У сельского населения по-прежнему много кишечных бактерий, расщепляющих целлюлозу

Целлюлоза — основной компонент клеточных стенок растений, что делает ее самым распространенным полимером на Земле. Она отвечает за свойства таких материалов, как дерево и хлопок, а также является основным компонентом пищевых волокон, поэтому трудно переоценить ее значение для человечества.

Учитывая его повсеместное распространение и тот факт, что он состоит из молекул сахара, соединенных между собой, его жесткость затрудняет его использование в качестве пищи. Животные, которым удается извлекать из целлюлозы значительное количество калорий, обычно делают это через специализированные пищеварительные тракты, которые служат домом для симбиотических бактерий — вспомните дополнительные желудки коров и других жвачных животных.

Удивительно, но у людей тоже есть свои бактерии, способные расщеплять целлюлозу, что было подтверждено только в 2003 году (уже после того, как я закончил свое образование). Теперь новое исследование показывает, что мы являемся хозяевами целого ряда бактерий, питающихся целлюлозой, некоторые из них появились благодаря нашему происхождению от приматов, а другие — в результате одомашнивания травоядных животных, таких как коровы. Но жизнь в городах привела к тому, что количество этих бактерий резко сократилось.

Поиск поедателей растений

Хотя бактерии, питающиеся целлюлозой и выбравшие человека своим домом, были обнаружены еще в 2003 году, но с тех пор был идентифицирован лишь один вид из этой группы. Работа, проведенная в рамках крупного международного сотрудничества, была направлена на то, чтобы получить более полное представление о том, что живет в наших кишках. Для этого были взяты образцы кишечника человека и жвачных животных. Из них были получены ДНК живущих там бактерий, которые использовались для секвенирования ДНК.

Компьютерный анализ ДНК достиг таких высот, что позволяет взять все последовательности, полученные из случайной популяции видов, и собрать из них геномы отдельных видов. Затем эти геномы сравнили с геномами известных бактерий, переваривающих целлюлозу, чтобы выявить те, которые имеют схожие наборы генов. (Бактерии, переваривающие целлюлозу, обычно строят большие белковые каркасы, которые позволяют специализированным ферментам сгруппироваться вместе, и исследователи искали гены, обладающие свойствами, которые позволяют подобную кластеризацию).

В итоге они выявили 25 геномов жвачных животных и еще 22 — человека. Эволюционный анализ показал, что у человека существует четыре различные группы видов бактерий, переваривающих целлюлозу.

Чтобы получить более полное представление об этих бактериях, исследователи собрали ещё больше образцов кишечника человека и других приматов, а также несколько старинных образцов кала, оставленных людьми более 1000 лет назад — всего около 2000 образцов. Ясно одно: некоторые из этих рядов поколений бактерий имеют долгую общую историю с нашими предками. У некоторых из них есть ответвления, встречающиеся у многих других приматов (исследователи проверили макак, бабуинов, горилл и шимпанзе), но не присутствующие у жвачных животных.

Другое, что было ясно, — это то, что их распространенность меняется вместе с изменениями в рационе человека. У нечеловекообразных приматов частота встречаемости этих штаммов бактерий составляла 30-40 процентов. Это было похоже на частоту, наблюдаемую в старых образцах человеческих фекалий, но выше, чем у современных людей. Здесь наблюдалось сильное разделение. У современных охотников/собирателей и жителей сельской местности, которые питаются едой с высоким содержанием клетчатки, распространенность этих видов, переваривающих целлюлозу, по-прежнему составляет около 20 процентов. В отличие от них, у жителей промышленно развитых стран этот показатель не превышает 5 процентов.

В целом, чем больше клетчатки было в рационе той или иной культуры, тем разнообразнее были их бактерии, переваривающие целлюлозу. Таким образом, их разнообразие у людей снижается по мере того, как все большее количество населения переходит на городской образ жизни.

Сборка правильных генов

В то время как в организме человека нашлись штаммы, доставшиеся нам от наших предков-приматов, были обнаружены и другие штаммы, которые не так хорошо сочетались между собой. Исследователи обнаружили, что эти штаммы схожи с бактериями, присутствующими у жвачных животных. «Наш эволюционный анализ убедительно свидетельствует о том, что [эти штаммы], скорее всего, возникли в кишечнике жвачных животных и затем перешли к человеку, возможно, в процессе одомашнивания», — заключают исследователи.

Исследователи также изучили другие метаболические гены, обнаруженные в геномах переваривателей целлюлозы. Они указывают на наличие дополнительных адаптаций к рациону животного. Например, штаммы, обнаруженные в кишечнике приматов, часто имели гены, позволяющие переваривать хитин — другой полимер, основной компонент экзоскелетов насекомых. Напротив, некоторые штаммы, характерные для человека, имели ферменты, способные эффективно расщеплять клеточные стенки растений, таких как рис, пшеница и кукуруза.

Анализ этих других метаболических генов позволяет предположить, что изначально они были получены от других бактерий, обитающих в кишечнике животных. Таким образом, процесс горизонтального переноса генов между видами, по-видимому, является ключевой особенностью адаптации целлюлозоразлагающих бактерий к своим хозяевам.

Таким образом, хотя у человека нет специализированных структур для переваривания целлюлозы, в нашем кишечнике всё же происходит ее переваривание, хотя его интенсивность во многом зависит от нашего рациона. Для ясности, бактерии, которые занимаются перевариванием, делают это в своих собственных целях. Но ферменты, которые они используют для переваривания, приходится выводить за пределы клеток, поскольку импортировать полимеры внутрь бактериальных клеток невозможно. Поэтому, по крайней мере, часть продуктов переваривания попадает в пищеварительную систему человека.

Кроме того, многие кишечные бактерии используют энергию, получаемую из пищи, для производства полезных для человека химических веществ, что может объяснить некоторые преимущества диеты с высоким содержанием клетчатки. Таким образом, хотя эти бактерии могут быть незначительным компонентом нашей способности перерабатывать пищу, теперь мы знаем, что они вносят важный вклад в наше здоровье.