Если вы хоть раз чистили зубы или использовали жидкость для полоскания рта, вы с ними уже сталкивались: сотни миллиардов микроорганизмов — в основном бактерий — которые живут во рту человека. Сотни видов бактерий, свисающие с твердого неба, спрятанные в трещинках языка и смешанные с зубным налетом образуют оральный микробиом человека.

Для многих бактерии во рту кажутся в значительной степени неудобством — все они смешиваются в вонючую слизь, от которой нужно избавиться, чтобы ваше дыхание было приятным, а десны здорового розового цвета. Но Джессика Марк-Уэлч из Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоуле, штат Массачусетс, а также Гари Бориси и Флойд Дьюхерст из Института Форсайта в Кембридже (также располагается в Массачусетсе), считают микробиом полости рта настоящим чудом. В отличие от клеток и их беспорядочного смешения, это разнообразная упорядоченная экосистема, которая может дать более достоверную информацию о том, как микробы взаимодействуют друг с другом. А также о том, как их взаимодействие влияет на окружающую среду, в которой они обитают.

Ученые утверждают, что составление схемы расположения микробов во рту может пролить свет на то, как сообщества организмов организуются в различных экосистемах: от пор кухонных губок до поверхностей леса ламинарий. Понимание большего количества правил взаимодействия между микробами может помочь использовать микробиомы для улучшения здоровья. А забегая вперед можно предположить, что это знание поможет нам решить и некоторые технологические проблемы вроде производства биотоплива из проса.

И, конечно же, изучение микробиома полости рта может улучшить понимание того, как одни бактерии во рту помогают нам сохранять здоровье (как ключевые участники нормального обмена веществ), а другие могут быть причастны к возникновению раковой опухоли, а также заболеваниям вроде болезни десен и болезни сердца.

Недавно Марк-Уэлч, Бориси и Дьюхерст опубликовали в ежегодном издании «Annual Reviews» по микробиологии свой перечень сведений о географическом расположении видов, населяющих ротовую полость. Для этого они использовали генетический анализ и флуоресцентную визуализацию для составления карты всех микробов — от цепочечных видов стрептококков, процветающих на языке, до бацилл коринебактерий, которые живут вместе с другими бактериями в зубном налете.

В своей работе они предполагают, что сообщества, в которых живут бактерии, гораздо более структурированы, чем считалось ранее. «Я думаю, мы ожидали увидеть более крупные куски бактерийной «ваты», — говорит Марк Уэлч — Но вот что было действительно неожиданно, так это то, насколько бактерии организованы. Это многое говорит нам о том, как они работают вместе».

Нижеследующее интервью было отредактировано для полноты и ясности.

Джессика, вы генетик. А вы, Гарри, клеточный биолог. Как же так получилось, что вы стали изучать бактерии ротовой полости?

Гари Бориси (ГБ): Мы хотели изучить микробиомы — сообщества бактерий — и способ их организации, а также узнать, почему это важно.

Но начали мы не с ротовой полости. Первым местом была окружающая среда — мы стали изучать микробы в пруду и в болоте Вудс-Хоул. Также мы проанализировали образцы искусственной среды — микробов на долларовых банкнотах и под ободком унитаза.

Джессика Марк-Уэлч (ДМУ): А что вы найдете на кухонной губке на раковине! Микробы повсюду, и они играют важную роль в экосистемах.

ГБ: Однако довольно быстро мы поняли, что у нас есть пробелы. Когда мы собирали наши образцы, мы могли видеть много отдельных организмов, но не было уверенности, что именно мы ищем. Геномная база данных для большинства сред была скудной. Никто систематически не секвенировал микробы, которых мы видели, поэтому, когда мы делали выборку, было трудно их определить, а тем более понять, как они работают вместе, чтобы создавать экосистемы.

И изучение ротовой полости решило эту проблему?

