Микробиом человека в последние годы стал одной из самых обсуждаемых тем в индустрии велнеса, однако масштабные исследования показывают, что наши бактерии тесно связаны со средой обитания и домашними животными. В интервью для организации The Royal Institution микробиолог Бушра Шуйтемакер (Bushra Schuitemaker) рассказывает, какие секреты скрывает кишечник наших питомцев и как эти знания помогают лечить тяжелые хронические заболевания. Изучение микробиома собак и кур не просто проливает свет на коэволюцию видов, но и меняет традиционные подходы к медицине благодаря технологиям искусственного интеллекта.
🐓 От зоологии к онкологии: научный путь Бушры Шуйтемакер 1:26
Бушра Шуйтемакер, ныне возглавляющая научный департамент компании Biome 9, начала свой путь в науке с изучения зоологии. Страсть к животным сопровождала её с детства: несмотря на изначальные протесты родителей, она будучи школьницей умудрилась самостоятельно вывести шесть цыплят в инкубаторе прямо на кухонном столе.
После получения диплома её карьера сделала неожиданный поворот в сторону фундаментальной медицины человека. Шуйтемакер работала в Wellcome Sanger Institute и Cancer Research UK, где занималась поиском мишеней для иммуноонкологических препаратов, нацеленных на предотвращение метастазирования рака.
Этот опыт привел исследовательницу к пониманию универсальности биологических процессов. Рак — это древнейшая группа болезней, признаки метастазов которой находят даже в останках динозавров. Некоторые виды онкологии уникальны и смертоносны для конкретных популяций, как, например, контагиозная лицевая опухоль тасманийского дьявола, поставившая этот вид на грань вымирания.
Шуйтемакер пришла к концепции «Единого здоровья» (One Health) и «Единой медицины» (One Medicine). Эта философия постулирует, что здоровье людей, животных и окружающей среды представляет собой неделимую общую систему. Идеальным объектом для сравнительного анализа стал микробиом — сообщество микроорганизмов, зародившееся задолго до появления первых млекопитающих (так, цианобактерии существовали еще 2,4 миллиарда лет назад).
Для своей докторской диссертации (PhD) Бушра выбрала поиск биомаркеров у домашней птицы. Выбор объекта исследования имел и этическую сторону: сбор образцов фекалий кур не причиняет птице стресса, что крайне важно для повышения стандартов благополучия животных. К тому же, масштабы популяции поражают: по статистике, на планете Земля приходится четыре цыпленка на каждого человека.
🐕 Микробиом домашних животных: как среда «очеловечивает» бактерии 6:36
Когда заходит речь о микробиологических сообществах, большинство людей думает исключительно о собственном пищеварении. Однако Шуйтемакер напоминает, что микробиом есть абсолютно у всего: у поверхностей столов, сидений в общественном транспорте и у любых окружающих нас предметов. Постоянный контакт с этими объектами в течение жизни и формирует нашу внутреннюю экосистему.
У домашних животных из-за тесного контакта с владельцами происходит своеобразное «очеловечивание» микробиома. Исследования коммерческих птицеферм показывают, что у кур и работающих там людей обнаруживаются общие, схожие виды бактерий. Это прямой результат их повседневного взаимодействия.
Особенно ярко сожительство выражено у собак, которые эволюционировали бок о бок с человеком на протяжении десятков тысяч лет. Разделяя с нами жизненное пространство и во многом сходную пищу, собаки сформировали микробиом, имеющий гораздо больше общих черт с человеческим, чем микробиом многих других видов животных.
🥚 Эволюционные стратегии: откуда берется первая микрофлора 8:32
Один из ключевых вопросов микробиологии — как закладывается первоначальный состав бактерий в организме. В мире млекопитающих Бушра Шуйтемакер выделяет три принципиально разные стратегии:
- Плацентарные млекопитающие (на примере динго — Canis lupus dingo): щенки получают свой стартовый микробиом во время вагинальных родов от матери, а затем укрепляют его в период лактации через материнское молоко.
- Однопроходные (на примере утконоса): эти животные откладывают яйца. Утконосы, как и птицы, обладают клоакой — единым отверстием для выделений и размножения. Фекальный микробиом матери попадает на внешнюю скорлупу яйца, и вылупляющиеся детеныши получают свои первые микробы, пробивая скорлупу.
- Сумчатые (на примере кенгуру): рождают крайне незрелый эмбрион, который проводит важнейший этап роста в сумке матери, формируя флору за счет специфической среды внутри сумки и лактации.
Понимание этих механизмов нашло практическое применение в птицеводстве. В США и Канаде разработали специальный микробиомный спрей, полученный из фекалий взрослых здоровых кур. Им опрыскивают яйца в промышленных инкубаторах, чтобы вылупляющиеся цыплята сразу получали тот спектр бактерий, который они бы приобрели в естественном гнезде рядом с наседкой.
