода во внешней среде. Другие выживают лишь в особо кислых или щелочных условиях. Третьим требуются экзотические питательные вещества, скажем, производимые другими микробами. Выполнить эти условия возможно, но зачастую крайне проблематично, причем универсального решения для всех членов интересующего сообщества может и не быть. Именно поэтому, давно обнаружив кишечных микробов, мы до последнего времени знали о них так мало.

Все изменило секвенирование ДНК. Механику процесса мы разберем в третьей части книги, пока же нам достаточно вспомнить из первой главы, что мы можем создать множественные копии любой ДНК. Поместив их в аппарат, читающий геном, мы получим на выходе последовательность нуклеотидов A, Ц, Г и T, из которых состоят фрагменты ДНК. Эта техника применима к ДНК из любых источников, потому она радикально изменила наши представления об экологическом разнообразии. В прорывном исследовании 2004 года группа Крейга Вентера, одного из изобретателей современной технологии секвенирования ДНК, исследовала генетический состав микробиоты Саргассова моря². Превратив содержимое нескольких сотен литров воды в однородную массу, очистив и амплифицировав ее ДНК (как в первой главе), биологи обнаружили миллион прежде неизвестных генов сотен новых бактерий. Теперь мы с помощью секвенирования изучили множество сред, от почв до станций метро и от кончика языка до фекалий. (Геномы фекальных образцов – это, по сути, моментальные снимки, хотя и косвенные, микробного населения кишечника.)

Во всех этих средах мы находим густонаселенные экосистемы, богатые клетками и видами. Подобно тому, как мы поступали с органами, тканями и эмбрионами, мы можем задаться вопросом, помогут ли биофизические принципы разобраться в таких ансамблях. В главе 6, например, мы интересовались, зачем бактерии плавают, и нашли объяснение в их стремлении к «пастбищам» посытнее. Но справедливо ли это для обитателей неспокойной среды кишечника? Мы можем изучить, прибегают ли микробы к самосборке в осязаемые физические структуры или хотя бы в абстрактные сети биохимического обмена. А еще мы можем исследовать с помощью биофизических инструментов работу микробной экосистемы – например, воздействовать на схемы принятия решений у бактерий и оценивать последствия. В этой главе мы еще сильнее приблизимся к границам наших знаний, где пока сложно формулировать не то что ответы, а даже вопросы.

Каталогизация ДНК

Прежде чем вернуться к кишечному микробиому, я немного расскажу о двух общепринятых методах «переписи бактериального населения», опирающихся на сиквенсы ДНК. Первый задействует бактериальный ген 16S рРНК[37]. Здесь не так важно, что ген кодирует, – главное, что одни его области почти идентичны у всех видов бактерий, а другие различаются. После транскрипции в РНК консервативные области (белые на рисунке) соответствуют фрагментам, критичным для трехмерной организации молекулы рРНК. В вариабельных областях (серых и черных) зафиксированы миллиарды лет эволюционной изменчивости, в течение которых разные виды приспосабливали базовую архитектуру рРНК под несколько разные обстоятельства.

Получается, мы можем использовать один и тот же набор праймеров (см. главу 1), комплементарный одной или нескольким консервативным областям, чтобы запустить амплификацию ДНК любой бактерии и получить бессчетное количество копий всех генов 16S рРНК из нашего образца. Благодаря нескольким вариабельным участкам полные гены рРНК достаточно сильно различаются, и потому секвенирование полученных копий выявляет уникальную «подпись» каждого из видов – ген 16S рРНК напоминает нам одновременно и ручку, и отпечаток пальца.

Недостаток анализа 16S рДНК состоит в ограниченности результата простым перечислением бактерий в образце. Это все равно что получить список всех жителей города, лишенный каких-либо данных об их возрасте, профессиях, доходах, интересах и хоть чем-то, что помогло бы составить представление об этом городе. Если свежепрочитанная последовательность совпадает с 16S рДНК какой-то уже известной бактерии, мы можем зацепиться за эту информацию, однако такое бывает нечасто, ведь большинство бактерий нам неизвестно. Более того, у близкородственных штаммов последовательности 16S рДНК бывают неотличимыми друг от друга – как если бы горожан в нашем списке перечислили только по фамилиям, не расписав по отдельности, скажем, родных братьев и сестер.

Альтернативный подход называется методом дробовика. В этом случае мы амплифицируем и читаем геномные ДНК, предварительно разбитые на случайные, подходящие размером для секвенирования фрагменты, а затем в специальной программе собираем все прочтения в единые геномы. Представьте, например, что у вас есть куски предложений, написанных на полосках бумаги, и каждое из предложений скопировано множество раз. Вот эти куски: «много раз до смерти», «ни хорошего, ни плохого; это размышление делает все таковым», «не жребий наш», «нет ничего ни хорошего, ни», «трус много раз до смерти умирает», «не жребий наш – мы сами виноваты»[38]. Даже если вы ничего не знаете о грамматике, синтаксисе и пьесах Шекспира, найдя перекрывающиеся, одинаковые части («ни хорошего ни», «не жребий наш», «много раз до смерти»), вы поймете, какие фрагменты взяты из одной и той же исходной фразы, и соберете из расставленных в верном порядке кусков три предложения. Мы можем писать действующие по тому же принципу компьютерные программы, которые определяют оптимальные перекрывания и параметры выравнивания хоть миллиардов фрагментов ДНК и реконструируют полные геномы, из которых их получили. Этот подход сложнее и дороже, чем секвенирование лишь 16S рДНК, но так мы выявляем гораздо больше сходств и различий, к тому же по составу генов тех или иных членов сообщества мы понимаем, какие белки они могут синтезировать и на что в принципе способны.

