Testünk legalább több száz, de lehet hogy több ezer különböző mikrobafajnak ad otthont – a pontos számban senki sem biztos. És mikrobiom nagysága csak az egyik a számos rejtély közül, ami bennünk élő mikrobiális közösség kapcsán felmerül. Belső ökoszisztémánk fontos szerepet játszik a patogének kordában tartásában, a táplálék feldolgozásában, és valószínűleg viselkedésünket is befolyásolja. A szakértők azonban egyelőre még nem tudják pontosan, hogy melyik mikroba mit csinál. De azt máris több vizsgálat eredményei sugallják, hogy sok faj együttműködve végzi a mikrobiomra eső feladatokat.
Annak jobb megértése érdekében, hogyan hatnak a mikrobák az egészségünkre, egy kutatócsoport elsőként hozott létre szintetikus emberi mikrobiomot. Ebben 119 olyan baktériumfajt kevertek össze, amely természetes körülmények között megtalálható az egészséges emberi testben. A keveréket saját mikrobiommal nem rendelkező egereknek adták be, és a bakteriális közösség szépen megtelepedett és stabilizálódott a rágcsálók szervezetében. És akkor is stabil maradt, amikor a kutatók újabb mikrobákat juttattak be az egerekbe.
A jelek szerint a szintetikus mikrobiom még az agresszív patogéneknek is képes ellenállni, és ugyanolyan egészséges immunrendszert biztosít az egereknek, mint rágcsálók természetes mikrobiális közössége.
Sok a baktérium, kevés az információ
A mikrobiom alaposabb megértése érdekében az utóbbi években számos kutatás kezdődött, mivel a szakértők szerint bennünk élő baktériumok és más mikrobák megismerése révén egy sor betegség válhat kezelhetővé. Egyes területeken máris használják a mikrobiomot, például a Clostridium difficile baktérium által okozott, életveszélyes bélfertőzéseket kezelnek egészséges donoroktól származó széklet átültetésével. Ennek nyomán a fertőzés általában gyorsan elmúlik. „Meglepően jól működik” – mondja Alice Cheng, a Stanford gasztroenterológusa, az új vizsgálat vezetője.
Cheng és kollégái a szintetikus mikrobiom révén az egyes mikrobák szerepét próbálják felderíteni, például olyan módon, hogy a 119-ből csak 118-féle mikrobát kevernek be az egereknek, és megnézik, hogyan befolyásolja a változás az egészségüket.
„Nagyon régóta szükség volt egy ilyen kutatásra” – mondja Gary Wu, a Pennsylvaniai Egyetem gasztroenterológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban.
Mindannyiunk teste nagyjából 30 billió mikrobának ad otthont, körülbelül ugyanannyinak, mint ahány saját sejttel rendelkezünk.
Mivel azonban a baktériumok sokkal kisebbek, mint az emberi sejtek, csak néhány kilogrammot tesznek ki testtömegünkből. A 21. század előtt az a kevés, amit a mikrobiomról tudtunk, azon a néhány fajon alapult, amit a kutatóknak sikerült Petri-csészében kitenyészteni. A 2000-es évek elején aztán a terület óriási fejlődésnek indult, mivel az emberi nyál, széklet és bőr DNS-elemzésével az ezekben és ezeken élő mikrobák átfogó kategorizálása is megkezdődhetett.
A jelenlegi lista megdöbbentően hosszú, és számos olyan fajt tartalmaz, amely addig ismeretlen volt a mikrobiológusok számára. Ami még furcsább, vannak olyan mikrobák, amelyek egyes emberekben élnek, másokban viszont nem találhatók meg. Vagyis nem létezik egyetlen emberi mikrobiom, a bennünk élő mikrobiális közösség nagyon változatos lehet.
Korlátozott koktélok
A mikrobák kategorizálása után egyre többen kezdtek egerekkel kísérletezni az ismeretlen fajok jobb megismerése érdekében. Ehhez steril, saját mikrobiommal nem rendelkező rágcsálókat hoztak létre, majd beleikbe mikrobiális koktélokat tartalmazó székletmintákat ültettek be. Az így bejuttatott mikrobák aztán szaporodni kezdtek az új gazdatestben, és fokozatosan kolonizálták azt.
Ezek a kísérletek sokszor nagyon izgalmas eredményekkel zárultak.
Például amikor túlsúlyos emberekből származó székletet kaptak az egerek, ők maguk is több súlyt szedtek magukra.
Annak meghatározása azonban, hogy pontosan hogyan felelősek a mikrobák ezekért a változásokért, jóval keményebb diónak bizonyult. A székletben nem lehet manipulálni a mikrobákat, mivel a különböző fajok totális összevisszaságban vannak, így nem lehet megváltoztatni az összetételt vagy az arányokat, mondja Cheng.
Egyes kutatók úgy próbálták megoldani ezt a problémát, hogy egy-egy mikrobafajt adtak az egereknek, és megfigyelték annak hatását. Ezeknek a kísérleteknek azonban komoly korlátaik vannak, hiszen számos mikroba nem képes önállóan, a megfelelő ökológiai környezet nélkül ellátni feladatait, vagyis más mikrobákra is szüksége van a működéshez.
