Na tropie mikrobiomu - ebook

Wstęp

Ciebie już znamy: istota ludzka i dwunożna, tak wielka przez rozum, tak niewyczerpana w swych zdolnościach, pierworodna wszelkiego stworzenia, która nigdy nie przeczytała żadnej umowy, choć zawsze zaznacza, że się z nią zgadza. A teraz poznajmy całą resztę: biliony maleńkich stworzeń zamieszkujących twoje uszy, oczy oraz wspaniałe dworzyszcze brzucha. Ten mikroskopijny świat ukryty w naszych ciałach może potencjalnie zmienić nasze rozumienie zdrowia, choroby, a także nas samych.

Dzięki nowym technologiom, z których wiele zostało wypracowanych dopiero w ciągu ostatnich kilku lat, naukowcy wiedzą obecnie o mikroskopijnych istotach wewnątrz nas więcej niż kiedykolwiek przedtem. I to, czego się dowiadujemy, zadziwia. Te jednokomórkowe organizmy – drobnoustroje – są nie tylko znacznie liczniejsze, niż sądziliśmy, i zamieszkują niemal każdy zakątek ciała. Odgrywają też znacznie ważniejszą rolę, niż kiedykolwiek podejrzewaliśmy, w każdym aspekcie naszego zdrowia, a nawet naszej osobowości.

To zbiorowisko mikroskopijnych stworzeń, które osiedliły się na nas i w nas, nazywamy florą fizjologiczną człowieka, zaś ich geny to mikrobiom człowieka. Jak w przypadku wielu odkryć naukowych, nowe fakty na temat tego miniaturowego świata wymierzają cios w nasze ego. Astronomia poinformowała nas, że planeta, na której żyjemy, nie jest centrum wszechświata. Ewolucja twierdzi, że człowiek jest zwierzęciem, tak jak i pozostałe stworzenia. Poznawanie mikrobiomu mówi nam, że nawet w domenie naszych własnych ciał giniemy w kakofonii niezależnych (lub raczej współzależnych) form życia, które posiadają swoje własne cele oraz program.

Ile zamieszkuje nas drobnoustrojów? Na nasze ciało składa się około dziesięciu bilionów komórek ludzkich, ale na nim oraz w nim żyje kolejne sto bilionów komórek mikroorganizmów¹. A to oznacza, że my to w większości wcale nie my.

Ale wcale nie jesteśmy, jak zwykło się przyjmować, jedynie nieszczęsnymi gospodarzami dla pojawiającego się od czasu do czasu i przynoszącego nam infekcję złośliwego zarazka. Okazuje się, że żyjemy w ciągłej równowadze z całą rzeszą drobnoustrojów. Nie są one bynajmniej biernymi pasażerami – wręcz przeciwnie, odgrywają kluczową rolę w większości naszych procesów życiowych, wliczając w to trawienie, reakcje immunologiczne, a nawet zachowanie.

Zamieszkująca nas rzesza mikrobów to w gruncie rzeczy zbiór rozmaitych społeczności. Różne gatunki zamieszkują różne części ciała, w których odgrywają wysoce wyspecjalizowane role. Drobnoustroje zamieszkujące jamę ustną nie przypominają tych, które osiedliły się na skórze ani w układzie pokarmowym. Człowiek to nie jednostka – człowiek to ekosystem.

Ta różnorodność drobnoustrojów wyjaśnia nawet pewne wybryki ciała, które od dawna uznawaliśmy za kwestię szczęścia lub pecha. Na przykład: dlaczego niektórzy z nas są bardziej atrakcyjni dla komarów? Te małe potwory z reguły mnie omijają, ale całymi rojami zlatują się do mojej partnerki Amandy. Okazuje się, że jedno z nas faktycznie jest dla nich bardziej atrakcyjne, a jednym z ważnych powodów tej różnicy w smakowitości są odmienne społeczności mikroorganizmów zamieszkujących naszą skórę (o czym więcej w rozdziale pierwszym).

I to wcale nie koniec: zamieszkuje w nas niewiarygodna różnorodność drobnoustrojów. Słyszałeś pewnie, że pod względem naszego ludzkiego DNA jesteśmy niemal identyczni, a więc z genetycznego punktu widzenia w 99,99% nie różnimy się od osoby siedzącej obok. Ale tego samego nie można powiedzieć o drobnoustrojach zamieszkujących nasz układ pokarmowy. Z naszym sąsiadem dzielimy zaledwie dziesięć procent flory fizjologicznej.