Кишечный микробиом и вы

Итак, изучив презренный материал, полученный на выходе из кишечника, мы можем составить представление об экосистеме внутри вас. Даже самые ранние работы проливали свет на ее поразительные характеристики. Микробные сообщества в ваших кишках очень разнообразны (см. условную картинку): их составляют сотни бактериальных видов. И это виды особенные: они не набираются из «безбилетников», проезжающих в вас с пищей, или из обитателей вашего рта, а представляют специфическое сообщество, адаптированное именно к кишечной среде. У каждого из нас оно уникально, но при этом не лишено существенных сходств с чужими кишечными сообществами, и пересечений больше у людей, проживающих в одном географическом регионе и особенно домохозяйстве. Ну и наверняка есть значительное, но не абсолютное соответствие между вашим сегодняшним набором видов и тем, что жил в вас несколько месяцев назад: одни кишечные бактерии склонны кочевать, другие же остаются с вами надолго³.

Однако максимум общественного внимания приковывает другой аспект кишечной микробиоты – связь между ее составом и широким спектром хронических заболеваний. Именно он закрепил понятие «кишечные бактерии» в семейной, новостной и рекламной повестках. Известно, что такие разные болезни, как сахарный диабет, воспалительные заболевания кишечника, опухоли желудочно-кишечного тракта и даже неврологические патологии, включая рассеянный склероз и болезнь Паркинсона, сопровождаются изменением состава микробных сообществ в кишечнике больных по сравнению со здоровыми⁴. Эти различия не ограничиваются представленностью одного-двух видов. В отличие от «классических» заболеваний вроде туберкулеза (вызываемого бактерией Mycobacterium tuberculosis) и бубонной чумы (вызываемой бактерией Yersinia pestis), при развитии этих куда более загадочных недугов почему-то серьезно меняется численность десятков или даже сотен микробных видов.

Разумеется, корреляция не равна причинности. Сложно установить, относится ли аномальная структура микробного сообщества к симптомам заболевания или же способствует его развитию, причем эти варианты не исключают друг друга. Так или иначе, даже возможность того, что характеристики микробных популяций влияют на появление и течение изнуряющих заболеваний, подстегивает исследования, направленные на проработку подобных связей и, хотелось бы надеяться, на поиск способов сознательного воздействия на кишечную экосистему ради поддержания здоровья и борьбы с болезнями.

При некоторых нарушениях, кажется, уже удалось показать причинно-следственную связь между кишечными бактериями и состоянием здоровья. Так, рецидивирующий псевдомембранозный колит, часто вызываемый бактерией Clostridium difficile, оказался восприимчив к лечению трансплантацией фекальной микробиоты. Как следует из названия, эта процедура предполагает перенос кала здорового донора пациенту с целью наводнить его аномальное микробное сообщество «нормальными» иммигрантами[39]. Трансплантация фекальной микробиоты показала обнадеживающую эффективность в лечении воспалительных заболеваний кишечника и некоторых других состояний, но результаты пока сильно разнятся⁵. Слово «трансплантация» в названии процедуры отсылает нас к трансплантации органов не случайно. Кишечный микробиом по сути своей и есть орган, который выполняет физиологическую функцию в организме своего хозяина, хоть и состоит не из его собственных клеток.

Эти специфические аспекты здоровья поднимают множество вопросов. Можно ли заменить «фекальную» компоненту трансплантации кишечной микробиоты таблеткой с тщательно подобранным видовым составом, чтобы снизить вероятность случайного заражения пациента вредными бактериями при пересадке и одновременно сделать терапию эстетичнее? Нужно ли вообще помещать в такую таблетку бактерии или же достаточно одних питательных веществ, предпочитаемых видами, численность которых мы хотим нарастить? (Эти вопросы подстегивают развитие целой отрасли – производства про– и пребиотиков.) Что такого делают бактерии, что влияет на здоровье их хозяина? И как здоровье хозяина влияет на них? Как мы можем нарушить – а может, даже «перезагрузить» – кишечный микробиом?

Можем ли мы разобраться в кишечном микробиоме?

Ответов на перечисленные вопросы у нас пока нет. Область исследований микробиомов невероятно захватывающая и динамичная. Порядка в ней, однако, мало. Помимо настоящих научных бриллиантов там полно противоречивых, неубедительных и безосновательно раскрученных исследований. Как на Дикий Запад, в эту область устремляются авантюристы и охотники за удачей, хорошие и не очень, а законы и здравый смысл появляются позже. К такому хаосу приводит множество факторов. Во-первых, как уже упоминалось, кишечный микробиом крайне изменчив. Утверждение Толстого «Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему»[40] неплохо подходит к обычным органам. Например, все здоровые, «счастливые» сердца схожи анатомически и ритмичностью сокращений. Структурные аномалии и аритмичные электрические сигналы мы даже можем считать надежными индикаторами нездоровья. Кишечный микробиом, напротив, не имеет стандартного списка членов. Даже у здоровых людей его состав сильно разнится, и перед нами встает непростая задача найти совсем не очевидные статистические признаки, отделяющие здоровье от болезни.

