Biom: Czyli sto bilionów mikroorganizmów, które mieszkają w naszym brzuchu i nami rządzą

Badanie ludzkiego genomu, czyli sekwencjonowanie wszystkich genów obecnych w komórkach naszego organizmu, rozpoczęło się w latach 80. minionego wieku, a zakończyło z fanfarami w roku 2001. Wówczas to zakończono badania prowadzone pod kierunkiem słynnego biotechnologa Craiga Ventera, których wyniki opublikowano w najważniejszych czasopismach naukowych świata, od „Nature" po „Science".

Nie obyło się co prawda bez pewnego skandalu, gdy okazało się, że Venter ponaddwukrotnie przeszacował liczbę ludzkich genów i poddał sekwencjonowaniu głównie swój własny genom. Ostateczną, w pełni poprawną wersję ludzkiego genomu, opartą na danych na temat DNA wielu ludzi o różnym podłożu etnicznym, opublikowano w „PLOS Biology" w roku 2007. Dziś ambicje badaczy sięgają znacznie dalej: interesuje ich genom wspomnianych stu bilionów mikroorganizmów kolonizujących nasz żołądek i jelita. I w samym 2014 roku projekt ten pochłonął ponad milion dolarów.

Nie chodzi przy tym o pustą ciekawość: wydaje się już praktycznie pewne, że istnieje oś „bakterie w jelitach – mózg w głowie", przy czym stroną dominującą okazują się... bakterie. My bowiem nie mamy na razie żadnego sposobu, by je kontrolować – poza, być może okazjonalnym, urządzeniem nalotu dywanowego przy użyciu antybiotyków. W drugą stronę – oddziaływania istnieją i są przez nas obecnie coraz częściej odkrywane.

Co więcej – ponad wszelką wątpliwość nie mamy do czynienia z „samotnym tłumem" stu bilionów bakterii. Składające się na mikrobiom przewodu pokarmowego komórki są wysoce uorganizowane. Tworzą uporządkowane trójwymiarowe struktury, o których można mówić w kategoriach megaorganizmu. Współpracują z sobą i porozumiewają się, są w stanie się policzyć, a przynajmniej oszacować, ile ich jest. A co najgorsze, stale oszukują, ogłupiają, unieszkodliwiają lub przekupują nasz układ odpornościowy.

Posag porodowy

Czy jesteśmy zatem w stanie w jakikolwiek sposób wpłynąć na stan swojego biomu? Decyduje o nim z jednej strony nasz własny genom i kodowane w nim receptory, do których zdolne są wiązać się określone bakterie. W tym zakresie zależy on zatem od naszego drzewa genealogicznego i genów wyselekcjonowanych u przodków. Wydaje się, że z drugiej strony o kształcie naszego biomu decyduje łut szczęścia. Czasem bowiem tylko zdarza się, że podczas naturalnego porodu nabyliśmy dobrą florę pochwową od mamy. A to wtedy wszystko się zaczyna: przyjazna nam i niezbędna kolonizacja florą bakteryjną następuje przy narodzinach – więc jeśli tylko możliwe, warto unikać cesarskiego cięcia.

Co wydarza się potem? Opisują to w swojej książce „The Good Gut" Justin i Erica Sonnenburg: najlepiej, jeśli dziecko karmione jest piersią i obecnymi na niej Bacteroides. Następnie zaś nie szprycowano go w dzieciństwie antybiotykami, gotowano zupki-krupki i kaszki-patataszki w domowej kuchni, a nie w koncernie spożywczym. A jaka jest alternatywa? Mieszanki dla niemowląt (nawet te „z probiotykiem"), dieta bezresztkowa, hipersterylność środowiska (sterylizacja butelek i smoczków, ciągłe przecieranie rąk chusteczkami) wiodą nasze pociechy ku rozlicznym chorobom.

