Las w twoich ustach
Badanie ludzkiego mikrobiomu – popularnych i bardzo okrzyczanych prób zrozumienia mikrobów, które zamieszkują nasze ciała – zaczęło się w ustach. A konkretnie, zaczęło się od kamienia nazębnego.
W 1683, Antony van Leeuwenhoek, pierwszy człowiek, który zobaczył bakterię, był również pierwszym człowiekiem, który zobaczył własne bakterie. Choć bez wykształcenia naukowca, ale z niepohamowaną ciekawością, usunął trochę kamienia nazębnego ze swoich zębów i zbadał go pod własnoręcznie zbudowanym mikroskopem.
Przez następne dwa stulecia mikroby z ust popadły w zapomnienie, aż zainteresował się nimi dentysta amerykański Joseph Appleton. W porównaniu do mikrobów z jelit lub skóry, te z ust było łatwiej zebrać i były mniej wrażliwe na tlen. W latach od 1920. do 1950. Appleton i inni skatalogowali te bakterie i zauważyli, jak wypływa na nie ślina, pokarm, wiek, pory roku i choroby. Historyk nauki, Funke Sangodeyi, pisze, że te wysiłki pomogły zamienić stomatologię – zmarginalizowaną część medycyny – w prawdziwą naukę, zmieniając tym samym prestiż wyrwizęba.
W 1999 r. inny dentysta zdrapał trochę kamienia nazębnego Davida Relmana, który następnie przeanalizował występujące tam mikroby, sekwencjonując ich DNA. Ta technika jest obecnie powszechna, ale wówczas była nowatorska; przeniosło to badanie mikrobiomu na nowy poziom, bo uwolniło naukowców od jarzma mikroskopu i kultur laboratoryjnych oraz pozwoliło im na dokładne zidentyfikowanie mikroskopijnych mieszkańców naszego ciała. I rzeczywiście, mimo że usta były najlepiej przebadanym habitatem ludzkiego mikrobiomu, Relman znalazł wiele nowych szczepów i gatunków.
Problem z sekwencjonowaniem polega na tym, że naprawdę dobrze potrafi odpowiedzieć na pytanie kto tam jest, ale nie, gdzie jest. To jest jak studiowanie miasta przez czytanie książki telefonicznej: w pewnym sensie wszechobejmujące, ale pomijające bardzo wiele zasadniczych informacji.
Bakterie na ogół mierzą kilka milionowych części metra. Dla nich usta człowieka są całym światem. Język, zęby, dziąsła są bardzo różnymi habitatami, każdy z własną fauną. Istnieją nawet różnice między mikrobami nad i pod dziąsłem na tym samym zębie. A w każdym z tych habitatów mikroby współzawodniczą ze sobą, wymieniają składniki odżywcze i zmieniają środowisko wokół siebie. Dla zrozumienia tego świata i tego, jak mogą wpłynąć na nasze życie i zdrowie, musimy przyjąć punkt widzenia bakterii. Musimy wiedzieć, gdzie jest.
Jessica Mark Welch z Marine Biological Laboratory w Woods Hole i Gary Borisy z Forsyth Institute zaczęli to robić. Pobrali kamień nazębny od 22 zdrowych wolontariuszy i rozprowadzili na szkiełkach mikroskopowych. Pomalowali te próbki używając sond molekularnych o różnych kolorach, każda zaprojektowana do rozpoznania danych grup bakterii. W sumie sondy oznakowały ponad 96 procent obecnych tam mikrobów.
Wielu badaczy robiło podobne badania z jedną lub dwiema sondami naraz, ale użycie 15 jednocześnie było prawdziwym wyzwaniem. Mark Welch i Borisy upewnili się, że żaden z nich nie oznakował przypadkowo niewłaściwej grupy i że świeciły z porównywalną intensywnością. Kiedy udało im się doprowadzić tę technikę do działania zaczęli widzieć kamień nazębny, jak nie widziano go nigdy wcześniej: w przepięknych, kalejdoskopowych kolorach.