Во-вторых, анализ кала, каким бы полезным он ни был, предоставляет нам лишь косвенную информацию о микробном населении кишечника. Строго говоря, он показывает лишь, кого там нет, и довольно смело считать его индикатором всего остального. В одном изобретательном эксперименте ученые под руководством Эрана Сегаля и Эрана Элинава из Института Вейцмана в Израиле сравнили микробиомы из фекальных проб с добытыми в ходе инвазивной процедуры колоноскопии и обнаружили в них явные различия – как у людей, так и у мышей⁶. В том же исследовании людям и мышам давали пищевые добавки с широко представленными на рынке бактериями-пробиотиками и наблюдали весьма ограниченную и переменчивую колонизацию кишки этими «желательными» микробами. Изучать, что поступает в кишечник и что выходит из него, относительно легко, но это может слишком мало сообщать нам о том, что находится в самом кишечнике, и мы по-прежнему не сможем разобраться в его микробиоме.

В-третьих, проводить контролируемые эксперименты, четко отделяющие причины от следствий и значимые изменения от случайных колебаний, непросто. Наша еда служит источником питательных веществ, которые действуют на разные микробы по-разному. Зайдя в любую комнату, мы можем повстречать новых микроорганизмов. Избавиться от подобных возмущающих факторов вряд ли возможно. Нельзя вырастить большие группы людей, которые не отличались бы друг от друга ничем, кроме структуры кишечного микробиома, и наблюдать, как у них развиваются всевозможные болезни и расстройства. Но точно так же нельзя сравнивать и естественные группы вроде населения разных регионов, не сомневаясь, что различия в здоровье объясняются качествами их кишечных микробов, а не сочетанием множества других переменных.

В экспериментах с животными мы можем контролировать гораздо больше. Мышей, рыбок и многих других можно выращивать «стерильными», то есть не заселенными никакими микробами, и либо поддерживать их в таком состоянии, либо знакомить со строго определенными видами микроорганизмов. Такие исследования показывают, что стерильные животные (гнотобиоты) во многом отклоняются от нормы, а резидентные микробы играют важнейшую роль в обучении и стимуляции иммуноцитов, размножении клеток кишечной выстилки и других процессах⁷. Благодаря строгому контролю в нескольких экспериментах удалось открыть особые химические факторы, которыми микробы воздействуют на хозяев. В лаборатории Карен Гиймен, моей коллеги по Орегонскому университету, одной из первых освоившей работу с безмикробными данио-рерио, обнаружили, что в стерильных личинках рыб не хватает производящих инсулин бета-клеток поджелудочной железы⁸. Этот дефект устранялся либо бактериальной колонизацией, либо введением особого белка, который секретируют некоторые кишечные бактерии. У людей диабет I типа связан как раз с разрушением бета-клеток, и находка в эксперименте с данио-рерио может указать нам на немыслимые прежде подходы к их восстановлению.

Удалось установить причастность микробиома к формированию ряда других органов и тканей – например, к росту костей у мышат⁹. Очевидно, кишечные бактерии настроили разные каналы коммуникации с хозяином, который, в свою очередь, прислушивается к своим микробам, особенно в вопросах направления развития на ранних этапах жизни. Это несколько удивляет: казалось бы, развитию животного рискованно зависеть от партнерства с неживотными созданиями, да еще с такими капризными и непостоянными, как бактерии. С другой стороны, животные эволюционировали в мире, уже населенном микробами. Раз избегать их невозможно, вероятно, положиться на бактерий было не опаснее, чем на законы физики. Последнее заявление спорно – я даже сомневаюсь, что могу поверить в такое, – но справедливости ради хочу сказать, что наши представления о развитии животных меняются под натиском новой информации о микробных сообществах.

Но теперь я вернусь к пессимизму, который выказал чуть выше, и отмечу, что выращивать гнотобиотов довольно сложно. Мыши могут оставаться стерильными до достижения зрелости, но это требует больших усилий и затрат. Работать с данио-рерио проще, но все равно нелегко: и моя лаборатория, и лаборатории моих коллег постоянно сталкиваются с проблемами, поскольку бактерии и грибы не упускают ни малейшей возможности проскочить в стерильную рыбу. Кроме того, данио-рерио не могут оставаться стерильными до зрелости (по крайней мере сейчас), поскольку полноценное питание в их случае предполагает живой корм, а он неизбежно приносит с собой микробы. Поэтому значительная часть раскрученных исследований, особенно на мышах, делает выводы на основе выборки от силы из десятка особей. Это примерно как прогнозировать исход национальных выборов на основе опроса десятка избирателей: изменчивость и сложность системы требуют анализа гораздо более многочисленных групп.