Начальный этап формирования экосистемы кишечника критически важен для всей последующей жизни. Как у людей, так и у собак применение антибиотиков на ранних стадиях развития способно нанести долгосрочный урон микробиому, последствия которого фиксируются спустя годы.
🧠 Скрытый орган: функции кишечника и ось «кишечник-мозг» 11:37
[Image of the gut-brain axis pathway]
Микробиом распределен по всему телу неравномерно: существуют отдельные изолированные сообщества кожи, ушей и ротовой полости. Но именно кишечный микробиом ученые часто называют «скрытым органом», фундаментальное значение которого медицина осознала лишь в последнее десятилетие.
Наш организм отвечает за пищеварение лишь частично. Чем дальше пища продвигается по желудочно-кишечному тракту, тем сильнее процесс зависит от бактерий, грибов и вирусов. Они ферментируют еду, превращая её в метаболиты — короткоцепочечные жирные кислоты, сахара и спирты, которые затем разносятся током крови по всему телу. Выражение «ты то, что ты ешь» сегодня обретает строгий научный контекст.
Помимо пищеварения, ранний микробиом выполняет важнейшую роль в стимуляции и обучении иммунной системы. Многие иммунные пути в организме напрямую завязаны на взаимодействие с бактериями.
Одним из наиболее перспективных направлений Бушра считает изучение оси «кишечник-мозг» — двунаправленного пути обмена информацией, осуществляемого в том числе через блуждающий нерв (nervus vagus). Стресс способен напрямую ухудшать состояние кишечной флоры, вызывая дисбиоз — нарушение баланса бактерий.
В свою очередь, дисбиоз может серьезно усугублять тревожные состояния и ментальные расстройства у человека. По мнению исследовательницы, этот же механизм работает и у собак, страдающих от реактивности, страхов и агрессии, что открывает путь к лечению поведенческих проблем животных через коррекцию диеты.
🦊 Генетический след диеты и эволюция лисиц в реальном времени 15:28
В процессе коэволюции человека и собак произошли глубокие генетические изменения. Ярким примером служит ген AMY2B, отвечающий за выработку амилазы — фермента, расщепляющего крахмал. У волков и динго присутствует всего одна копия этого гена, тогда как у домашних собак и людей их около 20. Это позволяет псовым эффективно переваривать углеводы, характерные для антропогенной диеты.
Существует классическая теория о том, что предки собак начали селиться у стоянок древних людей ради поедания остатков пищи или помощи на охоте. Однако, как отмечает Бушра, наука до сих пор сталкивается с загадкой типа «курица или яйцо»: изменился ли сначала микробиом под воздействием человеческих отходов, подтолкнув эволюцию гена AMY2B, либо же генетическая мутация закрепилась первой?
Уникальную возможность проверить эту гипотезу прямо сейчас дает исследование Университета Восточной Англии (University of East Anglia). Ученые наблюдают за городскими лисицами, которые морфологически и поведенчески начинают отличаться от своих лесных собратьев, копируя повадки кошек и собак для выпрашивания еды у людей.
В рамках концепции «выживания самых дружелюбных» исследователи планируют выяснить, происходит ли у городских лисиц параллельное увеличение копий гена AMY2B на фоне резкого изменения их диетического микробиома.
📊 Технологии Biome 9: как искусственный интеллект анализирует ДНК 23:42
Для объяснения своей практической работы в стартапе Biome 9 Бушра Шуйтемакер использует футбольную аналогию. По её мнению, «здоровье кишечника» — это сам футбольный матч в целом, широкое понятие. Внутри него бактерии играют роль команд, иммунная система выступает в качестве правил игры, а поступающие нутриенты — это болельщики. Микробиом — ключевой, но не единственный элемент этой системы, включающей симптомы, медицинскую историю и внешние факторы.
Главным маркером здорового микробиома у всех видов животных признано высокое разнообразие. Оно рассчитывается на основе двух параметров:
- Богатство (richness): общее количество различных видов микроорганизмов в среде.
- Баланс (balance): пропорциональное соотношение этих видов, указывающее на стабильность бактериальных колоний.
Методика тестирования в Biome 9 сводится к анализу микроскопической дозы фекалий весом всего в 200 миллиграммов (0,2 грамма). Из этого образца извлекается ДНК всех присутствующих микроорганизмов. С помощью секвенирования следующего поколения (Next Generation Sequencing) ученые анализируют ген 16S. Этот ген уникален: он есть у абсолютно всех бактерий на Земле, но слегка варьируется от вида к виду, что позволяет составить точную карту бактериального состава.
