Андрей Чаплин изучает геном бактерий и действие пробиотиков, рассказывает о невероятно сложном симбиозе бактерий и человека и объясняет, кто из них настоящий хозяин планеты.

Где учился: медико-биологический факультет, отделение медицинской биохимии, РНИМУ (бывш. РГМУ) им. Н.И. Пирогова (2006–2012 гг.), аспирантура на кафедре микробиологии и вирусологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова (с 2012 г), Московская школа биоинформатики (с 2013 г.)

Что изучает: молекулярная генетика бактерий

Еще с детства меня интересовал организм человека и функционирование живой природы, чуть позже проснулся интерес к генетике и теории эволюции. Мне хотелось работать в этом направлении, но при этом я не стремился идти в практикующие врачи — слишком высок груз ответственности, слишком тяжела психологическая нагрузка, если воспринимать все как надо, то есть, близко к сердцу. Но и на биологический факультет я тоже не захотел идти, потому что темы, связанные со здоровьем человека, мне были и остаются ближе, даже если я и не планирую прямой работы с пациентами.

Это и определило мой выбор. С одной стороны — медицинский вуз, а с другой — специальность, не предполагающая клинической практики. Медико-биологический факультет РНИМУ им. Пирогова, знаменитого «второго меда» — замечательное место, где готовят не столько практикующих врачей, сколько исследователей.

Сейчас я одновременно работаю над кандидатской диссертацией, преподаю микробиологию студентам-медикам в РНИМУ им. Пирогова и учусь в Московской школе биоинформатики. Да, у меня очень мало свободного времени, но я уже привык к такому режиму. Наверное, я всегда, пока будет позволять здоровье, буду стараться успевать делать все и сразу.

Область, в которой я веду исследования — это нечто среднее между микробиологией, молекулярной биологией, генетикой и биоинформатикой. Это стык специальностей, поэтому мне трудно найти точную идентификацию себя как исследователя. Я занимаюсь молекулярной генетикой бактерий, а в последнее время все больше сдвигаюсь в направлении анализа данных, связанных с этой дисциплиной. Но, в принципе, я могу работать и как практикующий исследователь, который умеет и смешать ПЦР — полимеразную цепную реакцию (один из основных методов диагностики в современной генетике), и сделать электрофорез, и очистить ДНК, и, при необходимости, вырастить какие-нибудь бактерии.

Бактерии — одна из самых простых форм жизни на нашей планете. У большинства бактерий нет внутренних границ, которые отделяют различные участки клетки. Фактически, бактерия — это маленький мембранный мешочек с аппаратом наследственности и набором ферментов внутри, плюс совокупность веществ, выделяемых наружу. Простое строение, простой метаболизм.

А еще бактерий очень много. И это автоматически приводит к их жесточайшей конкуренции за питательные вещества, за место прикрепления, к стремлению убить другие бактерии, чтобы не быть убитыми. Это приводит и к достаточно высокой оптимизации их наследственной информации, и к жесткой специализации в плане экологической ниши. В общем, чем красив геном бактерий: посмотрев, как все устроено, можно сразу же увидеть функцию, она не скрыта за огромным множеством регуляторных элементов. То есть, у бактерий очень короткая связь между фенотипом — тем, как она выглядит и функционирует, и генотипом — тем, как все записано в виде наследственной информации. Это одна сторона генетики бактерий, но есть и противоположная.

© Олег Бородин

© Олег Бородин

Существуют тысячи видов бактерий, но даже внутри вида они чрезвычайно разнообразны. Фактически, две бактерии одного вида могут различаться сильнее, чем человек и шимпанзе. Это ведет к совершенно фантастическому разнообразию как на уровне генома, так и на уровне взаимодействия с окружающей средой. Бактерии, относящиеся к одному виду, могут вызывать несколько разных заболеваний, и этот же вид может включать в себя еще и совершенно безобидные бактерии, живущие в организме каждого человека.

Откуда берется такая изменчивость бактерий? Здесь можно отметить другой красивый момент в генетике бактерий. У эукариот, то есть растений, животных, грибов, простейших, природа придумала эффективный механизм перемешивания генов в популяции — половой процесс. А у бактерий процесс обмена генами не привязан к размножению и совершенно случаен: он может происходить и с близкими, и с дальними родственниками, и даже с теми, кто относится к другому домену живой природы. Некоторые бактерии захватывают генетический материал прямо из внешней среды и переносят к себе в цитоплазму. Чрезвычайно распространены и более сложные механизмы переноса генетической информации, сопряженные с активностью так называемых эгоистичных генетических элементов: вирусов, плазмид (это автономные реплицирующиеся молекулы ДНК), транспозонов (это участки ДНК, способные к самопроизвольному перемещению по геному).

В последние годы было введено интересное понятие «пан-геном». Его можно считать аналогом понятия «генофонд» в случае популяции бактерий. Пан-геном — это совокупность всех генов, встречающихся в пределах данного вида. Пан-геном вида может в несколько раз превосходить размеры генома каждого из представителей этого вида. Более того, во многих случаях он является «открытым», то есть с включением в анализ все большего и большего числа представителей данного вида постоянно прибывают новые гены. Не исключено, что единственным гипотетическим способом исследовать все гены, встречающиеся у данного вида бактерий, является перебор всех существующих членов популяции.

