Инсулин, витамины и генетически ножницы: как бактерии помогают нам жить

Слово «бактерия» у большинства ассоциируется с чем-то ужасным — дизентерией, дифтерией, чумой. В то же время, мы спокойно едим квашеную капусту, пьём кефир, простоквашу и комбучу. А ведь это тоже заслуга бактерий, но только других — «хороших». Огромное количество этих микроскопических существ живут в нашем организме. Многие из них настолько хороши, что производят полезные вещества, отбивают атаки вражеских собратьев и берегут нас от инфекций. Разобрались в разнообразии микромира.

Пережили динозавров

Учёные считают, что первые бактерии появились примерно 3,5–4 миллиарда лет назад, то есть они гораздо древнее динозавров. За это время бактериям удалось занять практически все ниши в биосфере. В одном миллилитре свежей воды больше миллиона бактерий. А суммарная масса микробов на Земле превышает биомассу всех животных и растений.

Переоценить роль бактерий в природе сложно. Они участвуют в круговороте веществ — разлагают останки растений и животных, способствуют образованию гумуса в почве, а также помогают растениям усваивать питательные вещества. Без бактериального «переработчика» природа была бы завалена отходами, а почва быстро истощилась бы.

В организме человека бактерии также выполняют важные задачи. Только кишечник населяют триллионы микробов. Многие из них помогают переваривать пищу, синтезируют полезные вещества и поддерживают иммунитет.

Развенчиваем миф

Есть расхожее мнение, что в организме человека бактерий в несколько раз больше, чем собственных клеток, а суммарная их масса составляет более двух килограммов. Однако исследования это опровергают.

Полезные бактерии: здоровое пищеварение, защита от инфекций и витамины

Основная часть микробиома человека (совокупность всех микробов, населяющих организм — бактерий, вирусов, грибков) сосредоточена в кишечнике. Вот некоторые функции кишечных микробов.

Расщепление сложных углеводов

Для переваривания многих растительных волокон и сложных углеводов (например, клетчатки) собственных пищеварительных ферментов недостаточно. Здесь на сцену выходят кишечные бактерии. Они помогают расщеплять эти вещества, превращая их в короткоцепочечные жирные кислоты и другие соединения, которые организм в состоянии усвоить.

Конкуренция с вредными бактериями и пробиотики

Полезные микробы поедают питательные вещества, которыми могли бы воспользоваться вредоносные бактерии. Благодаря этому уменьшается риск размножения патогенной флоры, а кишечник продолжает нормально функционировать. Такие полезные микроорганизмы (главным образом, бактерии) называются пробиотиками.

К основным пробиотикам относят лактобациллы (Lactobacillus), бифидобактерии (Bifidobacterium), а также некоторые виды пропионовых бактерий и стрептококков. Лактобациллы помогают поддерживать здоровую микрофлору кишечника, участвуют в расщеплении углеводов и молочного сахара (лактозы). Бифидобактерии защищают организм от патогенных микробов, синтезируют витамины, а также увеличивают всасывание кальция, железа и витамина D.

Сегодня пробиотики выпускают в виде пищевых добавок. Их также добавляют в различные продукты, например, кефир, йогурт, творог и другие. Целесообразность их применения и эффективность — предмет дискуссий.

Есть также пребиотики — вещества, которые помогают выживать полезным бактериям, и синбиотики — сочетание пробиотиков и пребиотиков. Их эффективность также не доказана.

Пробиотики, пребиотики, синбиотики: что это такое и есть ли в них смысл

Синтез витаминов

Полезные бактерии в кишечнике также производят витамины. Например, это витамин К, играющий ключевую роль в свертывании крови. Также это витамины группы В — В2 (рибофлавин), В6 (пиридоксин) и В12 (кобаламин). Они крайне важны для здоровья нервной системы, а их недостаток приводит к слабости, анемии, неврологическим и другим неблагоприятным симптомам.

Бактерии на службе у науки: от антибиотиков до редактирования генома

В медицине бактерии сыграли важную роль, став источником для создания многих антибиотиков. Хотя первый в мире антибиотик — пенициллин — был обнаружен в плесневом грибке, позже учёные выделили новые антибиотики из бактерий. Например, стрептомицин впервые был получен из бактерий Streptomyces, а первый тетрациклиновый антибиотик, хлортетрациклин выделили из почвенных бактерий актиномицетов.