По этим и иным причинам многие открытия, связанные с микробиомом, не столь убедительны, как хотелось бы. Например, сегодня, спустя 10 лет с момента сообщения о связи между ожирением и составом кишечного микробиома человека, эта связь уже не кажется такой прочной¹⁰. Нельзя сказать, что ее нет вовсе: кишечные микробы, несомненно, участвуют в усвоении жиров и многих других пищеварительных процессах, которые, в свою очередь, тесно связаны с развитием ожирения. Однако роли столь разнообразных микроорганизмов не так просты, как хотелось бы. Подобные трудности возникают и с другими признаками, призванными отделить здоровье от нездоровья. Может показаться странным, что наука не застрахована от таких промахов. И все же множество ученых из разных областей все пристальнее и пристальнее следят за воспроизводимостью результатов.

Кишечный микробиом и я

Впрочем, моя задача не в том, чтобы исчерпывающе описать все, что нам известно либо не известно о кишечном микробиоме, и не в том, чтобы проанализировать структурные проблемы современной науки, хотя обе темы страшно привлекательны. Я здесь хочу ответить на вопрос, может ли биофизический подход помочь нам разобраться в кишечном микробиоме. Любопытно, например, выяснить, пригодна ли концепция самосборки для постижения архитектуры бактериальных колоний и актуальны ли общие стратегии бактериальной навигации в замкнутом, бурлящем пространстве кишечника.

К сожалению, неопределенности в этой сфере пока больше, чем в любой из тех, что мы уже затрагивали: изучение нашей кишечной экосистемы далеко от завершения. Именно им главным образом и занимается моя лаборатория в Орегонском университете, поэтому я расскажу не только о возможных общих принципах, но и о том, как бросил почти все остальные исследования ради поиска физики в загадочной субстанции кишечного микробиома.

Надо признать, решение мое было странным. Я физик по образованию и занимаю профессорскую должность на кафедре физики. Как мы видели, физика не сводится к магнитам, кваркам и лазерам, а пронизывает и живую природу, но даже биофизикам не очевидно, как связать ее с беспорядком кишок, таким непохожим на отточенность хореографии фолдинга белка и механистичность законов упаковки ДНК. Зачем мне – и небольшому, но растущему числу других биофизиков – делать ставку на биофизику микробиома как на предмет, заслуживающий изучения?

Представьте себе тропический лес, изобилующий растениями и животными. Если бы вы слышали, что в нем обитают организмы, называемые обезьянами, леопардами, слонами и деревьями, но почему-то были не в курсе, что деревья стоят на месте, обезьяны лазят по деревьям, а слоны к этому не склонны, что леопарды охотятся на обезьян, но слонов обходят, – если бы вы не знали ничего о поведении, местоположении, размере и подвижности лесных организмов, вам не стоило бы даже пытаться рисовать достоверную картину работы лесной экосистемы. Не знай вы, что на каменистом берегу дважды в сутки случается прилив, что морские звезды – подвижные хищники, а морские львы заплывают туда перекусить, вам было бы не легче разобраться в экосистеме приливной зоны, сколько бы ДНК ее обитателей вы ни соскребли со скал и ни вычерпали из морской воды. Для макроскопических систем это кажется очевидным, но вообще-то принцип важности структуры и динамики универсален.

И все же, как упоминалось выше, информацию о кишечном микробиоме мы получаем в основном с помощью секвенирования ДНК, которое не учитывает его структуру и функции. Такой дефицит биофизических знаний начал беспокоить меня лет десять назад, когда в мире резко возрос интерес к кишечной микробиоте и я частенько беседовал с уже упомянутой Карен Гиймен. Примерно тогда же я увлекся новыми методами микроскопии, особенно флуоресцентной микроскопией плоскостного освещения (LSFM), которая позволяет быстро получать трехмерное изображение больших полей обзора (в микроскопии большими считают поля диаметром чуть меньше миллиметра). В итоге моя группа сконструировала собственный LSF-микроскоп и начала изучать кишечник живой личинки данио-рерио. Мы понимали, что сможем получить изображения и видео, охватывающие весь кишечник и достаточно четкие, чтобы разглядеть отдельные бактерии. Никто прежде не проводил такую визуализацию позвоночных. Пользуясь преимуществами оптической прозрачности личинок и возможностью выращивать их стерильными, мы позволяли безмикробным рыбам вступить в контакт не более чем с двумя видами микроорганизмов, чтобы без лишних сложностей изучать, как организуются и ведут себя новоселы.

Я рассудил, что, если бы нам не повезло, мы обнаружили бы лишенные отличительных черт скопления бактерий, одинаковые для всех видов и такие же, как в лабораторной пробирке. Тогда мы, возможно, занялись бы измерением скорости роста кишечных бактерий или другим довольно скучным, но потенциально полезным делом.

К счастью, Природа оказалась к нам благосклонна. Первые же микроскопии явили нам поразительное многообразие форм. Одни бактерии плавают свободно, другие сбиваются в группы. Одни предпочитают передний отдел кишечника, другие заселяют в основном задний. Наметились даже очевидные кандидаты в носители физических характеристик, влияющих на работу кишечной экосистемы, что может подкинуть нам идеи, как манипулировать межвидовой конкуренцией и кооперацией микробов.

