Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Удалось установить причастность микробиома к формированию ряда других органов и тканей – например, к росту костей у мышат9. Очевидно, кишечные бактерии настроили разные каналы коммуникации с хозяином, который, в свою очередь, прислушивается к своим микробам, особенно в вопросах направления развития на ранних этапах жизни. Это несколько удивляет: казалось бы, развитию животного рискованно зависеть от партнерства с неживотными созданиями, да еще с такими капризными и непостоянными, как бактерии. С другой стороны, животные эволюционировали в мире, уже населенном микробами. Раз избегать их невозможно, вероятно, положиться на бактерий было не опаснее, чем на законы физики. Последнее заявление спорно – я даже сомневаюсь, что могу поверить в такое, – но справедливости ради хочу сказать, что наши представления о развитии животных меняются под натиском новой информации о микробных сообществах.
Но теперь я вернусь к пессимизму, который выказал чуть выше, и отмечу, что выращивать гнотобиотов довольно сложно. Мыши могут оставаться стерильными до достижения зрелости, но это требует больших усилий и затрат. Работать с данио-рерио проще, но все равно нелегко: и моя лаборатория, и лаборатории моих коллег постоянно сталкиваются с проблемами, поскольку бактерии и грибы не упускают ни малейшей возможности проскочить в стерильную рыбу. Кроме того, данио-рерио не могут оставаться стерильными до зрелости (по крайней мере сейчас), поскольку полноценное питание в их случае предполагает живой корм, а он неизбежно приносит с собой микробы. Поэтому значительная часть раскрученных исследований, особенно на мышах, делает выводы на основе выборки от силы из десятка особей. Это примерно как прогнозировать исход национальных выборов на основе опроса десятка избирателей: изменчивость и сложность системы требуют анализа гораздо более многочисленных групп.
По этим и иным причинам многие открытия, связанные с микробиомом, не столь убедительны, как хотелось бы. Например, сегодня, спустя 10 лет с момента сообщения о связи между ожирением и составом кишечного микробиома человека, эта связь уже не кажется такой прочной10. Нельзя сказать, что ее нет вовсе: кишечные микробы, несомненно, участвуют в усвоении жиров и многих других пищеварительных процессах, которые, в свою очередь, тесно связаны с развитием ожирения. Однако роли столь разнообразных микроорганизмов не так просты, как хотелось бы. Подобные трудности возникают и с другими признаками, призванными отделить здоровье от нездоровья. Может показаться странным, что наука не застрахована от таких промахов. И все же множество ученых из разных областей все пристальнее и пристальнее следят за воспроизводимостью результатов.
Кишечный микробиом и я
Впрочем, моя задача не в том, чтобы исчерпывающе описать все, что нам известно либо не известно о кишечном микробиоме, и не в том, чтобы проанализировать структурные проблемы современной науки, хотя обе темы страшно привлекательны. Я здесь хочу ответить на вопрос, может ли биофизический подход помочь нам разобраться в кишечном микробиоме. Любопытно, например, выяснить, пригодна ли концепция самосборки для постижения архитектуры бактериальных колоний и актуальны ли общие стратегии бактериальной навигации в замкнутом, бурлящем пространстве кишечника.
К сожалению, неопределенности в этой сфере пока больше, чем в любой из тех, что мы уже затрагивали: изучение нашей кишечной экосистемы далеко от завершения. Именно им главным образом и занимается моя лаборатория в Орегонском университете, поэтому я расскажу не только о возможных общих принципах, но и о том, как бросил почти все остальные исследования ради поиска физики в загадочной субстанции кишечного микробиома.
Надо признать, решение мое было странным. Я физик по образованию и занимаю профессорскую должность на кафедре физики. Как мы видели, физика не сводится к магнитам, кваркам и лазерам, а пронизывает и живую природу, но даже биофизикам не очевидно, как связать ее с беспорядком кишок, таким непохожим на отточенность хореографии фолдинга белка и механистичность законов упаковки ДНК. Зачем мне – и небольшому, но растущему числу других биофизиков – делать ставку на биофизику микробиома как на предмет, заслуживающий изучения?