Jest to źródłem ogromnej różnorodności pod każdym niemal względem – od wagi ciała po występowanie alergii pokarmowych, od prawdopodobieństwa zapadnięcia na jakąś chorobę po poziom stresu. Dopiero zaczynamy poznawać i rozumieć ten gigantyczny, mikroskopijny świat, ale konsekwencje naszych odkryć są porażające.

Niesamowita złożoność świata mikroorganizmów uderza nas jeszcze bardziej, kiedy pomyślimy, że jeszcze czterdzieści lat temu nie mieliśmy bladego pojęcia, ile istnieje organizmów jednokomórkowych ani jakich rodzajów. Do tamtej pory nasza wizja porządkowania świata żywych stworzeń była zbudowana na wydanym w 1859 roku² dziele Karola Darwina O powstawaniu gatunków. Darwin naszkicował ewolucyjne drzewo, na którym pogrupował wszystkie żywe stworzenia według ich wspólnych cech fizycznych – ziarnojady o krótkim dziobie, ziarnojady o długim dziobie, etc. – i tak narodziła się nasza podstawa organizowania gatunków.

Ta tradycyjna wizja życia opierała się na tym, co mogliśmy zaobserwować w otaczającym nas świecie lub za pomocą mikroskopu. Większe jednostki klasyfikowano jako rośliny, zwierzęta lub grzyby. Pozostałe organizmy jednokomórkowe upchano w dwóch podstawowych kategoriach: protistów i bakterii. Mieliśmy rację w kwestii roślin, zwierząt oraz grzybów. Ale nasze pojęcie na temat organizmów jednokomórkowych było całkowicie błędne.

W 1977 roku amerykańscy mikrobiolodzy Carl Woese i George E. Fox naszkicowali drzewo życia, zestawiając ze sobą organizmy żywe na poziomie komórkowym. Opierali się na rybosomalnym RNA – krewniaku DNA przechowywanym w każdej komórce ciała i wykorzystywanym do produkcji białek. Rezultaty były zaskakujące³.

Woese i Fox odkryli, że organizmy jednokomórkowe są znacznie bardziej różnorodne niż wszystkie rośliny i zwierzęta razem wzięte. Okazuje się, że zwierzęta, rośliny i grzyby – każdy człowiek, meduza i żuk gnojowy, każde pasmo wodorostów, kępka mchu i niebosiężna sekwoja, każdy grzyb i porost, wszelkie życie, które mamy przed oczami – to jedynie trzy krótkie gałęzie na krańcu jednego z konarów drzewa filogenetycznego. Dominują organizmy jednokomórkowe – bakterie, archeony (odkryte przez Woesego i Foxa), drożdże i inne.

W ciągu zaledwie ostatnich kilku lat poczyniliśmy niewiarygodne wręcz postępy w rozumieniu mikroskopijnych organizmów, które nas zamieszkują. Kluczowe okazały się tu nowe techniki – między innymi postępy w sekwencjonowaniu DNA – oraz eksplozja mocy obliczeniowej komputerów. Dzięki procesowi znanemu jako sekwencjonowanie nowej generacji potrafimy obecnie pobierać próbki komórek z różnych części ciała, szybko dokonać analizy zawartego w nich DNA mikrobów i połączyć informacje zebrane z próbek w celu identyfikacji tysięcy gatunków drobnoustrojów, które uczyniły nas swoim domem. Odnajdujemy bakterie, archeony, drożdże oraz inne organizmy jednokomórkowe (takie jak eukarionty), które łącznie posiadają genomy – definiujące je receptury genetyczne – dłuższe od naszego.

