Мікроорганізми: ключ до здоров'я людини
Маленькі, невидимі, але дуже живі й складні створіння: мікроорганізми є незамінними для життя на Землі та для доброго здоров'я. Як вони нам допомагають? Як ми можемо їх захистити? Чому деякі з них спричиняють хвороби? Дізнайтеся нижче
Про цю статтю
Мікроорганізми: мікроскопічні створіння з надзвичайними здібностями
Мікроорганізми – живі істоти, невидимі неозброєним оком, які іноді називають «мікробами» чи «зародками». Зазвичай вони складаються з однієї клітини й можуть бути знайдені всюди: від глибин океану до дна нашого кишківника, у повітрі, ґрунті, рослинах і річках
Мікроорганізми: невтомні працівники за лаштунками
Мікроорганізми незамінні для життя на Землі завдяки своїм надзвичайним здібностям. Серед них – ключова роль у розкладанні рослинних і тваринних решток чи у фіксації вуглецю й азоту. Вони – ключові ланки функціонування наземних екосистем і здоров'я живих істот.
Наш організм також утворює справжню екосистему, де живуть у гармонії популяції мільярдів «дружніх» мікроорганізмів, надаючи нам широкий спектр послуг. Ці популяції відомі як наша «флора» чи « (sidenote: Мікробіота Спільноти мікроорганізмів (переважно бактерій, але також вірусів, грибів та архей), які заселяють людське тіло. Тип, кількість і розподіл цих мікроорганізмів суттєво відрізняються в різних ділянках тіла. Кишкова мікробіота, відома також як мікрофлора кишківника, містить найбільшу кількість мікроорганізмів. Вона також є найбільш вивченою. У людей мікробіота також міститься в піхві (вагінальна мікробіота), на поверхні шкіри (мікробіота шкіри), в сечовивідних шляхах (сечова мікробіота), дихальних шляхах (легенева мікробіота) та в ділянці вуха, носа і горла (ЛОР-мікробіота). Ці численні мікробіоти взаємодіють між собою і беруть участь у травних, метаболічних, імунних та неврологічних функціях. ) ». Такий тип мікробної спільноти можна знайти не лише у тварин і рослин, а й у ґрунтах та океанах
500 мільйонів саме стільки риновірусів (причина застуди) могло б поміститися у сфері розміром із головку шпильки.
1 мільярд саме стільки бактерій і вірусів міститься в 1 г випорожнень.
1 мільярд кількість бактерій і грибів у 1 г ґрунту.
Мікробіота – це спільноти мікроорганізмів (переважно бактерій, а також вірусів, грибів та архей), що заселяють організм людини.
Мікробіота кишківника – також відома як кишкова флора – містить найбільшу кількість мікроорганізмів. Вона також найбільш вивчена.
У людини мікробіота присутня:
Бактерія для кожної потреби людства
- Фіксуючи атмосферний азот у ґрунті біля коренів бобових, бактерії Rhizobium сприяють їхньому росту, обмежуючи потребу в хімічних добривах;
- бактерії Lactobacillus acidophilus та Streptococcus thermophilus перетворюють молоко на йогурт;
- гриб Penicillium roqueforti перетворює зсіле й ферментоване молоко на блакитний сир чи рокфор;
- віруси під назвою «фаги» дозволяють нам лікувати певні інфекції, спричинені стійкими до антибіотиків бактеріями;
- дріжджі Saccharomyces cerevisiae перетворюють цукри з пшениці чи ячменю на алкоголь для виробництва пива;
- нарешті, сукупність бактерій, грибів та архей дозволяє очищати воду на очисних спорудах.
100 мільярдів бактерій міститься в 1 г зубного нальоту.
Сага мікроорганізмів
- 3,4–3,7 мільярда років тому: поява перших бактерій і архей (перших форм життя на Землі).
- 1665: англійський науковець Роберт Гук уперше спостерігає мікроорганізми (пліснявий грибок) під мікроскопом.
- 1674: голландський торговець тканинами Антоні ван Левенгук уперше спостерігає бактерії під мікроскопом, назвавши їх «анімалькулями».