Így más kutatók mikrobakoktélokkal is próbálkoztak, amelyek többféle mikrobát tartalmaztak. De a legambiciózusabb ilyen kísérletek során is kevesebb mint 20 különböző fajt kevertek össze, ami eltörpül az emberben élő, legalább több száz faj mellett. Ezek a megnyirbált mikrobiomok nem is működtek olyan jól: az egerek immunrendszere rosszul fejlődött, és anyagcseréjük is gyengélkedett.
Nagyszabású tervek
2017-ben Cheng és stanfordi kollégája, Michael Fischbach arra a következtetésre jutott, hogy ahhoz, hogy ténylegesen vizsgálni tudják a mikrobiális rendszer, az eddigieknél sokkal összetettebb szintetikus mikrobiomot kell létrehozniuk. Azt persze rögtön tudták, hogy nem lesz könnyű ennyire sokféle mikrobát a laborban kitenyészteni. Ráadásul azt sem tudták kizárni, hogy a kemény munka hiába lesz, hiszen abszolút elképzelhetőnek tűnt, hogy az egérbe bejuttatott ökoszisztéma röviddel később összeomlik.
Ez azonban nem szegte kedvüket: Cheng csapata első körben 166 olyan mikrobiális fajt listázott, amelyek az emberek tetemes hányadában megtalálhatók. Aztán felvették a kapcsolatot a hasonló profilú laborokkal, és tőlük sikerült 104 fajt beszerezni. Minden fajhoz saját útmutató érkezett, hogy hogyan lehet életben tartani, de ez a része meglepően könnyen ment a dolognak. A szakértők is meglepődtek, hogy nem is volt olyan nehéz összefésülni a különböző igényeket, és kolóniákat növeszteni a mikrobákból.
Ezt követően összekeverték a 104 fajt, és mikrobamentes egerekbe juttatták őket. Aztán vártak, hogy mi történik. A mikrobiom állapotát az egerek ürülékének DNS-elemzése révén monitorozták. A laborban összekotyvasztott mikrobiom ismételt meglepetésre nagyon jól teljesített. A mikrobák túlélték az állatokban, és az ökoszisztéma szerkezete sem változott meg. Voltak mikrobák, amelyek elszaporodtak, és voltak, amelyek visszaszorultak, de egyikük sem tűnt el. És a különböző egerekben újra és újra nagyon hasonló ökoszisztéma alakult ki.
Kiran Patil, a Cambridge-i Egyetem biológusa, aki nem vett részt a kutatásban, lenyűgözőnek tartja, ami történt.
„Olyan, mintha egy megfejthetetlennek tűnő, 100 darabos puzzle-t kéne kirakni, aztán összekeverjük és felrázzuk, és megától kirakja magát”
– mondja a kutató.
Strapabíró ökoszisztéma
Cheng és társai a következő fázisban tesztelni kezdték a mikrobiomokat. Az egerekbe emberi székletből vett mintákat ültettek be, és a már megtelepedett mikrobiomok meglepően jól bírták a versenyt. Mindössze 7 faj tűnt el, ugyanakkor új fajok is felbukkantak az ökoszisztéma korábban hiányos részein, a mikrobiom stabil részeivé válva.
Cheng utólag maga sem hiszi el, hogy működött, amit megpróbáltak. A szakértők egyébként azóta tökéletesítették a szintetikus mikrobiomot: kiválasztották a székletmintákból megtelepedett 22 legsikeresebb új fajt, és ezeket hozzáadták a korábbi keverékhez, 119 fajra növelve annak összetételét. Az új mikorbiom, a hCom2 még ellenállóbb és strapabíróbb, mint az első változat.
Amikor az ezzel ellátott egerekbe ültettek emberi székletet, egyetlen hCom2-faj sem tűnt el, és egyik székletből származó mikroba sem tudott megtelepedni az állatokban.
A kutatók azt is tesztelték, hogyan viselkedik a szintetikus mikrobiom, ha potenciálisan halálos fertőzésnek van kitéve az állat. Egy különösen veszélye kólitörzzsel fertőzték meg az egereket, amely a korábbi kísérletek során halálosnak bizonyult a 12 fajból álló mesterséges mikrobiomokat kapott egereknél. A hCom2-vel rendelkező egerek viszont ugyanolyan hatékonyan álltak ellen a fertőzésnek, mint a székletátültetésen átesett egerek.
A hCom2 más szempontokból is úgy működött, mint a természetes, teljes mikrobiomok. Az ilyennel bíró egerek egészséges mennyiségben termelték az emésztőnedveket, és immunrendszerük is erős volt – ezek közül egyik sem jellemző a mikrobiom nélküli egerekre.
Cheng és kollégái jelenleg – ahogy említettük – már azzal kísérleteznek, hogy egy-egy baktériumfajt kihagynak a keverékből, hogy így mérjék fel annak jelentőségét és a mikrobiom működését. Az általuk létrehozott szintetikus mikrobiomot ráadásul más kutatócsoportoknak is rendelkezésére bocsátották, hogy ők is megkezdhessék vele a kísérletezést.