Nowe algorytmy komputerowe pozwalają z kolei na znacznie łatwiejszą interpretację tego ogromu informacji genetycznej. Możemy na przykład stworzyć mapę naszych drobnoustrojów w celu porównania społeczności mikrobów zamieszkujących różne części ciała, a następnie porównać ze sobą społeczności występujące u różnych ludzi. Nasza wiedza w znacznym stopniu opiera się na Projekcie Poznania Ludzkiego Mikrobiomu (Human Microbiome Project). To warte 170 milionów dolarów przedsięwzięcie badawcze realizowane ze wsparciem amerykańskich Narodowych Instytutów Zdrowia (National Institutes of Health – NIH) zatrudnia ponad dwustu naukowców, którzy przeanalizowali do tej pory przynajmniej 4,5 terabajtów – czyli 4,5 tryliona bajtów – danych zawartych w DNA. A to dopiero początek. Międzynarodowe inicjatywy w rodzaju europejskiego konsorcjum MetaHIT bezustannie dodają i analizują coraz więcej danych.

Koszt tej analizy jest coraz niższy, dzięki czemu coraz więcej jednostek ma wgląd w wielość zamieszkujących ich organizmów żywych. Jakieś dziesięć lat temu, aby poznać skład swojego mikrobiomu, trzeba było stu milionów dolarów. Dziś zdobycie tych samych informacji to koszt około stu dolarów – tak niewielki, że niebawem możemy się spodziewać, iż stanie się to standardową procedurą wykonywaną na polecenie lekarza rodzinnego.

Ale po co lekarzowi wiedza na temat naszego mikrobiomu? Nowe wyniki badań wskazują na obecność nieznanych dotąd relacji między naszymi drobnoustrojami a rozmaitymi chorobami, między innymi otyłością, reumatoidalnym zapaleniem stawów, autyzmem oraz depresją. A im więcej dowiadujemy się na temat tych relacji, tym częściej dostrzegamy szanse na przyszłe leczenie. Na mikroflorę bakteryjną może mieć wpływ niemal wszystko: lekarstwa, dieta, to, czy jesteśmy najstarsi spośród rodzeństwa, oraz ilu mamy partnerów seksualnych. Jak okaże się podczas lektury tej książki, odkrywamy, że drobnoustroje przenikają niemal wszystkie aspekty naszego życia. A nawet zmieniają znaczenie tego, co to znaczy być istotą ludzką.1 Ciało pełne drobnoustrojów

Ile właściwie zamieszkuje nas drobnoustrojów?

Jeśli podejść do tego wagowo, przeciętny dorosły nosi w sobie około 1,3 kilograma drobnoustrojów. Mikrobiom jest więc jednym z największych narządów ciała – waży mniej więcej tyle samo co mózg i niewiele mniej niż wątroba.

Dowiedzieliśmy się już, że pod względem liczby komórek komórki drobnoustrojów w naszym ciele przewyższają komórki ludzkie nawet dziesięciokrotnie. A co, jeśli chodzi o DNA? Każdy z nas posiada około dwudziestu tysięcy genów ludzkich. Ale nosimy też w sobie od dwóch do dwudziestu milionów genów drobnoustrojów. Oznacza to, że pod względem genetycznym przynajmniej w dziewięćdziesięciu dziewięciu procentach składamy się z genów bakterii.

Jeśli zależy nam na ratowaniu honoru ludzkości, możemy to uznać za kwestię złożoności. Każda komórka ludzka zawiera wielokrotnie więcej genów od komórki mikroba. Ale nasze ciało zawiera tyle drobnoustrojów, że suma wszystkich ich genów jest większa od naszych.

Zamieszkuje nas (i w nas) wiele zróżnicowanych organizmów. Większość z nich – choć nie wszystkie – to organizmy jednokomórkowe. Wywodzą się ze wszystkich trzech głównych gałęzi filogenetycznego drzewa życia. W naszym brzuchu znajdziemy przedstawicieli domeny archeonów, organizmów jednokomórkowych radzących sobie bez posiadania jądra. Wśród nich najczęściej występują w nas metanogeny, czyli stworzenia, które funkcjonują bez udziału tlenu, pomagają nam w mechanizmach trawiennych i wydzielają gaz zwany metanem (zamieszkują też układ pokarmowy krów). Inną domeną są eukarionty w rodzaju grzybów powodujących grzybicę stóp oraz drożdże, których kolonie występują w pochwie, a czasem także w jelitach. A najbardziej dominującą grupą są oczywiście nasze bakterie w rodzaju pałeczki okrężnicy (łac. Escherichia coli), o której myślimy zwykle w kontekście paskudnej choroby, którą można złapać, jedząc niewłaściwie umyty szpinak, ale której przyjazne i nieszkodliwe odmiany zamieszkują jelita większości ludzi.