 
Представьте себе тропический лес, изобилующий растениями и животными. Если бы вы слышали, что в нем обитают организмы, называемые обезьянами, леопардами, слонами и деревьями, но почему-то были не в курсе, что деревья стоят на месте, обезьяны лазят по деревьям, а слоны к этому не склонны, что леопарды охотятся на обезьян, но слонов обходят, – если бы вы не знали ничего о поведении, местоположении, размере и подвижности лесных организмов, вам не стоило бы даже пытаться рисовать достоверную картину работы лесной экосистемы. Не знай вы, что на каменистом берегу дважды в сутки случается прилив, что морские звезды – подвижные хищники, а морские львы заплывают туда перекусить, вам было бы не легче разобраться в экосистеме приливной зоны, сколько бы ДНК ее обитателей вы ни соскребли со скал и ни вычерпали из морской воды. Для макроскопических систем это кажется очевидным, но вообще-то принцип важности структуры и динамики универсален.
И все же, как упоминалось выше, информацию о кишечном микробиоме мы получаем в основном с помощью секвенирования ДНК, которое не учитывает его структуру и функции. Такой дефицит биофизических знаний начал беспокоить меня лет десять назад, когда в мире резко возрос интерес к кишечной микробиоте и я частенько беседовал с уже упомянутой Карен Гиймен. Примерно тогда же я увлекся новыми методами микроскопии, особенно флуоресцентной микроскопией плоскостного освещения (LSFM), которая позволяет быстро получать трехмерное изображение больших полей обзора (в микроскопии большими считают поля диаметром чуть меньше миллиметра). В итоге моя группа сконструировала собственный LSF-микроскоп и начала изучать кишечник живой личинки данио-рерио. Мы понимали, что сможем получить изображения и видео, охватывающие весь кишечник и достаточно четкие, чтобы разглядеть отдельные бактерии. Никто прежде не проводил такую визуализацию позвоночных. Пользуясь преимуществами оптической прозрачности личинок и возможностью выращивать их стерильными, мы позволяли безмикробным рыбам вступить в контакт не более чем с двумя видами микроорганизмов, чтобы без лишних сложностей изучать, как организуются и ведут себя новоселы.
Я рассудил, что, если бы нам не повезло, мы обнаружили бы лишенные отличительных черт скопления бактерий, одинаковые для всех видов и такие же, как в лабораторной пробирке. Тогда мы, возможно, занялись бы измерением скорости роста кишечных бактерий или другим довольно скучным, но потенциально полезным делом.
К счастью, Природа оказалась к нам благосклонна. Первые же микроскопии явили нам поразительное многообразие форм. Одни бактерии плавают свободно, другие сбиваются в группы. Одни предпочитают передний отдел кишечника, другие заселяют в основном задний. Наметились даже очевидные кандидаты в носители физических характеристик, влияющих на работу кишечной экосистемы, что может подкинуть нам идеи, как манипулировать межвидовой конкуренцией и кооперацией микробов.
Почти во всех экспериментах с личинками данио-рерио наша лаборатория использует бактерии – аборигены кишечника этой рыбы. Но в качестве начальной виньетки, иллюстрирующей физические предпосылки динамики микробиома, я опишу эксперимент не с аборигенной, а с патогенной бактерией – холерным вибрионом. Vibrio cholerae активно изучается больше 100 лет, и хотя холера сегодня не опустошает города, как пару веков назад, она все же уносит около 100 тысяч жизней в год11. Я практически и не думал об этой инфекции до одной необычной встречи в «Биосфере-2» – лаборатории, где в начале 1990-х безуспешно пытались создать герметичную экспериментальную экосистему, способную существовать автономно. Там я пообщался с микробиологом Брайаном Хаммером из Технологического института Джорджии и специалистом по микробиому Жуаном Шавьером из Мемориального онкологического центра Слоуна – Кеттеринга в Нью-Йорке. Нет, нас не заперли в бетонном бункере и не заставили выращивать себе пропитание, а просто пригласили на семинар, организованный Исследовательской корпорацией развития науки, небольшой частной компанией, финансирующей научные проекты. («Биосфера-2» теперь туристический объект и площадка для конференций при Аризонском университете, который совмещает все это с проведением экспериментов в уже не герметичных зданиях под стеклянными крышами.) В ходе бесед мы поняли, что все еще мало знаем о средствах, помогающих холерному вибриону освоиться в человеческом кишечнике. Бактерия ведь не вплывает в пустое пространство, а попадает в орган, густонаселенный триллионами резидентных микроорганизмов, среди которых она должна как-то закрепиться.