- 1838: німецький натураліст і зоолог Крістіан Готфрід Еренберг вводить термін «бактерія».
- 1857: Луї Пастер демонструє роль бактерій у ферментації.
- 1882: Роберт Кох відкриває бацилу, відповідальну за туберкульоз.
- 1918: епідемія іспанського грипу, спричинена вірусом H1N1 (25 мільйонів смертей).
- 1930: перше спостереження вірусу за допомогою електронного мікроскопа.
- 1917: Фелікс д'Ерель і Фредерік Творт відкривають бактеріофаги.
- 1929: Александер Флемінг відкриває пеніцилін (антибіотик).
- 1977: Карл Возе відкриває бактеріальні археї.
- 1995: команда Крейга Вентера повністю секвенує перший бактеріальний геном.
- 2019: пандемія COVID-19 (вірус SARS-CoV-2).
Кілька визначень мікроорганізмів
Бактерії
Вірус (включно з фагами)
Найпростіші
Мікроводорості
Гриби
Археї
Разом із вірусами бактерії, безсумнівно, є найзнайомішими широкому загалу мікроорганізмами. Під мікроскопом вони мають найрізноманітніші форми (палички, сфери, спіралі тощо) і можуть бути знайдені всюди: у рослинах, тваринах, людях, ґрунті, океанах тощо. Бактерії відіграють основну роль у розкладанні тваринної та рослинної органічної матерії. На щастя для нас, лише невелика їхня кількість діє як паразити чи патогени. Деякі псують їжу, тоді як інші покращують смак і зберігання (ферментація). Більшість бактерій, що живуть у симбіозі з людиною, знаходяться в травній системі (мікробіота). У ґрунтах Nitrobacter окислює нітрит до нітрату, тоді як Methanobacterium перетворює карбонат на метан. Propionibacterium перетворює лактозу молока, надаючи горіховий смак ементалю та грюйєру, тоді як певні непатогенні стафілококи сприяють дозріванню сиру та формуванню кірки4.
На жаль, деякі бактерії більш відомі своїм шкідливим впливом на здоров'я. У нашій кишковій мікробіоті більшість штамів Escherichia coli нешкідливі, але деякі можуть спричиняти харчові отруєння. Наприклад, бактерія Shigella відповідальна за захворювання під назвою шигельоз і спричинила 212 438 смертей у світі у 2016 році. Vibrio cholerae відповідальна за небезпечні спалахи холери у світі та 107 290 зафіксованих смертей у 2016 році, здебільшого серед бідних верств населення без доступу до питної води5. Інші сумнозвісні приклади – Clostridium tetani, що синтезує токсин, відповідальний за правець, і Clostridioides difficile – стійка до антибіотиків бактерія, головна причина небезпечної для життя внутрішньолікарняної інфекційної діареї у дорослих5.
У великій родині мікроорганізмів віруси – найменші представники. Їхня структура надзвичайно проста: молекула ДНК чи РНК, оточена білками, які разом утворюють «капсид». Одна з незвичайних особливостей вірусів – їхня повна залежність від клітини-господаря. Іншими словами, вони мають проникнути в клітину і захопити її механізми, щоб реплікуватися й заражати нові сусідні клітини. Саме так діють віруси, що заражають людей (СНІД, застуда, грип тощо). Після вивільнення клітина-господар гине, і нові віруси атакують інші клітини.
Попри дуже погану репутацію, не всі віруси патогенні для людини, а деякі навіть є нашими друзями. Це стосується вірусів, відомих як бактеріофаги, або фаги (буквально «пожирачі бактерій»), які заражають лише бактерії. Дуже корисні для регулювання певних бактеріальних популяцій, бактеріофаги пропонують нові терапевтичні перспективи та є альтернативою антибіотикам. До них належать Siphoviridae, Myoviridae та Podoviridae, які відрізняються від «класичних» вірусів наявністю хвоста, що дозволяє їм прикріплюватися до бактерій. Бактеріофаги становлять половину всіх відомих видів вірусів4.
Загалом усі вірусні спільноти мікробіоти відомі як «вером».