Если с земного шара убрать всех эукариот, включая нас, людей, то это отразится на нем меньше, чем если убрать все бактерии. Они формируют облик планеты, включая атмосферу и основные геохимические циклы. Их, наконец, просто во много раз больше, чем эукариот. А уж разнообразие их генетического материала просто несравнимо с нами. Мы, эукариоты — всего лишь удачное стечение обстоятельств. Удивительно, что в какой-то момент несравнимо более сложные существа оказались конкурентоспособными и смогли занять свою экологическую нишу.

Высочайшая конкуренция бактерий вместе с быстрой сменой поколений ведет к высочайшей оптимизации. Если бы эукариоты не появились когда-то давно на планете, то на протяжении последних миллионов лет в мире бактерий вообще ничего бы не поменялось. Они дошли до своей максимальной приспособленности, сформировав облик планеты и заселив все, что можно. А теперь уже, получается, мы определяем ход их эволюции.

У людей тесные симбиотические взаимоотношения с микрофлорой — популяциями микроорганизмов, населяющими различные участки нашего тела, и, в первую очередь, кишечник. Мы обеспечиваем им экологическую нишу и питание. А бактерии используют вещества, не расщепляемые нашими ферментами, и синтезируют много полезных веществ. Например, это витамин К, необходимый для свертывания крови. Очень важной функцией микрофлоры также является защита нас от патогенов. «Наши» бактерии защищают свой «дом» путем конкуренции за питательные вещества и за место прикрепления, а также путем прямого уничтожения других бактерий.

Бактерии микрофлоры кишечника находятся в тесном взаимодействии с иммунной системой, которая не дает им проникнуть в стерильные среды организма. Постоянно идет борьба, и каждый бактериальный вид тем или иным способом влияет на популяцию клеток иммунной системы и на производимые ими вещества. При этом без влияния микрофлоры работа иммунной системы просто будет нарушена.

© Олег Бородин

© Олег Бородин

Сейчас много внимания уделяется вопросам взаимодействия бактерий, живущих в человеке, и его нервной системы, потому что даже там выявили большое количество закономерностей, которые нам еще предстоит изучать. На животных уже получены данные, что бактерии влияют на настроение и на тревожность, а значит это можно регулировать, поставляя в организм новые бактерии. Существуют исследования, которые находят связь даже между состоянием микрофлоры и аутизмом. Корреляция есть, но насколько прямая это связь или она опосредована какими-то иммунологическими или генетическими механизмами, еще нужно выяснять.

В кишечнике человека бактериальных клеток больше, чем всех клеток нашего собственного организма. Суммарная длина их ДНК в 100 раз больше, чем нашей. Сложность процессов, происходящих там, невообразима. Человек никогда со столь сложными системами еще не сталкивался. Поэтому наше знание — это даже не карта с белыми пятнами, а наоборот — закрашенные островки. У всех надежда только на то, что стоимость прочтения генетической информации упадет еще сильнее и станет еще более доступной. Во многом это прояснит ситуацию и позволит делать статистически достоверные выводы.

Существуют так называемые пробиотики — препараты, содержащие живые бактерии, и существует большое количество исследований, посвященных их благотворному влиянию на здоровье. Но в целом картина с ними достаточно противоречива. И этому можно придумать много объяснений. Во-первых, насколько данные об одном пробиотическом бактериальном штамме можно переложить на другой? Этого мы пока не можем сказать, потому что для этого нам необходимо изучить эту колоссальную внутривидовую изменчивость.

Во-вторых, насколько данные о действии пробиотиков на человека с одним вариантом микрофлоры применимы к человеку с другим вариантом? И снова не можем ответить, потому что для этого нужен огромный набор данных о микрофлоре человека, который на современном уровне получить невозможно. Уровень сложности систем, с которыми мы работаем, многократно выше, чем в случае с обычными лекарственными препаратами.

К тому же, необходимо еще и контролировать, чтобы до пациента дошли те бактерии, которые заявлены в лекарстве, ведь процесс их эволюции неостановим. Даже когда мы культивируем бактерии в искусственных питательных средах, они неминуемо к ним приспосабливаются и теряют те факторы, что нужны для жизни в организме. Но чтобы производить такой контроль, необходимо знать — а какие именно участки ДНК важны для благотворного действия на организм? И снова вопрос остается открытым.

Я для своего исследования взял крошечный раздел из этого огромного поля деятельности. Я занимаюсь геномной изменчивостью всего лишь одного вида бактерий — Bifidobacterium longum. Это известные каждому человеку бифидобактерии, которые являются достаточно значимым компонентом микрофлоры.

Моя работа лежит в области фундаментальной науки. Прямых переложений на практику у нее нет, она лишь ведет к углубленному пониманию процессов, происходящих внутри этой популяции бактерий и микрофлоры в общем.

Когда работает написанная программа или получается эксперимент — это всегда немного магия. А самая большая радость в моей работе — это видеть зависимость или закономерность. Это движет все естественные науки — видеть логику природы, ее красоту, которая существует независимо от человека. А медицинские науки позволяют через познание природы еще и помогать людям.

Книги, которые рекомендует Андрей: