Сообщество бактерий-симбионтов препятствует росту патогенов, оставляя их без ресурсов

Микробиом защищает кишечник от колонизации патогенами и последующей инфекции. При этом некоторые виды микроорганизмов играют более важную защитную роль, чем другие. Пути защиты разнообразны и включают в себя конкуренцию за нутриенты и местообитание, прямой антагонизм с помощью токсинов и других веществ, а также активацию иммунитета. Но несмотря на то, что протективная роль микроорганизмов хорошо известна, мы до сих пор не можем предсказать, какой вид будет наиболее эффективным против того или иного патогена.

Исследователи из Великобритании и Франции изучили защитные функции различных видов бактерий как поодиночке, так и в комбинации. Параллельно исследовали два патогена — Klebsiella pneumoniae и Salmonella enterica (Typhimurium). Они оба относятся к Enterobacteriaceae и колонизируют кишечник, но обладают различными свойствами. S. Typhimurium вызывает острую инфекцию и гастроэнтерит, в K. pneumoniae — это оппортунистический патоген, который редко сам по себе вызывает болезни. Однако колонизация этой бактерией — важный фактор риска развития резистентной к лечению инфекции в других органах. Тем не менее, были выявлены общие закономерности. Как было показано in vitro и на мышах без собственной микробиоты, для противостояния этим патогеном очень важно разнообразие микробного состава кишечника. Также защитные свойства одного вида могут зависеть от присутствия другого вида.

Одни виды лучше защищают организм от патогенов, чем другие. Авторы провели скрининг 100 симбионтов человеческого кишечника, чтобы проверить их способность подавлять рост патогенов. В перовом случае они начала выращивали симбионт в анаэробной среде с pH, характерным для кишечника. Во втором случае симбионт кокультивировали с патогеном. Штаммы патогенов были люминесцентными для отслеживания их роста. Ни один из симбионтов не смог значительно затормозить рост патогенов при длительной культивации. Лучше всего действовала бактерия Escherichia coli, но даже ее эффект был незначительным.

Однако если объединить все десять симбионтов с наибольшей ингибирующей активностью, то плотность K. pneumoniae снижается на три порядка, а S. Typhimurium — на два порядка. С другой стороны, объединение десяти штаммов с наименьшей ингибирующей активностью не давало такого эффекта. То есть важно, какие бактерии выбрать, но только в контексте их сообщества. Это хорошо соотносится с тем фактом, что нарушение разнообразия микробиома (дисбиоз) ассоциировано с заболеваниями.

Далее авторы создавали сообщества с E. coli или без, куда входили от 10 до 50 видов бактерий. Они показали, что протективные свойства сообществ повышались с ростом разнообразия, однако этот эффект наблюдался только в присутствии E. coli. То есть E. coli или другие члены сообщества поодиночке мало влияют на рост патогена, но вместе их влияние значительно — эффект зависит от контекста.

Подойдет любой штамм E. coli, ранее изолированный из кишечника человека. Однако не только эта бактерия играет важную роль в резистентности. Подавляет рост патогенов также Bifidobacterium breve, Lacrimispora saccharolyticum и Phocaeicola vulgatus. Однако их отсутствие можно было компенсировать повышением разнообразия.

Далее опыты проводили на мышах без собственной микробиоты. В случае успешной колонизации S. Typhimurium у мышей развивается острая инфекция и воспаление кишечника, что может быстро приводить к гибели, поэтому исследователи использовали авирулентный вариант S. Typhimurium. Как и было показано in vitro, разнообразие микробиоты отрицательно коррелирует с содержанием патогена в фекалиях мышей. Опыты по исключению компонентов опять показали важную роль E. coli. Чтобы защитить кишечник мыши, нужно большее разнообразие, чем необходимо для того, чтобы не дать патогену разрастись в культуре.

Анализ белкового состава бактерий показал, что если бактерия-симбионт или их сообщество содержит те же белки (или схожие), что и патоген, то это обеспечивает лучшую защиту. Этим же объясняется протективная роль E. coli, ведь эта бактерия относится к тому же семейству, что и патогены. Другими словами, они заполняют одну и ту же нишу и соревнуются за те же ресурсы. Анализ метаболитов подтвердил, что сообщество защитит от патогена только в том случае, если у них в достаточной мере пересекаются профили утилизации источников углерода. То есть разнообразие само по себе не имеет значения.

Этот вывод подтвердили, выращивая патогены в культурах, которые до этого истощили бактерии-симбионты, без межклеточного контакта. Патогены не могли расти в такой среде. Далее авторы использовали в качестве нутриента галактитол, который могут утилизировать патогены, но не симбионты (E. coli в норме тоже может его утилизировать, но авторы получили штамм с делецией релевантного гена). В этом случае симбионты не могут подавить рост патогенов.

Далее исследователи взяли клинический штамм E. coli, резистентный к антибиотикам. Они проанализировали, какой источник углерода он использует, а также белковый состав. Потом они подобрали сообщество, которое теоретически поглощает те же нутриенты и может препятствовать росту патогена. Эксперименты подтвердили эти предположения. Удалось получить сообщество, которое в сто раз снизило содержание патогена в культуре.

Таким образом, работа показала, что защитными свойствами обладает не единый вид, а сообщество разных видов. Идею о конкуренции за нутриенты можно использовать, чтобы идентифицировать виды, способные препятствовать колонизации патогеном. При этом не обязательно знать все о потребляемых нутриентах и метаболизме бактерий. Можно в первом приближении использовать информацию об их геномах.

Бобовые растения страдают от конкуренции клубеньковых бактерий