ГБ: Да. Одна из причин, почему мы решили исследовать ротовую полость — это наличие прекрасной базы данных, разработанной нашим соавтором Флойдом Дьюхерстом и его коллегами из Института Форсайт — базы данных перорального микробиома человека, в которой каталогизируются геномы сотен видов бактерий, обнаруженных во рту. Многие организмы из тех, которых мы бы увидели, если бы начали собирать ротовые бактерии для наших исследований, уже были идентифицированы и культивированы, а геномная информация уже была собрана — все это заложило основу для представления, какой будет работа, которую мы хотели выполнить.

Кроме того, как бы малодушно это ни звучало, казалось, что получить деньги для поддержки этой работы, если бы она была направлена на человека, будет легче.

ДМУ: Еще одна вещь, которая делает рот фантастической средой для изучения, заключается в том, что различные микробные сообщества — бактерии, растущие на разных поверхностях во рту — сильно отличаются друг от друга.

И все же они все в одном рту, сталкиваются с одной и той же слюной, с одинаковой иммунной системой, одинаковым ежедневным питанием и режимом сна. Вы контролируете многие из факторов, которые могут повлиять на сообщество. Вы действительно можете сравнить влияние поверхностей, на которых они живут, и их расположение во рту.

Почему они так сильно отличаются друг от друга?

ДМУ: С точки зрения бактерии, важно, на какой поверхности вы живете. Зубы крепкие, они всегда рядом. Если вы сможете пробраться к их корням, вас не вытеснят, если кто-то не оттолкнет вас зубной щеткой или чем-то еще. Бактерии, например коринебактерии, выводят кальций из слюны. Считается, что со временем он превращается в зубной камень, который стоматолог соскребает с ваших зубов. Они растут очень медленно и во время своего роста приклеиваются к стенкам зубов.

Но если вы обратитесь к щечным клеткам, которые довольно быстро обновляются, вы должно быстро цепляться за поверхность и стремительно расти. С точки зрения бактерии, довольно короткий срок, в течение которого вы можете прикрепиться к своей поверхности и остаться во рту, — именно краткость этого срока будет фактором, реально структурирующим ваше бактериальное сообщество.

Бактерии стрептококки процветают на зубах. Они первыми «колонизуют» ваши зубы, потом они быстро растут и потом столь же быстро покидают вас.

Сколько микробов во рту?

Флойд Дьюхерст (ФД): Мы не знаем точное количество бактерий во рту. Но на 1 грамм зубного налета приходится примерно 100 миллиардов микроорганизмов, поэтому мы говорим о больших числах.

Обычно говорят о том, сколько там видов. Проект базы данных перорального микробиома человека выявил чуть более 700 различных видов бактерий. (Есть там также грибки и вирусы.)

Около 400 из 700 видов бактерий встречаются у людей гораздо чаще, чем другие. И если бы вы брали мазок со щеки, и повторяли это еще и еще, пока не увидите все, что могли бы, вероятно, это было бы примерно 200-300 организмов. Они были бы распределены почти по логарифмической шкале, причем самый распространенный организм составлял бы 10% популяции, второй по частоте — 5%, третий — всего 2%. И по мере того, как вы приближаетесь к пятидесятому, вы опускаетесь до 0,1% популяции. Вот такая длинная цепочка.

Когда мы едим и пьем, мы поглощаем микроорганизмы со всей планеты. Их содержит капелька морской воды. Или просто немного грязи в вашем шпинате. В итоге, если собрать достаточное количество людей, каждый из видов микроорганизмов на планете мог хотя бы раз появиться во рту членов этой группы. 

ГБ: Можно было бы сказать, что рот почти как открытая канализация, но так можно зайти слишком далеко. В действительности только некоторые организмы поселяются и живут там на регулярной основе.

ДМУ: Зубной налет и поверхность языка являются самыми густонаселенными средами обитания микробов на Земле. Там бактерии занимают значительное пространство от стенки до стенки.

Я думал, что бактерии — то же самое, что и налет. Там есть что-то еще?

ДМУ: Бактерии выделяют вещества.