Почти во всех экспериментах с личинками данио-рерио наша лаборатория использует бактерии – аборигены кишечника этой рыбы. Но в качестве начальной виньетки, иллюстрирующей физические предпосылки динамики микробиома, я опишу эксперимент не с аборигенной, а с патогенной бактерией – холерным вибрионом. Vibrio cholerae активно изучается больше 100 лет, и хотя холера сегодня не опустошает города, как пару веков назад, она все же уносит около 100 тысяч жизней в год¹¹. Я практически и не думал об этой инфекции до одной необычной встречи в «Биосфере-2» – лаборатории, где в начале 1990-х безуспешно пытались создать герметичную экспериментальную экосистему, способную существовать автономно. Там я пообщался с микробиологом Брайаном Хаммером из Технологического института Джорджии и специалистом по микробиому Жуаном Шавьером из Мемориального онкологического центра Слоуна – Кеттеринга в Нью-Йорке. Нет, нас не заперли в бетонном бункере и не заставили выращивать себе пропитание, а просто пригласили на семинар, организованный Исследовательской корпорацией развития науки, небольшой частной компанией, финансирующей научные проекты. («Биосфера-2» теперь туристический объект и площадка для конференций при Аризонском университете, который совмещает все это с проведением экспериментов в уже не герметичных зданиях под стеклянными крышами.) В ходе бесед мы поняли, что все еще мало знаем о средствах, помогающих холерному вибриону освоиться в человеческом кишечнике. Бактерия ведь не вплывает в пустое пространство, а попадает в орган, густонаселенный триллионами резидентных микроорганизмов, среди которых она должна как-то закрепиться.

Брайан много лет изучал поразительный инструмент, которым обладают V. cholerae и многие другие микробы, – шприцеподобное устройство под названием система секреции VI типа (T6SS)¹². С помощью этой наномашины бактерии прокалывают соседние клетки и впрыскивают в них токсины[41]. Нас заинтересовало, может ли V. cholerae использовать T6SS для внедрения в кишечник и позволит ли наша комбинация LSF-микроскопии и личинок данио-рерио пролить на это свет. Кроме того, никто никогда не наблюдал, как холерный вибрион колонизирует кишку животного и как вступает в конкуренцию с резидентными бактериями, – вдруг мы увидим нечто захватывающее? Группа Брайана создала несколько штаммов V. cholerae, включая вариант, в котором гены T6SS всегда оставались включенными, а следовательно, вибрион всегда был готов прокалывать соседей (слева на рисунке); у другого варианта «шприц», наоборот, был дефектным, и бактерия не могла никого атаковать (справа).

Группа Жуана проводила эксперименты в чашках Петри, чтобы изучить и визуализировать убийство бактерий бактериями – действо вообще-то довольно красивое. Ну а мы заглядывали внутрь рыбы¹³.

В простейшем эксперименте по заражению кишечника мы заранее колонизировали стерильную рыбу единственным аборигенным видом бактерий и через 24 часа ввели в окружавшую ее воду один из штаммов V. cholerae. В случае заражения вибрионом с поврежденной системой секреции аборигенные бактерии в кишечнике выглядели так же, как если бы пребывали в одиночестве: они не теряли в численности и формировали плотные колонии. После вторжения захватчика, всегда готового к атаке, аборигенные бактерии гибли: за сутки их популяции сокращались в среднем в 100 с лишним раз, а то и вовсе исчезали. Мы наблюдали, как аборигены теряли контроль над территорией и их колонии перемещались по кишечнику все ниже и ниже, пока не изгонялись из рыбы полностью. На том этапе мы страшно обрадовались очевидной разнице в результатах действия и бездействия T6SS и предположили, что вооруженные холерные вибрионы уничтожают аборигенов, вытесняя их из кишечника. Но мы продолжили наблюдения и обратили внимание на действия самих данио-рерио. Кишечник рыб, как и ваш, периодически сокращается, чтобы перемешивать и продвигать содержимое. Магистрантка Саванна Логан, проводившая эксперименты, заметила, что у рыб, колонизированных всегда боеспособными вибрионами, кишечник сокращался гораздо интенсивнее, чем у стерильных сородичей и рыб, колонизированных любыми другими штаммами V. cholerae. Анализ изображений показал, что интенсивность сокращений у рыб, колонизированных вибрионом с постоянно активной T6SS, была примерно на 100 % выше. Напрашивался вывод, что бактерии атакуют скорее не своих конкурентов, а их хозяина.

Чтобы это доказать, мы снова обратились к сочетанию генной инженерии с микроскопией. Было известно, что фрагмент одного из белков в составе бактериального «шприца» токсичен для микробов-эукариот типа амеб, например, поскольку разрушает филаменты цитоскелета, свойственные всем эукариотическим клеткам, но не представленные в идентичных вариантах у бактерий. Группа Брайана Хаммера создала дополнительный штамм V. cholerae, формирующий в целом функциональный шприц, только без этого токсичного фрагмента. Повторив тот же опыт с заражением рыбы, мы увидели нормальные кишечные сокращения и нормальную, стабильно высокую численность аборигенных кишечных бактерий. Следовательно, холерный вибрион побеждал бактериальных конкурентов, не убивая их, а выдворяя целыми ассоциациями из хозяина с помощью усиления кишечной моторики, обусловленного раздражением стенок токсичными шприцами. Для самих V. cholerae обстоятельства складывались удачнее, поскольку они не склонны к агрегации, подвижны и индивидуалистичны. Так мы установили, что любая бактерия может манипулировать физиологией животного, используя свои шприцеподобные системы. В более широком масштабе наша работа подчеркнула, что физический ландшафт кишечника критически важен для регуляции кишечного микробиома, причем механизмы этого влияния непознаваемы с помощью одних лишь экспериментов в пробирке и анализа ДНК.

