Искусственный микробиом защитил мышей от патогенной кишечной палочки

Микробиом человеческого кишечника — это уникальная совокупность сотен видов микроорганизмов, которая регулирует ряд ключевых процессов в организме. Отклонение состава микробиома от нормы приводит к развитию разнообразных патологических состояний.

Команда ученых из США создала искусственный микробиом человека, состоящий из 119 штаммов бактерий. Этот микробиом имитирует естественное сообщество кишечных симбионтов, а возможность редактировать состав сообщества, добавляя или удаляя отдельные виды, позволяет изучать его функции.

Искусственная культура, состоящая из множества видов, должна быть стабильной и функциональной. Виды не должны подавлять друг друга, а все вместе они должны выполнять те же функции, что и естественная микробиота кишечника. Выбор видов, которые должны составлять искусственный микробиом, был затруднен из-за естественных различий между людьми. У двух случайно взятых людей будет менее половины общих микробных генов. Ученые решили построить микробиом из наиболее распространенных бактерий человеческого кишечника. Они проанализировали метагеномные данные из базы Human Microbiome Project и отобрали 104 штамма, преобладающих в так называемом западном человеческом кишечном микробиоме.

Каждый из 104 штаммов вырастили отдельно, а затем смешали их в объединенную культуру, которая получила обозначение hCom1. Эту культуру трансплантировали в кишечник 6–8-недельных самок стерильных мышей. Культура успешно прижилась: 98% видов, составляющих hCom1, колонизировали кишечник мышей. Относительное обилие большинства видов оставалось стабильным в течение восьми недель.

Чтобы приблизить hCom1 к реальному микробиому, исследователи трансплантировали его стерильным мышам, а через четыре недели дополнительно пересадили им фекальную микробиоту человека. Ученые исходили из предположения, что за четыре недели каждый член hCom1 займет свою нишу в кишечнике, а если останутся свободные ниши, они заполнятся соответствующими бактериями из человеческих фекалий. Еще через четыре недели они проанализировали получившийся микробиом и обнаружили 24 новых штамма бактерий.

Ученые смогли достать в коллекциях 22 из 24 новых штаммов и составили оптимизированный синтетический микробиом. Он содержал 97 прижившихся штаммов из hCom1 и 22 дополнительных штамма. Его обозначили как hCom2.

Для подтверждения работоспособности синтетического микробиома авторы подсадили стерильным мышам hCom2 и через четыре недели заразили их энтерогемморагической кишечной палочкой. Для сравнения использовали группу стерильных мышей, получившую естественную фекальную микробиоту человека. Сообщество hCom2 противостояло патогенной кишечной палочке столь же эффективно, как и естественный микробиом. Чтобы понять, какие именно бактерии обеспечивают защиту от патогена, ученые сконструировали четыре варианта сообщества, исключая разные микробные группы из hCom2. Наибольшую чувствительность к кишечной палочке мыши приобретали после удаления филума Firmicutes.

Авторы также установили, что гуманизированные мыши и мыши, колонизированные hCom2, имеют схожие сигнатуры иммунных клеток и профили микробных метаболитов. По их мнению, hCom2 и его будущие доработанные версии позволят глубже понять принципы функционирования микробиома человека и станут основой для микробной терапии.