“Kiedy otrzymaliśmy pierwsze obrazy, zobaczyliśmy te fantastyczne struktury i byliśmy zachwyceni” – mówi Borisy. Były tam długie włókna w kolorze fuksji Corynebacterium, wyrastające z tych samych miejsc i ukoronowane na zielono kulkami Streptococcus. Zespół nazwał je „jeżami”. Dla mnie wyglądają bardziej jak las, z Corynebacterium jako pniami drzew i Streptococcus jako koroną lasu. Niezależnie od metafory, jest jasne, że bakterie w kamieniu nazębnym nie poruszają się losowo. Są zorganizowane. Są ustrukturyzowane. Każda grupa ma swoje miejsce.
Każdy gatunek zmienia także swoje środowisko lokalne w sposób, którego inne albo nie znoszą, albo wykorzystują. Na przykład, Corynebacterium jest członkiem-założycielem, który przymocowuje się do emalii zęba, rośnie na zewnątrz i dostarcza ram reszcie społeczności. (Tworzy także solidny rezerwuar, który opiera się szczoteczce do zębów i płynom do płukania ust, co jest powodem, że tak trudno usunąć kamień nazębny.)
W koronie lasu Corynebacterium Streptococcus konsumuje cukry i tlen, by produkować mleczan i nadtlenek wodoru – substancje, których wiele mikrobów nie toleruje. Ale Aggregatibacter potrafi zdetoksyfikować nadtlenek wodoru i zjadać mleczan, świetnie się więc czuje w koronie.
Streptococcus uwalnia także dwutlenek węgla, którego potrzebują do wzrostu Capnocytophaga, i dlatego żyją one w strefie tuż poniżej korony, przytulone do pni Corynebacterium. Ta strefa, z małą ilością tlenu dzięki Streptococcus, jest także domem dla gatunków beztlenowych, takich jak Fusobacterium. “Ta struktura była bardziej skomplikowana i obejmująca więcej, niż byliśmy w stanie sobie wyobrazić” – mówi Borisy.
“Te wyniki pokazują w najlepszy możliwy sposób, co może się zdarzyć, kiedy patrzysz na coś dobrze znanego – kamień nazębny – w nowy sposób” – mówi Michael Fischbach z University of California, San Francisco, który recenzował to nowe badanie. „Stopień organizacji tej społeczności przekracza najśmielsze wyobrażenia. Powoduje, że myślę o kamieniu nazębnym nie jak o losowej mieszance bakterii, ale bardziej jak o tkance; jest zorganizowana w podstruktury, które prawdopodobnie mają specyficzne funkcje”.
Wiele pozostało do zbadania. Na przykład, jak rosną te lasy? Czystą emalię zęba kolonizują najpierw Streptococcus, a Corynebacterium - wolno rosnąca grupa – przychodzi dopiero później. Jak i dlaczego dominuje z czasem w tym mikroskopijnym habitacie? Co dzieje się w wypadku choroby dziąseł? Co dzieje się w innych częściach ust? Lub innych częściach ciała?
“Zaczynamy patrzeć na inne miejsca - mówi Borisy. – Kamień nazębny był podstawowym testem; technologia jest całkowicie uniwersalna. Możemy patrzeć na inne mikrobiomy w ustach, gdzie indziej w organizmie, w środowisku naturalnym i w środowisku sztucznym”. Raz jeszcze jednak, usta pokazały drogę.
I raz jeszcze zasadnicze odkrycia przyszły od outsiderów. Leeuwenhoek był bławatnikiem bez naukowego wykształcenia. Appleton był dentystą. Relman zaczął jako specjalista chorób zakaźnych, bardziej zainteresowany zabijaniem mikrobów niż ich badaniem. Sam Borisy był biofizykiem, który badał wewnętrzne szkielety nadające komórkom ich strukturę. „Miałem kryzys wieku średniego i pomyślałem, że zacznę nową linię badań – mówi. – I pomyślałem, że mikroby są naprawdę ciekawe”.
Not Exactly Rocket Science, 25 stycznia 2016
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
Ed Yong
Mieszka w Londynie i pracuje w Cancer Research UK. Jego blog „Not Exactly Rocket Science” jest próbą zainteresowania nauką szerszej rzeszy czytelników poprzez unikanie żargonu i przystępną prezentację.
Strona www autora