Менш відомі широкому загалу найпростіші – одноклітинні мікроорганізми найрізноманітніших форм: мінливі, як амеба, чи нерухомі й складні, як інфузорія-туфелька. Вони переважно живуть у різноманітних вологих середовищах, включно з прісною водою, морськими середовищами та ґрунтом. Вони можуть рухатися «амебоїдними» рухами за допомогою війок або пересуватися за допомогою джгутиків. Деякі найпростіші можуть заражати рослини й тварин, включно з людьми. Це стосується Plasmodium falciparum, сумнозвісного в усьому світі збудника тяжких форм малярії, якого бояться під час поїздок до певних країн.4.
Мікроводорості можна знайти у прісній чи морській воді, зокрема на дні океанів, озер чи річок. Іноді вони можуть розвиватися в ґрунтах чи на вологому камінні або в шерсті певних тварин. Вони містять хлорофіл, що дозволяє їм синтезувати власну їжу із сонячного випромінювання. Діатомові водорості – це мікроводорості, які опускаються на морське дно після загибелі. Їхні м'які частини розкладаються, а кремнієва клітинна стінка осідає під впливом тиску води4.
Фітопланктон – це мікроводорості, присутні в морській воді. Разом із бактеріями та вірусами, що також там живуть, вони утворюють «морську мікробіоту». Ця різноманітна популяція мікроорганізмів становить понад дві третини морської біомаси. Вона позитивно впливає на океанічну екосистему та сприяє здоров'ю планети.1
Більшість грибів живуть у ґрунтах і на рослинах. Існує три основні групи грибів: багатоклітинні ниткоподібні плісняві грибки, макроскопічні ниткоподібні гриби та одноклітинні мікроскопічні дріжджі4. У природі плісняві та ниткоподібні гриби беруть участь у циклі вуглецю, розвиваючи довгі розгалужені нитки (міцелій), здатні розкладати рослинну матерію. Найбільший відомий міцелій знаходиться в Орегоні (США) і простягається на 9,7 км². В охороні здоров'я Penicillium notatum стояв за випадковим відкриттям пеніциліну Александером Флемінгом у 1928 році – одним із найбільших наукових проривів в історії. У харчовій промисловості одомашнення певних ниткоподібних грибів дозволяє виробництво сирів. Penicillium roqueforti використовується для дозрівання блакитних сирів, тоді як комплекс видів Penicillium camemberti застосовується для виробництва м'яких сирів, таких як камамбер і брі6. Дріжджі, як-от Saccharomyces, розмножуються брунькуванням дочірньої клітини від початкової материнської клітини. Вид Saccharomyces cerevisiae використовується у виробництві вина та пива.6
Деякі гриби є паразитами рослин, спричиняючи такі захворювання, як борошниста роса чи парша. Лише невелика кількість грибів впливає на здоров'я людини. До них належать стригучий лишай, молочниця та дріжджі Candida albicans, що спричиняють кандидоз.4.
Довгий час класифіковані як бактерії, на які вони дуже схожі, археї – одноклітинні мікроорганізми, що іноді утворюють нитки чи скупчення. Дослідження 1970-х років показали, що вони еволюційно відрізняються від бактерій. Вони мають спільні риси з еукаріотичними клітинами (такими як клітини людини), які мають складнішу структуру, ніж прокаріотичні бактерії. Археї можуть жити в екстремальних середовищах, таких як високий тиск чи рівень солоності, або дуже низькі чи дуже високі температури (гарячі джерела, гейзери, антарктичний лід тощо)4. Halobacterium чи Halococcus живуть у солоних озерах і мають червоний чи жовтий колір через свої пігменти, тоді як Pyrobaculum розмножуються під землею, у нафтових резервуарах, за температури понад 100°C.