Co ciekawe: osesek nie trawi w ogóle trzeciego najważniejszego składnika mleka ludzkiego (po białkach i cukrze mlekowym) – czyli cukrów złożonych. Jaka jest zatem ich rola? Znalazły się tam one jedynie ze względu na bakterie, które właśnie kolonizują rozwijające się, bardzo jeszcze niedojrzałe jelita. Jeśli bakteriom dać dobrze zjeść, mogą skutecznie zniwelować ryzyko kolek, alergii skórnych czy astmy. Wytrenują rozwijający się w bobasie układ odporności, wskazujący, kto przyjaciel, a kto wróg. Pamiętajmy: brud jest dla zdrowia groźny, ale hiperhigieniczność – również. Warto nauczyć dzieci, jak myć ręce, ale nie warto kupować sprzętów dziecięcych i zabawek z bakteriostatykiem czy dezynfekować łóżeczka i kojca.

Natychmiast bowiem po narodzinach nowy ssak – więc i człowiek – zostaje na drodze pokarmowej gwałtownie skolonizowany przez mikroorganizmy. W wyniku tej bakteryjnej inwazji dosłownie każdy z nas posiada przebogate i unikatowe życie wewnętrzne (sic!). To dzięki niemu prawidłowo rozwija się bariera krew–jelito, powstają stosowne naczynia krwionośne, perystaltyka, działa układ odporności zarówno wrodzonej, jak i adaptatywnej. Wreszcie dochodzi w jelitach do ustanowienia homeostazy, czyli stanu błogiej i trudnej do zaburzenia równowagi.

Nasze symbiotyczne bakteryjne alter ego broni nas przed patogenami, trawi dla nas niedostępne naszemu żołądkowi składniki pokarmu, choćby wielocukry, gumy czy śluzy (uwaga miłośnicy alg, sushi i mięczaków!). Tu na marginesie można dodać, że już kilka ładnych lat temu w genomie charakteryzującym Japończyków odkryto gen przeniesiony z pewnej bakterii morskiej, a umożliwiający im trawienie zrobionej z wodorostów „skórki" maki. A skoro tak – rzecz nie jest ewolucyjnie stara, skoro etniczni Japończycy najpewniej pochodzą od imigrantów z kontynentu azjatyckiego pojawiających się na wyspach nie wcześniej niż w III wieku p.n.e.

Wiadomo ponadto, że bakterie mikrobiomu neutralizują rakotwórcze substancje obecne w pożywieniu (np. produkty spiekania cukrów obecne na każdej dobrze wypieczonej skórce chlebowej), pomagają w prawidłowym trawieniu lipidów, produkują dla nas witaminy. Jak zauważa dr Premysl Bercik, klinicysta z The Farncombe Family Digestive Health Institute w kanadyjskim Hamilton, bez mikrobiomu nie działa prawidłowo wątroba, a prawdopodobnie również nerki. Dlaczego zatem miałby prawidłowo działać mózg?

Biom dobrze urodzony

Czy jakoś możemy zadbać o swoich sto bilionów mieszkańców? Miejmy nadzieję, że prawidłowo się odżywiamy (dużo błonnika, mało cukrów prostych), jesteśmy aktywni fizycznie i posiadamy partnera seksualnego o zdrowym mikrobiomie. A to ostatnie okazuje się niezmiernie istotne: to bardzo prawdopodobne, że to nasz mikrobiom wybrał dla nas chemicznie partnera – inni nie byli dla nas szczególnie atrakcyjni. A skoro tak – nie tyjemy, nie grozi nam cukrzyca, alergie czy choroba Crohna, nie cierpimy na biegunki podróżnych ani na kłopoty z pamięcią czy depresję – żyć, nie umierać! Aczkolwiek w tym celu również inne nasze układy muszą współdziałać z jelitami.

