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 позволяе�� 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.