Помогут ли наши находки победить холеру? Сомневаюсь. Разумеется, традиционным был бы ответ «да», ведь именно он должен звучать в любых новостях и пресс-релизах; в крайнем случае ответ обязан подводить к мысли, что не за горами победа над любыми болезнями, хоть как-то касающимися открытия. Но в случае с холерой есть препятствие помощнее, чем длинная и непредсказуемая тропинка от фундаментальной лабораторной науки до клинической практики: холеру и без того легко лечить. И главное средство здесь – за исключением самых тяжелых случаев – вода с солями и сахарами. Пугающе высокая смертность от этой болезни в наши дни свидетельствует лишь о плачевном состоянии санитарии и вообще общественного здравоохранения во множестве стран. Зачем же нам тогда изучать у холерного вибриона систему секреции VI типа? Она, конечно же, интересна и сама по себе, но меня больше волнует то, что V. cholerae – лишь один из многих видов бактерий, обладающих таким механизмом. Та же система секреции есть у десятков, а то и сотен видов в вашем пищеварительном тракте, и потому, изучив ее роль в кишечнике, мы могли бы лучше понять, от чего зависит структура вашего микробиома. Научившись манипулировать T6SS у разных бактерий, мы, возможно, проложили бы долгожданный путь к оздоравливающему перекраиванию кишечного микробиома.

Почти во всем, что мы наблюдали в кишке данио-рерио, проявлялся отчетливый биофизический след: физические аспекты поведения – плавание и навигация, формирование трехмерных колоний или манипуляция кишечными сокращениями – во многом определяли исходы. В другом эксперименте мы обнаружили, что под действием малых доз широко применяемого антибиотика обычно подвижные бактерии удлиняются и спутываются, а склонные к агрегации формируют более крупные кластеры, но в меньшем количестве. Оба сценария ведут к значительному общему сокращению бактериальной популяции, поскольку слишком уж сплоченные микробы выталкиваются усилиями кишечника. Вероятно, так и объясняются загадочные крупные изменения в кишечном микробиоме человека, запускаемые антибиотиком и выявляемые с помощью секвенирования. Но это-то и тревожит больше всего, ведь антибиотики в низких концентрациях – повсеместно распространенный загрязнитель. Этот проект, как и многие другие, мы выполняли вместе с лабораторией Карен Гиймен, а основное бремя экспериментов лежало на аспиранте-физике Брэндоне Шломанне и постдоке-биологе Трэвисе Уайлсе, с готовностью размывавших границы между науками.

Наблюдать за поведением бактерий прекрасно, но управлять ими, должно быть, еще лучше. И снова мы обращаемся к одной из наших красных нитей – к теме регуляторных цепей. В главе 4 мы познакомились с инструментами активации и инактивации отдельных генных цепей (вспомните мышей, меняющих цвет). Вышеупомянутый Трэвис Уайлс внедрил подобные переключатели в геном аборигенной кишечной бактерии данио-рерио и взял в свои руки контроль над ее плаванием и химической чувствительностью. Чтобы перемещаться в жидкости, эти бактерии вращают торчащим из одного конца клетки «хвостиком» – жгутиком наподобие штопора. Жгутик и его мотор строятся самосборкой множества разных белков, включая пару PomA и PomB в составе статора мотора (отмечены черным на рисунке основания жгутика). Без PomA и PomB нить жгутика формируется нормально, а вот мотор не создает крутящего момента, который вращал бы жгутик и за счет этого двигал клетку. Следовательно, переключатель, который под влиянием химического сигнала извне выключает гены pomA и pomB в бактерии, обычно экспрессирующей их, либо включает эти гены в бактерии, обычно их не задействующей, позволяет нам решать, будут ли модифицированные микробы плавать в кишечнике. (В нашем случае внешний сигнал должен быть постоянным, сродни кнопке, на которую надо непрерывно давить, чтобы свет не погас. Получается, положения этого переключателя не записываются в память – инженер назвал бы его переключателем мгновенного действия.)

Переключатель позволяет нам узнать больше, чем варианты с простым удалением или постоянной активацией генов. Так, если мы вырежем у бактерий гены, причастные к подвижности, и не найдем этих бактерий в кишечнике, то будем вынуждены выяснять: плавание – это способ удерживаться в кишечнике или прежде всего способ добираться до рыбы и колонизировать ее? Отключение тех или иных моделей поведения после колонизации позволяет нам обозначить роли изучаемых бактерий в специфических сценариях кишечной жизни. Отключение подвижности, как мы обнаружили, приводит к значительному сокращению популяции модифицированных микробов, поскольку они не в силах противостоять кишечным течениям, выносящим их из рыбы, и не могут размножаться так быстро, чтобы восполнять потери. Еще удивительнее, что само животное чувствует эти поведенческие нюансы. У данио-рерио, запрограммированных на производство зеленого флуоресцентного белка при каждой активации сети генов иммунитета, мы наблюдали мощный иммунный ответ на колонизацию рыбы нормальными, подвижными бактериями (как нам и подсказывали прежние наблюдения) и очень слабый ответ на заселение бактериями, неспособными плавать¹⁴. Разницу нельзя было объяснить связью иммунных клеток с поверхностными белками микробов, так как внешний вид бактерий не менялся. Мы заподозрили, что критична именно подвижность, поскольку она позволяет бактериям подбираться ближе к стенкам кишечника и контактировать с чувствительными клетками. Это еще нужно доказать, но в любом случае мы полагаем, что в смысле управления экосистемой поведение бактерий в кишечнике играет не меньшую роль, чем поведение животных в лесу.