ГБ: Это называется «внеклеточный матрикс» или «экстраполимерное вещество»…

ДМУ: Или слизь! Зубной налет — это биопленка: бактерии, прилипшие к поверхности, встроены в матрицу собственного производства. Биопленки — это круто. В биопленках бактерии ведут себя по-разному: некоторые этапы их метаболизма включают только в биопленке, и они, как правило, становятся более устойчивыми к антибиотикам и изменениям в окружающей среде. Что интересно, в биопленке зубного налета много материала ДНК. Умирают ли бактерии и распространяются ли их ДНК?

Что побудило вас начать создавать флуоресцентные изображения колоний, образованных бактериями?

ГБ: В нашем понимании организации микробиома было одно белое пятно. Секвенирование ДНК дало нам каталог бактериальных геномов, но у него было большое ограничение: вы должны размолоть свой образец, чтобы получить ДНК, и в процессе вы теряете всю пространственную информацию — кто рядом с кем.

Это был недостающий фрагмент паззла в нашем понимании микробиома. Мы поняли, что необходимо разработать инструменты визуализации, чтобы увидеть микробы в их среде обитания, максимально приближенной к их нормальному расположению.

Почему это так важно?

ДМУ: Если вы видите «соседей» бактерий, вы можете с большей вероятностью предположить, с кем они взаимодействуют. Это важно, потому что, если мы хотим понять, что такое нездоровый микробиом (и, возможно, выяснить, как сделать его более здоровым), нам нужно понять, как бактерии работают вместе. Если есть конкретный микроб, от которого вы хотите избавиться, вам нужно знать, какие еще микробы находятся рядом с ним, помогают ли они ему расти или готовы занять его место.

ГБ: Рассмотрим часы (до того, как они стали цифровыми). У вас есть много пружин, колесиков, есть стеклянная поверхность и металлическая задняя часть, пара украшений. Но как работают часы? Недостаточно иметь список запчастей. Вы должны знать, как части соединяются друг с другом, как одна влияет на другую. При секвенировании ДНК мы получили список деталей, но нам не сказали, как они работают вместе. Если вы хотите понять функции, вы должны знать структуру.

Что показывают ваши изображения?

ДМУ: Огромные различия между структурами и составами различных частей этой оральной экосистемы. Посмотрите, например, на изображения зубного налета и микробного сообщества на языке — они совершенно разные.

Налет характеризуется формой бактериального сообщества, которое мы называем ежом, организованным вокруг коринебактерий (на изображении это пурпурно-фиолетовые нити, исходящие из центра). Мы предполагаем, что коринебактерии являются основой сообщества и действуют подобно кораллу на риф или дубу в лесу, создавая среду обитания, в которой другие организмы выбирают характерные для себя места. Кольцо бактерий, окрашенное в зеленый цвет, которое вы видите вокруг структуры, — это стрептококки, и они остаются в аэробной зоне, подвергаясь воздействию кислорода. Похоже, что они создают зону с низким содержанием кислорода, которая была занята различными бактериями.

Но если вы посмотрите на микробное сообщество, соскобленное с поверхности языка, вы увидите серое ядро ​​(мертвые эпителиальные клетки), которое вместе с другими бактериями образует плотные сообщества, растущие наружу и вширь.

ФД: Бактерии на зубном налете — почти то же самое, что и переплетенные пальцы: почти каждая соседняя клетка — это отдельный вид. Но на языке у вас есть большие участки синего, красного и любого другого цвета, с клетками, отдающими предпочтение клеткам того же вида.

И эта всеобъемлющая структура, видимо, имеет во рту какую-то функцию?

ДМУ: Точно. Глядя на пространственную организацию бактерий во рту, вы узнаете, какие микробы непосредственно связаны с хозяином, а какие имеют больше возможностей взаимодействовать с ним и его метаболизмом.