Любіть своїх мікробів, і вони відповідатимуть вам взаємністю
Якщо ви думали, що мікробів треба лише знищувати, тепер ви бачите, що помилялися. Переважна більшість мікробів незамінна для життя й діяльності людини. Вони також незамінні для функціонування нашого організму та доброго здоров'я
Взаємовигідний обмін цінностями3, 7, 8
У нашому організмі живе розмаїта безліч «коменсальних» мікроорганізмів – на відміну від патогенних – з якими у нас справді симбіотичні стосунки. В обмін на їжу та притулок ці мікроби надають нам неоціненні послуги
У кишківнику бактерії мікробіоти живляться харчовими волокнами – які ми самі не здатні розщепити – і вивільняють важливі сполуки, відомі як коротколанцюгові жирні кислоти (КЖК). Ці молекули живлять кишкові клітини, сприяючи їхньому росту й диференціації та зміцнюючи їхню бар'єрну функцію. Мікроби також синтезують корисні біоактивні речовини, такі як амінокислоти та вітаміни (K2, B5, B6 тощо).
Вони також відіграють роль у дозріванні імунних клітин, особливо численних у стінці кишківника, і, займаючи територію та синтезуючи певні антибактеріальні білки, звані бактеріоцинами, захищають нас від розмноження патогенних мікроорганізмів. Нарешті, вони синтезують (sidenote: Метаболіти Малі молекули, що утворюються в процесі клітинного або бактеріального метаболізму. Наприклад, коротколанцюгові жирні кислоти — це метаболіти, які виробляються мікробіотою кишківника під час ферментації неперетравлюваних складних вуглеводів (клітковини тощо). Silva YP, Bernardi A, Frozza RL. The Role of Short-Chain Fatty Acids From Gut Microbiota in Gut-Brain Communication. Front Endocrinol (Lausanne). 2020;11:25. Lamichhane S, Sen P, Dickens AM, et al An overview of metabolomics data analysis: current tools and future perspectives. Comprehensive analytical chemistry. 2018 ; 82: 387-413 ) , здатні регулювати деякі наші фізіологічні функції, зокрема імунну та нейронну. Наприклад, мікробіота й мозок перебувають у постійній комунікації через так звану вісь «мікробіота–кишківник–мозок».
Яку роль відіграє мікробіота в осі кишечник-мозок?
Як подбати про своїх мікробів 3, 7, 8
Здоров'я нашої мікробіоти залежить від багатьох факторів: генетики, віку, середовища проживання, способу народження тощо. Але найпотужнішим модулятором мікробіоти кишківника залишається наше харчування. «Здорова» мікробіота, тобто багата й різноманітна, вимагає раціону з достатнім розмаїттям рослинної їжі (фрукти, овочі, олійні культури, цільні злаки, бобові тощо, що забезпечують правильні «субстрати», чи їжу, для мікроорганізмів), а також живих бактерій (ферментовані продукти, такі як квашена капуста, комбуча, кефір тощо)
Наше харчування не повинно містити забагато шкідливих продуктів, таких як ті, що містять емульгатори та підсолоджувачі
Скорочення прийому певних ліків (антибіотиків, антацидів, проносних, анксіолітиків тощо), помірне споживання алкоголю й тютюну та регулярна фізична активність – також чудові способи сприяти здоровій мікробіоті.
Коли мікроби шкодять, страждає наш організм
Мікроби відповідальні за безліч інфекційних захворювань: риновірус спричиняє застуду, вірус SARS-CoV-2 – COVID-19, бактерія Salmonella – гастроентерит, гриб Candida – кандидоз тощо. На щастя, нині ми маємо протимікробні препарати (антибіотики, противірусні, протигрибкові тощо), здатні лікувати більшість інфекцій, спричинених мікроорганізмами.
Визнана ВООЗ проблемою громадського здоров'я, антимікробна резистентність може забирати до 10 мільйонів життів на рік до 2050 року (стільки ж, скільки рак)10. ВООЗ рекомендує обмежувати застосування протимікробних препаратів, зокрема антибіотиків, у тваринництві, охороні здоров'я людей та сільському господарстві, але передусім закликає до розробки нових, ефективніших методів лікування інфекцій.
Всесвітній тиждень обізнаності про стійкість до протимікробних препаратів (англійською: WAAW — World AMR Awareness Week) відзначається щорічно з 18 по 24 листопада. У 2023 році, як і у 2022 році, було обрано тему «Протидіймо антимікробній резистентності разом». Справді, ця стійкість становить загрозу не лише для людей, а й для тварин, рослин та навколишнього середовища.