Warto sobie bowiem uświadomić, że choć bakterie jelitowe w normalnych warunkach (czyli gdy jelito nie jest perforowane lub bakteria nie jest inwazyjną „cholerą jakąś") nie są go w stanie opuścić tak po prostu, potrafiąc wpływać na inne organy, jakoś muszą to czynić. Pomagają w tym tzw. komórki dendrytyczne przebywające w podnabłonkowej warstwie jelita. To one wyciągają swe „nibynóżki" poprzez barierę nabłonka aż do światła jelita i pochłaniają nimi tak bakterie tam obecne, jak i produkowane przez nie metabolity.

Sposób ich pożerania powoduje, że opakowane są w specjalne pęcherzyki (coś jak obecne w kremach przeciwzmarszczkowych liposomy). Komórki dendrytyczne przekazują swój ładunek (w którym bakterie są już raczej martwe) białym krwinkom obecnym w węzłach chłonnych, te z kolei wyrzucają je wprost do limfy, ta łączy się z krwią, a ta pozwala przekraczać owym pęcherzykom barierę krew–mózg.

Dbajmy zatem o nabłonek jelita – to nasza największa życiowa powierzchnia. Jeśli go z nas wyjąć i rozwinąć, moglibyśmy się nim wielokrotnie „ofoliować". Jest to także nasz największy organ... immunologiczny (przy którym węzły chłonne to wisienki na torcie). Produkowane tam związki pozwalające na komunikację w układzie odporności czy też powstające w stanie zapalnym potrafią poważnie wpłynąć na nasze samopoczucie. Kto nie wierzy, niech zafunduje sobie jakieś przejściowe zapalenie, na przykład da sobie zawiać ucho. Prawda, że nieprzyjemnie?

Związki wprowadzane do jelita, np. alkohol, mogą uszkadzać jego kosmki, czyli nisze dla bakterii nam pożytecznych, walczących ze stanem zapalnym i bakteriami chorobotwórczymi. Ponadto powstające w jelitach związki mogą być dla układu nerwowego po prostu szkodliwe. Zmiana składników lub struktury mikrobiomu, choćby na drodze zadziałania antybiotykiem o szerokim spektrum, może poważnie zmienić nam nastrój. Zauważmy, jak się czujemy, gdy podczas zakażenia podawane nam są antybiotyki. Stan potencjalnej nieprzytomności z powodu gorączki i toczącego zakażenia nie ustępuje w trakcie terapii miejsca normalnemu dla nas nastrojowi, a raczej apatii czy stanom depresyjnym. I tak mamy szczęście. Gdyby tak na przykład krowie (czy innym przeżuwaczom) zabić biom jej gigantycznego żołądka antybiotykiem, to padłaby z głodu, zanim zabiłaby ją depresja.

W komunikacji pomiędzy naszym mózgiem i przewodem pokarmowym najistotniejszą rolę pełni nerw błędny. Przekazuje on mózgowi informację o zapalnych, hormonalnych, nerwowych i bakteryjnych zmianach w jelitach. Same zaś bakterie potrafią dzięki swej fermentacji produkować związki, takie jak krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, znane ze swej zdolności wpływania na działanie mózgu (z niektórymi z nich w naturze spotykają się osoby – no cóż, skacowane). To także bakterie zdolne są wpływać na rozwój i plastyczność mózgu, gdyż produkują i wydzielają do naszego krwiobiegu związki neurotroficzne, czyli białka wzrostowe wspomagające rozwój i działanie określonych grup komórek nerwowych.

Gryzonie pozbawione wszelkich drobnoustrojów (można laboratoryjnie uzyskać i utrzymać w hodowli całkowicie sterylną mysz) wykazują zmiany w zachowaniu, osłabioną pamięć i zdolność uczenia się oraz zaburzenia emocjonalne. Zachowują się jak myszy autystyczne, które spędzają większość swego czasu na błądzeniu wzrokiem po nieożywionych elementach swojego środowiska, niezdolne do nawiązania relacji z innymi gryzoniami w klatce. Nie tylko funkcje ich mózgu, ale i jego struktura, są zmienione.

