Микробиом кишечника, также известный как кишечная флора, играет ключевую роль в здоровье человека. Это огромное и постоянно меняющееся сообщество микроорганизмов формируется благодаря бесчисленным химическим взаимодействиям как между самими микробами, так и между микробами и организмом человека. Чтобы эти взаимодействия были возможны, кишечные бактерии должны уметь обнаруживать питательные вещества и химические сигналы вокруг себя. Несмотря на их важность, ученые до сих пор относительно мало знали о полном спектре сигналов, которые могут распознавать бактериальные рецепторы.
До недавнего времени большая часть знаний о сенсорных системах бактерий была получена при изучении модельных организмов, в основном болезнетворных. Гораздо меньше внимания уделялось комменсалам – непатогенным или полезным микробам, которые естественным образом живут в теле человека. Международная исследовательская группа во главе с Виктором Суржиком решила восполнить этот пробел. Ученые из Института земной микробиологии Макса Планка, Университета Огайо и Марбургского университета Филиппса сосредоточили свою работу на клостридиях – группе подвижных бактерий, которые в большом количестве содержатся в кишечнике человека и известны своей способностью поддерживать его здоровье.
Исследователи обнаружили, что рецепторы бактерий из микробиома кишечника человека способны распознавать удивительно широкий спектр метаболических соединений. К ним относятся продукты распада углеводов, жиров, белков, ДНК и аминов. Путем систематического скрининга команда также выявила четкие закономерности: разные типы бактериальных сенсоров демонстрировали явное предпочтение к определенным классам химических веществ. Эта находка показала, что кишечные бактерии не реагируют на окружающую среду случайным образом, а избирательно настроены на конкретные метаболические сигналы.
Объединив лабораторные эксперименты с биоинформационным анализом, ученые определили множество химических лигандов, которые связываются с сенсорными рецепторами, контролирующими движение бактерий. Эти рецепторы помогают подвижным микробам обнаруживать питательные вещества, особенно ценные для роста. Среди всех протестированных химических веществ молочная кислота (лактат) и муравьиная кислота (формиат) чаще всего выступали в качестве стимулов. Это говорит о том, что данные соединения могут служить особенно важными источниками питания для кишечных бактерий.
Некоторые кишечные бактерии могут сами производить лактат и формиат, что подчеркивает важность процесса «перекрестного вскармливания». В ходе этого процесса один вид бактерий выделяет метаболиты, которые другие виды используют в качестве пищи. Такое сотрудничество помогает стабилизировать экосистему кишечника. «Эти сенсорные домены, по-видимому, важны для взаимодействия между бактериями в кишечнике и могут играть ключевую роль в здоровом микробиоме человека», – объясняет Вэньхао Сюй, первый автор исследования.
В ходе системного анализа команда также обнаружила несколько ранее неизвестных групп сенсорных рецепторов, специфичных к лактату, дикарбоновым кислотам, урацилу (компоненту РНК) и короткоцепочечным жирным кислотам. Ученым даже удалось определить кристаллическую структуру недавно открытого двойного сенсора, который реагирует как на урацил, так и на ацетат, что позволило понять механизм связывания на молекулярном уровне. Изучение эволюционных связей показало, что специфичность сенсоров может относительно легко меняться с течением времени, что объясняет, как бактерии адаптируют свои «органы чувств» к меняющейся среде.
«Наш исследовательский проект значительно расширил понимание сенсорных способностей полезных кишечных бактерий, – говорит Виктор Суржик. – Насколько нам известно, это первый систематический анализ сенсорных предпочтений немодельных бактерий, колонизирующих определенную экологическую нишу. В будущем наш подход может быть применен для исследования сенсорных предпочтений и в других микробных экосистемах».