Тому мета цієї кампанії полягає як у підвищенні обізнаності про стійкість до протимікробних препаратів, так і в просуванні найкращих практик відповідно до концепції «Єдине здоров'я» (або «One Health») серед усіх зацікавлених сторін (широкого загалу, лікарів, ветеринарів, тваринників та фермерів, представників влади тощо), щоб зменшити виникнення та поширення стійких інфекцій.
Дисбаланси: сприятливий ґрунт для хвороб способу життя 3, 5, 8
Мікроорганізми відповідальні не лише за інфекційні захворювання. Чи знали ви, що мікроорганізми також відіграють роль в ожирінні, діабеті, остеопорозі, раку, судинних захворюваннях і нейродегенеративних захворюваннях (Паркінсона, Альцгеймера тощо)?
Дослідження показують, що люди, які страждають на ці хвороби, мають дисбаланс своєї мікробіоти, відомий як «дисбіоз». Дисбіоз характеризується втратою багатства й різноманітності мікробних популяцій, особливо в кишківнику. Численні дослідження показали, що такі дисбаланси можуть негативно впливати на функціонування нашого організму та сприяти виникненню чи загостренню захворювань.
Наявні на сьогодні дані не дають точної відповіді на питання, чи дисбіоз спричиняє захворювання, чи захворювання спричиняє дисбіоз. Однак дослідження свідчать, що можливо підтримувати добре здоров'я, забезпечуючи багатство та різноманітність мікробіоти, тобто її «здоров'я», або відновлюючи її баланс
Що ви чули про дисбіоз?
Модуляція мікробіоти для профілактики чи навіть лікування захворювань!
Існує кілька способів позитивно модулювати кишкову мікробіоту у випадках дисбіозу чи захворювання:3, 7 :Харчування та спосіб життя (див. вище)3, 7;
- Пребіотики (інулін, галактоолігосахариди [ГОС], фруктоолігосахариди [ФОС] та лактулоза): ці сполуки здатні спеціально живити групи корисних бактерій, таких як Bifidobacterium та Lactobacillus, сприяючи їхньому розмноженню11;
- Пробіотики (специфічні штами живих бактерій чи дріжджів із доведеною користю для здоров'я): наразі наукові докази їхньої ефективності обмежені дитячою діареєю, діареєю, пов'язаною з антибіотиками, певними запальними захворюваннями кишківника та некротизуючим ентероколітом, але їхній терапевтичний потенціал є предметом активних досліджень;11
- Біоактивні метаболіти: здатні модулювати фізіологію цільових мікроорганізмів;
Світ мікробів: невичерпне джерело терапевтичних можливостей
Мікроорганізми – цінна галузь досліджень для науковців. Наприклад, щоб краще боротися з бактеріальною резистентністю до антибіотиків і розробити інструменти моніторингу, науковцям потрібне краще розуміння того, як бактерії обмінюються генами, як вони набувають антимікробної резистентності та шляхів, якими ця резистентність циркулює між довкіллям, людьми й тваринами.
Високороздільна геноміка та метагеноміка, широко застосовувані в дослідженнях мікробіоти людини, є потужними інструментами для вивчення мікробної динаміки.
Мікробіота на перехресті досліджень
Дедалі більше досліджень прагнуть покращити наше розуміння того, як мікроорганізми мікробіоти взаємодіють із людиною та сприяють належному функціонуванню людських клітин, а також розкрити, які мікробні профілі найкорисніші для здоров'я, а які зміни сприяють захворюванням.
Кінцева мета – визначити нові терапевтичні напрямки та нові пробіотичні бактерії, які дозволять модулювати мікробіоту та ефективніше керувати певними гострими й хронічними захворюваннями.
Як бачите, хоча мікроорганізми невидимі й мають погану репутацію, вони заслуговують на нашу повну повагу й увагу, оскільки незамінні для нашого життя.
Багато таємниць досі оточують спільноти, які вони утворюють, їхню взаємодію з довкіллям і роль, яку вони відіграють у нашому організмі, але не минає й дня без нового дослідження, що показує важливість мати їх на своєму боці, а отже, і зміцнення нашого симбіозу з ними.
Microbiota: a well-connected network that influences health
BMI-24.12
Дивіться також