Мы знаем, что некоторые бактерии во рту участвуют в нашем метаболизме нитратов — так мы получаем питательные вещества из пищи, которые могут фактически регулировать кровяное давление. Если в ваш рацион питания входят продукты, богатые нитратами, и зеленые листовые овощи, это немного снизит ваше кровяное давление, но только если вы не используете антисептическую жидкость для полоскания рта. Рискну предположить, что это может быть одной из причин, почему наши организмы, как хозяева, позволяют бактериям жить у себя и так разрастаться. У нас есть повод, чтобы позволить им это сделать.

Исследователи пытаются узнать больше о том, как микробы вовлечены в периодонтит (заболевание десен) и кариес (дырки в зубах). Обычная ротовая бактерия, известная как fusobacterium nucleatum, по-видимому, причастна к образованию рака толстой кишки. Она известна среди специалистов по микробиологии полости рта тем, что примыкает ко всему. Если она прикрепилась к безвредному стрептококку, она может уклониться от иммунной системы и проникнуть в организм через щечные клетки, и, вероятно, попадет в толстую кишку — ее просто проглотят.

ГБ: Некоторые бактерии оказывают человеку услугу, но некоторые поворачиваются против нас. Если мы пьем много сладких напитков, бактерии, которые любят сахар, процветают и производят кислоту, которая делает дырки в зубах. Если они попадают в наш кровоток, они могут вызвать серьезные заболевания, такие как инфекции сердечного клапана. Это как сад. Когда растения растут не там, где они должны, мы называем их сорняками, хотя в других местах с ними все будет в порядке.

ДМУ: Перед тем, как добровольцы сдадут нам зубной налет, мы предварительно просим их не чистить зубы в течение 24 или 48 часов — и обязательно спрашиваем, страдают ли они пороком сердца. Для людей с пороком сердца может быть особенно опасно допускать накопление таких бактерий во рту.

И действительно, бактерии могут принести нам пользу, но они же могут и причинить нам вред…. и если мы хотим бороться с этими патогенами, мы должны понимать их структуру. Поведение микробов зависит от того, где они находятся. Зачастую исследования проводятся на одной бактерии в чистой культуре. Но эта же бактерия будет вести себя по-другому, если рядом с ней будет другая бактерия. Нам нужно изучить их вместе, если мы действительно хотим понять, что они делают в дикой природе. Если мы выясним, какие из них находятся рядом друг с другом в разных частях рта, мы узнаем, какие нужно поместить в чашку Петри.

Ученые предположили, что разные части рта в течение некоторого времен имеют разные бактериальные сообщества. Но людям все еще нравится анализировать слюну, чтобы измерить бактерии в зубном налете. Это просто. Однако слюна представляет собой смесь бактерий из разных мест во рту, и оказывается, что это в основном бактерии языка, а не зубного налета. Вопрос о существовании структуры, зависящей от местоположения, еще до конца не изучен, и это одна из причин, почему мы захотели написать эту статью.

Где еще в организме человека ученые могут лучше изучить микробные сообщества?

ГБ: Большинство уже стало изучать кишечник. Но, очевидно, каждая часть тела будет иметь свой характерный микробиом — будь то ухо, нос, пупок, влагалищный тракт — и у каждого из них будет интересная структура.

ДМУ: Я попыталась посмотреть на это с другой стороны, узнать, где еще в мире — за пределами человеческого тела — можно найти интересные пространственные структуры, подобные тем, что находятся в человеческом рту.

Это вернуло меня к морским организмам. Ламинарии и другие макроводоросли в некотором роде похожи на рот. Здесь есть фиксированная поверхность, богатая питательными веществами и погруженная в проточную воду, что способствует созданию структуры в бактериальном сообществе.

Ламинария — инженер по экосистемам. Она важна как среда обитания для рыб и других организмов, а также для регулирования переноса азота и углерода. Нам стало интересно, насколько для этого необходимы бактерии. Как много ламинария делает сама, и сколько микробов ей необходимо для выполнения оставшейся работы? Анализ того, что происходит у нас во рту, может приблизить нас к ответу.