С развитием генной инженерии и биотехнологий человечество научилось использовать бактерии для производства различных веществ, в том числе и лекарств. Самый яркий пример — производство инсулина для пациентов с диабетом. Раньше гормон получали из поджелудочных желез крупного рогатого скота, и это был достаточно трудоёмкий процесс. Кроме того, такой инсулин не отличался высокой эффективностью.

Еще одна технология, которую учёные скопировали у бактерий, — CRISPR-Cas или редактирование генома. Исследователей долго интересовал вопрос, как бактерии защищаются от вирусов (бактериофагов). Оказалось, что происходит это весьма оригинальным способом. Бактерии запоминают фрагменты вирусной ДНК, чтобы быстро распознавать и уничтожать вирус, разрезав его по заданным участкам. Сегодня с помощью CRISPR-Cas из генов «вырезают» участки с мутациями. Технологию исследуют как способ лечить тяжёлые наследственные заболевания.

Вредоносные бактерии

Из-за своей способности быстро размножаться и приспосабливаться к условиям среды, патогенные микроорганизмы представляют серьёзную угрозу для здоровья. Вот несколько распространенных бактерий, которые опасны для нас:

• Кишечная палочка. Некоторые штаммы E. Coli обитают в кишечнике и приносят пользу, однако есть и патогенные разновидности. Они могут вызывать тяжёлые пищевые отравления, которые сопровождаются диареей, болями в животе и сильной интоксикацией. Кроме того, непатогенные штаммы E. Coli могут стать причиной инфекционных заболеваний, если выходят за пределы кишечника. Например, это инфекции мочеполовых органов — простатит, цистит и кольпит. Если E. Coli попадает в брюшную полость, то может развиться перитонит.
• Сальмонеллы. Эти бактерии могут обитать в пищевых продуктах — сыром мясе, яйцах и молоке. При заражении сальмонеллами (сальмонеллёзе) возникают яркие симптомы пищевого отравления — тошнота, рвота, диарея и повышение температуры тела.
• Золотистый стафилококк. Это широко распространенная бактерия, которая может обитать на коже и слизистых оболочках. Золотистый стафилококк может стать причиной лёгких кожных инфекций (например, угрей), а иногда и смертельно опасных состояний (например, сепсиса).

Основное лечение бактериальных инфекций — антибиотикотерапия. Врач подбирает антибиотик в зависимости от конкретной инфекции.

Как лечить цистит и чем он опасен: рассказывает уролог

Антибиотикорезистентность: бактерии наносят ответный удар

Выше мы упоминали, что одна из особенностей бактерий — быстрая адаптация к среде. Это касается и лекарств, которые используются при бактериальных инфекциях. Оказалось, что некоторые патогенные бактерии со временем стали устойчивыми к применяемым антибиотикам.

Чтобы избежать такого драматичного прогноза, сегодня активно разрабатывают новые антибиотики, а также ищут альтернативные методы лечения бактериальных инфекций. Например, это лечение бактериофагами — вирусами бактерий.

Врач-отоларинголог «Клиники Фомина» Анастасия Морозова рассказывает об основных причинах антибиотикорезистентности:

• Неправильное применение антибиотиков. В частности, это использование этих лекарств при вирусных инфекциях, где они неэффективны. Сюда также относится неадекватная дозировка, несоблюдение режима приёма и преждевременное прекращение курса лечения. Эти факторы способствуют выживанию бактерий, которые не были полностью уничтожены.
• Использование антибиотиков в сельском хозяйстве. Антибиотики широко применяются в животноводстве для профилактики болезней. Так у животных формируются резистентные штаммы бактерий, которые могут передаваться людям через пищу.
• Недостаточный контроль за инфекциями. Несоблюдение гигиенических норм и мер профилактики инфекций в медицинских учреждениях способствует распространению резистентных бактерий.
• Отсутствие новых антибиотиков. Разработка новых антибиотиков сильно замедлилась за последние десятилетия. Имеющиеся антибактериальные препараты из-за широкого, а порой и нерационального назначения быстро перестают быть эффективными для некоторых возбудителей.

Главное

Бактерии — это не только опасные возбудители болезней, но и помощники. Сбалансированный взгляд на хорошие и плохие бактерии помогает более ответственно относиться к собственному здоровью (например, разумно использовать антибиотики) и расширяет горизонты научных исследований. В частности, это поиск новых лекарств, методов по утилизации отходов, повышению урожайности и сохранению экосистем.

Похудение по науке: учёные объяснили, почему вес возвращается