Naukowcy wiedzą już, że istnieją „bakterie rozweselające", „antydepresyjne" i „przeciwspleenowe". Sztuką jest jednak ich wyizolowanie z masy odchodów. Mikrobiom to jakby gigantyczny ekosystem, wielokomórkowy i – wielogatunkowy – organizm. Owszem, czasem udaje się uzyskać sekwencje jakichś nieznanych nauce bakteryjnych genów w DNA wyizolowanym z treści naszych jelit. Ich obecność dowodzi, że żyje tam jakaś nieznana nauce bakteria. Ale jak wyhodować bakterię, do której owe geny należą? Wymaga to niemało trudu i sporo szczęścia, a na „czystą kulturę bakteryjną" i tak nie ma szans, bo jakaś bakteria X z naszych kiszek absolutnie żyć nie potrafi bez bakterii Y, ta z kolei znacznie lepiej się czuje, gdy wokół sporo bakterii Z. Rozdzielić ich nie sposób.

Jak jednak bakterie wpływają na usposobienie? U zwierząt eksperymentalnych binfekcje pokarmowe mają wpływ na ośrodkowy układ nerwowy. Tak Campylobacter jejuni (groźny dla miłośników „gotowania" w kuchence mikrofalowej) powoduje u zakażonej myszy nadpobudliwość i pobudzenie nerwu błędnego nawet poprzedzające stymulację układu immunologicznego. Z kolei chroniczne zakażenie Helicobacter pylori (czyli wstęp do choroby wrzodowej żołądka) prowadzi u gryzoni do zmiany zwyczajów żywieniowych.

Oś mózgowo-jelitowa to prawdziwy, dwustronny system komunikacji nerwowej: kluczowym neurotransmiterem jest serotonina, popularnie określana mianem „hormonu szczęścia". Jak wiadomo, gdy podjemy czekolady, która stymuluje jej produkcję, wpadamy w dobry nastrój. Podobnie dzieje się w przypadku bananów, które mają sporo serotoniny. Jest niezbędna przy naturalnym porodzie, od niej bowiem zależą skurcze macicy. Najwięcej serotoniny syntetyzują noworodki, a jej niedobór u przyszłej matki w okresie ciąży wiąże się z autyzmem u dzieci – w USA jest nawet dostępny test mierzący ten poziom. Niedobór serotoniny powoduje zaś odczuwanie nieszczęścia i jesienny spleen – do tego stopnia, że gdy jej poziom jest mocno zaniżony, trzeba na jakiś czas zaprzyjaźnić się z prozakiem, a czasem i z innymi lekami psychotropowymi.

Transplantacja dojelitowa

Ciekawe, że serotoniny jest dużo wtedy, kiedy kształtują się i ludzkie jelita, i ich wewnętrzny świat. Czyż hipoteza, że rozwój zależnego od serotoniny połączenia nerwowego jelita–mózg sprzęga się z różnorodną kolonizacją niemowlęcych jelit przez rozliczne drobnoustroje, nie jest kusząca? Możliwe, że działa to w obie strony – różne bakterie różnie wpłyną na ukształtowanie się układu serotonergicznego.

Zaburzenia zaś mikrobiomu w późniejszym okresie życia mogą wpłynąć na pojawienie się takich problemów, jak bezsenność czy depresja, nadwrażliwość na ból czy agresywność. Naukowcy z Uniwersytetu w Cork w tym wypadku skupili się na metabolizmie serotoniny – procesie nieprostym i regulowanym na wielu poziomach. Otóż normalnie serotonina powstaje w naszym organizmie z aminokwasu – tryptofanu. Tego zaś synteza odbywa się na skomplikowanej drodze, która w sporym stopniu jest zależna od stresu i działania układu odporności – a zatem wpływa na nią i każda choroba zakaźna, i mikrobiom. Hipotetycznie, bakterie jelitowe, ingerując w tę ścieżkę, nie tylko obniżałyby ilość powstającej serotoniny, ale dodatkowo powodowały powstawanie pośrednich metabolitów, działających przeciwnie do hormonu szczęścia.