Потенциал инженерии генетических схем волнует не только нас. Многие ученые уже поняли, что микробы могут «запоминать» условия в кишечнике и после прохождения по нему своим состоянием показывать, встречались ли у них на пути определенные токсины, питательные вещества и другие химические соединения¹⁵. В составе одной схемы с генными цепями, производящими особые биохимические агенты, генетические переключатели могли бы обеспечивать доставку лекарств только при должной стимуляции, используя способность клеток к принятию решений для замены традиционных таблеток более продвинутым лечением.

Но вернемся к изучению микробиома с точки зрения физики: влияние биофизических факторов на динамику популяций кишечных микроорганизмов выявляют и другие научные группы. Например, в лаборатории Теренса Хва на кафедре физики Калифорнийского университета в Сан-Диего сконструировали искусственные устройства, воспроизводящие перистальтику человеческого кишечника, чтобы оценить естественные соотношения численности типичных резидентных бактерий¹⁶. Ким Хён Чон из Техасского университета в Остине[42] создает растяжимые устройства «кишечник на чипе», подобные платформе «легкое на чипе» (см. главу 8), для исследования механики взаимодействий микробов с культивируемыми клетками кишечника¹⁷. Разные научные группы изучают в числе прочего связывание бактерий друг с другом с помощью антител или механические роли тканевого и осмотического стрессов. Но я должен подчеркнуть, что биохимические и генетические характеристики кишечных микробов изучают гораздо чаще, чем физические, и такие исследования особенно хороши для открытия способов общения микробов друг с другом и со своим хозяином. Бактерии могут синтезировать необычные белки, жиры, гормоны, витамины и даже нейромедиаторы. Несомненно, в кишечном микробиоме одновременно действуют биологические, химические и физические принципы.

Самособранная экосистема

Динамику, порождаемую взаимодействием бактериальной архитектуры и кишечной механики, мы можем считать очередным проявлением знакомого нам принципа самосборки. В микробных сообществах возможны более необычные и абстрактные способы самосборки, связанные с общими свойствами экосистем. Как я упоминал, в вашем кишечнике живут представители сотен микробных видов. Изобилие таксонов находят и в ведре морской воды или в ложке земли. Такое многообразие сбивает с толку. Вообще-то это известная загадка экологии, в 1961 году названная зоологом Джорджем Хатчинсоном парадоксом планктона. Представьте себе какую-то абстрактную группу видов, которой доступен единственный тип пищи. Всегда найдется один вид, лучше прочих усваивающий эту пищу и размножающийся; постепенно по численности он превзойдет остальных, и разрыв будет только расти. В конце концов этот вид добьется полного доминирования в среде, превратив ее из многообразной в монокультурную. Если доступно несколько типов пищи, длительно сосуществовать смогут несколько видов. Высокое же таксономическое разнообразие, по идее, возможно лишь в тех экосистемах, где пища невероятно разнообразна и точно соответствует предпочтениям каждого из видов.

Природа, однако, в грош не ставит этот аргумент и вопреки теории постоянно создает и поддерживает какофоническое многообразие. Впрочем, даже теория предлагает множество решений парадокса планктона. Одно из них – пространственная структура: если разные организмы населяют разные зоны, они могут сосуществовать, даже имея одинаковые пищевые предпочтения. Второе – временнáя структура: например, численность популяций может колебаться не синхронно, и тогда виды будут доминировать попеременно. Другие решения связаны с метаболизмом. В простейшей картине, которую мы нарисовали, организм лишь поглощал пищу и размножался. В реальности не обойтись без множества промежуточных шагов. После поглощения одни молекулы преобразуются в другие, расщепляются на элементарные звенья или объединяются. Бактерии, в частности, особенно склонны выделять промежуточные продукты метаболизма в среду или поглощать их из нее. В итоге получается гораздо больше типов молекулярной пищи, чем могло бы показаться при учете лишь начальной или конечной точки. Микробы кормят друг друга в ходе таких химических переговоров. Поэтому бульона с единственным питательным веществом хватает для поддержания жизни десятков бактериальных видов. Несколько лет назад группа Альваро Санчеса в Йельском университете выделила из образцов почвы и листвы сотни микробных сообществ, кормила каждое из них всего одним веществом и показала, что несколько видов могут длительно уживаться друг с другом, причем итоговые составы ансамблей предсказуемы и воспроизводимы¹⁸.