Każdego dnia z pomocą nowych technologii odkrywamy coraz większą różnorodność tychże stworzeń. To mniej więcej tak, jakbyśmy do tej pory przemierzali ocean z siecią o bardzo szerokich okach i na podstawie naszych połowów twierdzili, że życie morskie to wyłącznie wieloryby i kałamarnice olbrzymie. Dziś wiemy, że ten obraz jest znacznie bardziej złożony. Na przykład można przypuszczać, że bakterie jelitowe żywiące się niedawno zjedzoną przez nas kanapką są do siebie dość podobne – załóżmy, że różnica między nimi przypomina tę między sardelą europejską a sardynką. W rzeczywistości jest to jak porównanie strzykwy z żarłaczem białym; gatunki te są całkowicie różne pod względem zachowania, żywienia oraz roli, jaką odgrywają w ekosystemie.

Gdzie więc podziewają się wszystkie te drobnoustroje i czym się zajmują? Wybierzmy się na wycieczkę po naszym ciele, aby znaleźć odpowiedź.

Skóra

Legenda głosi, że powracający z kampanii wojennej Napoleon I wysłał do cesarzowej Józefiny następującą wiadomość: „Jutro wieczorem wracam do Paryża. Nie myj się”. Wolał naturalny zapach ciała ukochanej, i to najchętniej w dużym natężeniu. Ale dlaczego właściwie tak śmierdzimy, pozbawieni mydła, dezodorantów, pudrów i perfum? Jest tak w dużym stopniu dzięki drobnoustrojom, które żywią się wydzielinami ciała i sprawiają, że ich zapach staje się jeszcze bardziej intensywny. Naukowcy wciąż starają się wyniuchać, jaką przydatną funkcję spełniają te stworzenia zamieszkujące nasz największy organ – skórę – ale jedno jest pewne: dokładają się do wydzielania zapachów ciała, wliczając w to te, które przyciągają do niego komary⁴. Jak pisałem wcześniej, komary naprawdę wolą zapach jednych ludzi od drugich, a odpowiedzialne za to są właśnie mikroby. Te drobnoustroje metabolizują substancje chemiczne produkowane przez skórę w odmienny zestaw związków organicznych, które przyciągają bądź odstraszają komary. Różne gatunki komarów preferują różne części ludzkiego ciała. Smakowite zapachy przyciągające komary Anopheles gambiae, jeden z gatunków odpowiedzialnych za przenoszenie malarii, wcale nie pochodzą z dołu pachowego, lecz z dłoni oraz stóp. Oznacza to intrygującą możliwość, że antybiotyki wcierane w dłonie i stopy mogą pomóc zapobiec atakom tego konkretnego gatunku komara, bo zabijając mikroby, zabijamy też atrakcyjny dla niego zapach.

Jak wszystkie nasze drobnoustroje, te zamieszkujące ludzką skórę niekoniecznie przebywają tam dla naszego dobra. Ale jako nieszkodliwi lokatorzy bardzo nas przy tym wspomagają – rozbijając na nas obóz, utrudniają atak innych, znacznie paskudniejszych mikrobów. Różne połacie skóry zamieszkiwane są przez odmienne mikroby, i ta różnorodność – liczba różnych rodzajów drobnoustrojów – niekoniecznie przekłada się na ilość pojedynczych mikrobów zamieszkujących konkretną lokalizację. Często jest wręcz przeciwnie. W kategoriach Ameryki: wyobraźmy sobie, że Vermont (o populacji sześciuset tysięcy) jest równie zróżnicowane etnicznie jak hrabstwo Los Angeles (o populacji dziesięciu milionów), a Los Angeles równie jednokolorowe jak Vermont. W naszych pachach i na czole występuje wiele drobnoustrojów, ale stosunkowo niewiele gatunków. Dla porównania, na dłoniach i przedramionach nie ma wielu kolonii mikrobów, ale są one bardziej zróżnicowane gatunkowo⁵. Społeczności drobnoustrojów na dłoniach są zwykle bardziej zróżnicowane u kobiet niż u mężczyzn i różnice te utrzymują się mimo mycia rąk, co zdaje się wskazywać, że mamy do czynienia z różnicami biologicznymi, choć wciąż nie wiadomo dlaczego⁶.