Полученные данные загружаются в платформу искусственного интеллекта, работающую на базе классического машинного обучения. Эталонная база («обучающий датасет») формировалась на основе анализов здоровых собак-поводырей из Ассоциации собак-поводырей (Guide Dogs Association), чья жизнь, диета и ветеринарный контроль строго стандартизированы от щенячьего до взрослого возраста.
Алгоритм сравнивает эти эталоны с образцами собак, у которых ветеринары диагностировали такие патологии, как воспалительные заболевания кишечника (IBD) или атопический дерматит. На основе выявленного дефицита конкретных бактерий система генерирует точечные рекомендации: от изменения уровня клетчатки в рационе до подбора специализированных супплементов.
⚡ Эпилепсия и судороги: неожиданное излечение через диету 30:33
Исследования оси «кишечник-мозг» привели к прорыву в лечении тяжелых неврологических расстройств у собак. В медицине человека давно известно, что кетогенная диета и изменение микрофлоры помогают снизить тяжесть приступов эпилепсии у детей. Как выяснили специалисты Biome 9, эти данные полностью экстраполируются на собак: у животных с судорожным синдромом наблюдаются те же особенности микробиома, что и у больных детей.
Бушра подчеркивает важный нюанс: при эпилепсии важнее не абстрактно повышать разнообразие бактерий, а обеспечивать их строгую стабильность и баланс. Ключевой механизм здесь завязан на стимуляцию путей ГАМК (гамма-аминомасляной кислоты) — важнейшего тормозного нейромедиатора. Нарушения в микробиоме могут перевозбуждать нервную систему, провоцируя приступы.
Работая совместно с благотворительной организацией Dog Epileptic, ученые зафиксировали поразительные клинические результаты. У собак, страдавших от еженедельных эпилептических припадков, частота судорог снизилась до одного раза в месяц исключительно благодаря целевому изменению диеты и введению добавок для микробиома.
Поводом для запуска этого исследования стала личная история основателей фонда: их собственная собака-эпилептик испытала резкое ухудшение приступов на фоне приема антибиотиков, уничтоживших флору кишечника, и вернулась к стабильности только после курса пробиотиков. По мнению Шуйтемакер, в будущем данные, собранные на собаках, помогут усовершенствовать терапию эпилепсии у людей.
🔬 Новые горизонты науки: за пределами бактериального мира 34:34
Бум в изучении микробиома произошел в последнее десятилетие по сугубо техническим причинам. Раньше микробиологи опирались на чашки Петри и лабораторное культивирование, из-за чего могли увидеть не более 5% от реального состава флоры. Подавляющее большинство бактерий кишечника попросту неспособны выжить и размножаться в искусственных лабораторных условиях.
Технологии генетического секвенирования открыли огромную матрицу «неизвестных неизвестных» — сотен видов бактерий, которые наука только начинает классифицировать. Бушра Шуйтемакер считает, что следующим этапом станет изучение компонентов микробиома, находящихся в тени бактерий: грибов, бактериофагов, вирусов и протистов.
Важным вызовом остается функциональность: мало доказать наличие у бактерии определенного гена, нужно понять, активируется ли он в конкретной среде кишечника.
Примечательно, что популяция собак в Великобритании представляет собой гораздо более однородную и менее вариативную микробиологическую модель, чем британцы-люди. Это делает собак идеальным объектом для контролируемых исследований, позволяя переводить науку из плоскости разрозненных наблюдений в область точных клинических решений.
📢 Разрушая стереотипы: почему ученым важно быть рассказчиками 38:16
Популяризация науки (сайнс-коммуникация) стала органичной частью жизни Бушры Шуйтемакер. Как признается исследовательница, огромную роль в её стиле мышления сыграла дислексия. Из-за особенностей восприятия информации ей всегда было проще мыслить масштабно, крупными мазками и самостоятельно конструировать понятные аналогии, чтобы разобраться в сложных процессах.
Будучи единственным ученым в своей семье, она годами тренировалась объяснять суть своей сложной работы над диссертацией простым языком для родственников. Вкупе с подростковым увлечением театральным искусством, танцами и многолетним опытом ведения радиопередач (в частности, её собственного независимого шоу «Природа и чепуха» — Nature and Nonsense в Норфолке), это сформировало её как сильного спикера.
Сегодня Бушра Шуйтемакер принимает активное участие в Британской неделе науки (British Science Week) в рамках кампании «Разрушая стереотипы» (Smashing Stereotypes) от Британской научной ассоциации. Рассказывая детям историю о том, как обычное школьное увлечение инкубацией яиц привело её на передний край борьбы с тяжелыми заболеваниями, она стремится вдохновить новое поколение исследователей следовать за своим любопытством.