Наши теоретические представления об экологическом разнообразии тоже углубляются, и мы все лучше понимаем, почему подобное сосуществование распространено гораздо шире, чем казалось ранее. Математическими уравнениями можно описать рост, смерть и взаимодействия видов в экосистеме. Вместо того чтобы присваивать параметрам таких моделей конкретные значения, можно изучить диапазон исходов, получаемых при многократной подстановке случайных величин, и составить представление о том, какие свойства с большей или меньшей вероятностью будут присущи экосистеме. И снова мы сталкиваемся с предсказуемой случайностью: вместо того чтобы оценивать средние характеристики случайных блуждающих, мы оцениваем усредненные характеристики моделей случайных экосистем, определяя, например, частоту исходов, в которых остаются все виды или в которых часть видов вымирает. Пионером в применении этой тактики стал эколог Роберт Мэй: в 1970-х он опубликовал очень важную, ставшую классической статью, где заключал, что разнообразие и стабильность в экосистемах не идут рука об руку¹⁹. Напротив, добавление очередного члена в сообщество снижает вероятность устойчивого сосуществования видов. Эту мысль развивают многие теоретики. В Бостонском университете, например, Панкадж Мехта с коллегами показал, что сосуществование возможно и по достижении теоретически выведенной Мэем точки дестабилизации, но только если речь идет об отдельных группах взаимодействующих видов, а не о совокупности их всех²⁰.

Другие теоретические подходы прочерчивают более четкую связь между потреблением питательных веществ и колебаниями численности популяции. Модели, часто объединяемые под названием «потребитель – ресурс», восходят к классическим работам 1960–1970-х, проведенным Робертом Макартуром и другими экологами. Эти модели, в свою очередь, легли в основу того же парадокса планктона. Как мы теперь понимаем, решения этого парадокса могут поступать из разных источников. Чтобы виды со сходными пищевыми предпочтениями могли ужиться вместе, порой достаточно даже не прибегать к обмену метаболитами, а просто ограничить потребление тех или иных веществ. Представьте, что вы можете питаться картофелем, морковью и горохом, но общее количество пищи определяется размером вашей тарелки. Это значит, что увеличение порции картофеля неизбежно компенсируется уменьшением порций моркови и гороха: им на тарелке достанется меньше места. В контексте метаболизма овощи символизируют пищеварительные ферменты, рассчитанные на разные питательные вещества, а тарелка – скорость, с которой организм может вырабатывать ферменты. Нед Уингрин и его коллеги из Принстонского университета обнаружили, что в математическом описании такого ограниченного потребления ресурсов на удивление велик набор параметров, допускающих сосуществование видов, и объясняется это главным образом тем, что есть множество способов умеренного потребления нескольких типов пищи, по общему получению питательных веществ эквивалентных ненасытному поглощению одного-единственного типа²¹.

Область теоретической экологии обширна, и нескольких абзацев явно недостаточно, чтобы описать ее во всей полноте. Мой выбор пал на приведенные примеры не только потому, что они проливают свет на недавние открытия, но и потому, что в них мы в очередной раз наблюдаем перекличку физики и биологии. Методы Роберта Мэя основаны на математике теории случайных матриц, которую физик Юджин Вигнер разработал в 1950-х, чтобы описывать уровни энергии тяжелых атомов, подставляя в уравнения квантовой механики случайные множества параметров, а не трудновычислимые точные значения. Мэй понял, что этот инструментарий можно перенести и на экологические системы. Физики Панкадж Мехта и Нед Уингрин в своей работе постоянно обращаются к теории фазовых переходов и другим физическим системам, чтобы объяснить загадки экологии.

Если вернуться к моей собственной работе, то проведенные в нашей лаборатории эксперименты с данио-рерио убедили меня, что физическая структура и механические силы вносят весомый вклад в динамику кишечного микробиома. У нас не было бы шансов предсказать исходы заражения Vibrio cholerae или реакцию на антибиотики, проводи мы все измерения в чашке Петри. Физическая среда кишечника столь же важна для этой экосистемы, как скалы и приливы для побережья. Конечно, нельзя исключить, что мы наблюдали лишь специфику данио-рерио, которая ничего нам не рассказала о людях и других животных. Я, однако, считаю это маловероятным, поскольку природа, как мы помним, бережлива, и базовые биологические механизмы встречаются во всем животном царстве. Любой кишечник проталкивает содержимое механическими сокращениями. Агрегация – в кишечнике и где угодно – одна из типичнейших моделей бактериального поведения. Потому-то крайне сложно представить, чтобы оба этих элемента динамики вдруг исчезали в вашем кишечном сообществе.

Несомненно, размеры кишечника, число видов в нем и параметры потока у личинки рыбы сильно отличаются от ваших. Как эти характеристики зависят от размера животного? Можно ли считать ваш желудочно-кишечный тракт увеличенным вариантом рыбьего или уменьшенным вариантом слоновьего? Мы пока не знаем. Несмотря на огромный интерес к микробиому человека и приличный массив работ по избранным животным моделям, кишечную экосистему других животных изучают без энтузиазма. Но эти неясности подводят нас к еще более широкому вопросу – масштабированию. Оказывается, существуют общие правила, по которым физические силы изменяются в зависимости от размера и формы, и результаты их действия кардинально различаются у организмов разных размеров. Как раз на эти правила мы и направим наше внимание.