Mikrobiom człowieka pełen zagadek. Czy 99% żyjących w nas drobnoustrojów wciąż pozostaje niepoznanych?

Człowiek od dawna próbuje poznać własne ciało, analizując jego budowę, funkcjonowanie poszczególnych narządów oraz procesy zachodzące na poziomie komórkowym, jednak dopiero rozwój nowoczesnej mikrobiologii pokazał, że organizm nie jest samotną biologiczną konstrukcją, lecz ogromnym ekosystemem zamieszkiwanym przez niezliczone mikroorganizmy. Bakterie, wirusy, grzyby oraz archeony znajdują się na skórze, w jamie ustnej, przewodzie pokarmowym i wielu innych środowiskach związanych z ludzkim organizmem, tworząc skomplikowaną społeczność, której skład, wzajemne zależności i wpływ na gospodarza nadal pozostają przedmiotem intensywnych badań.

Właśnie dlatego tak dużą popularność zyskało stwierdzenie, że 99% drobnoustrojów żyjących w człowieku jest nieznanych nauce. Choć nie należy rozumieć tego zdania dosłownie jako informacji, że naukowcy nie wiedzą o istnieniu niemal wszystkich mikroorganizmów znajdujących się w ludzkim ciele, oddaje ono pewien niezwykle istotny fakt: ogromna część mikrobiologicznej różnorodności człowieka nadal nie została poznana na poziomie pozwalającym dokładnie określić jej funkcje, sposób działania i znaczenie dla gospodarza.

To właśnie tutaj zaczyna się jedna z najbardziej fascynujących historii współczesnej biologii. Możemy bowiem posiadać fragment genomu mikroorganizmu, wiedzieć, że jego DNA znajduje się w próbce pobranej od człowieka, a mimo to nadal nie wiedzieć, czym dokładnie żywi się jego właściciel, jakie substancje produkuje, z jakimi organizmami współpracuje, z kim konkuruje i czy jego obecność ma dla człowieka jakiekolwiek znaczenie.

Mikrobiom człowieka nie jest więc zamkniętą księgą, lecz rozrastającym się katalogiem biologicznych zagadek, w którym wraz z każdą odpowiedzią pojawiają się kolejne pytania.

Człowiek jako środowisko życia dla milionów mikroorganizmów

Patrząc na ludzkie ciało, zazwyczaj dostrzegamy przede wszystkim jego widoczne elementy, takie jak skóra, włosy, oczy czy dłonie, jednak z perspektywy mikrobiologii obraz ten wygląda zupełnie inaczej, ponieważ niemal każda powierzchnia i przestrzeń organizmu może stanowić środowisko życia dla określonych mikroorganizmów.

Skóra nie jest biologicznie taka sama na całej swojej powierzchni, ponieważ różni się między innymi wilgotnością, temperaturą, dostępnością substancji odżywczych i ilością sebum, dlatego społeczność mikroorganizmów znajdujących się na twarzy może znacząco różnić się od tej obecnej na dłoniach czy w innych częściach ciała. Jeszcze większe różnice występują pomiędzy skórą a jamą ustną, a następnie pomiędzy jamą ustną a przewodem pokarmowym, gdzie panują zupełnie odmienne warunki fizykochemiczne.

Szczególnie interesującym miejscem pozostają jelita, ponieważ ich wnętrze tworzy rozległe środowisko, w którym mogą funkcjonować tysiące różnych mikroorganizmów, pozostających ze sobą w relacjach przypominających zależności znane z większych ekosystemów.

Jedne bakterie wykorzystują związki wytwarzane przez inne, część mikroorganizmów konkuruje o składniki odżywcze, niektóre wytwarzają substancje wpływające na środowisko, a jeszcze inne mogą korzystać z produktów przemiany materii swoich sąsiadów. Mikrobiota jelitowa nie jest więc przypadkowym zbiorem bakterii, lecz dynamiczną społecznością, której funkcjonowanie zależy od wzajemnych relacji.

Co więcej, skład tej społeczności nie pozostaje niezmienny przez całe życie, ponieważ wpływają na niego między innymi dieta, wiek, środowisko, stosowane leki, przebyte infekcje, styl życia oraz wiele innych czynników, których znaczenie nie zawsze zostało jeszcze dokładnie określone.

Oznacza to, że mikrobiom jednej osoby może znacząco różnić się od mikrobiomu innej osoby, a nawet mikrobiom tego samego człowieka może wyglądać inaczej po kilku latach, po zmianie sposobu odżywiania albo po określonych zmianach środowiskowych.

Dlaczego nauka nie zna wszystkich mikroorganizmów człowieka?

Jednym z największych problemów klasycznej mikrobiologii było to, że aby dokładnie zbadać bakterie, trzeba było najczęściej doprowadzić do ich wzrostu w warunkach laboratoryjnych, a tutaj pojawiała się ogromna przeszkoda, ponieważ wiele mikroorganizmów nie rośnie łatwo na standardowych pożywkach i wymaga bardzo specyficznych warunków.

Niektóre potrzebują określonego poziomu tlenu, inne rozwijają się wyłącznie przy jego braku, jeszcze inne wymagają obecności konkretnych składników chemicznych albo produktów przemiany materii innych mikroorganizmów, a część może funkcjonować prawidłowo wyłącznie w skomplikowanej społeczności, której nie da się łatwo odtworzyć w laboratoryjnej probówce.

To oznaczało, że przez wiele lat naukowcy poznawali przede wszystkim te bakterie, które potrafili wyizolować i hodować, natomiast ogromna część mikrobiologicznej różnorodności pozostawała poza ich bezpośrednim zasięgiem.

Można to porównać do próby opisania mieszkańców wielkiego miasta wyłącznie na podstawie osób, które dobrowolnie zgłosiłyby się do jednego budynku badawczego, podczas gdy miliony pozostałych mieszkańców pozostałyby poza obserwacją.

Rozwój metod molekularnych całkowicie zmienił tę sytuację, ponieważ naukowcy otrzymali możliwość analizowania materiału genetycznego obecnego bezpośrednio w próbkach biologicznych. Zamiast czekać, aż konkretny mikroorganizm wyrośnie na pożywce, można więc poszukiwać jego DNA i na tej podstawie określać jego obecność oraz pokrewieństwo z innymi organizmami.

Metagenomika otworzyła przed nauką ogromne drzwi, ponieważ pozwoliła badać mikroorganizmy, których nie da się łatwo hodować tradycyjnymi metodami.

Nie oznacza to jednak, że problem został rozwiązany, ponieważ wykrycie DNA jest dopiero początkiem poznawania organizmu.

DNA mówi wiele, ale nie odpowiada na wszystkie pytania

Odnalezienie materiału genetycznego konkretnego mikroorganizmu może być niezwykle cenną informacją, jednak nie jest równoznaczne z pełnym poznaniem jego biologii. Możemy bowiem stwierdzić, że określona sekwencja DNA występuje w próbce, porównać ją z innymi znanymi genomami i przypisać ją do określonej grupy organizmów, ale nadal możemy nie wiedzieć, jak wygląda życie tego mikroorganizmu w naturalnym środowisku.

Nie zawsze wiadomo, jakie substancje wykorzystuje jako pożywienie, jakie produkty przemiany materii wytwarza, z którymi organizmami współpracuje, jak reaguje na zmiany środowiska oraz czy wpływa na komórki gospodarza.

Jeszcze bardziej interesujące jest to, że pewne geny mogą wskazywać na potencjalne zdolności metaboliczne mikroorganizmu, lecz sama obecność genu nie musi oznaczać, że dana funkcja rzeczywiście jest aktywna w konkretnych warunkach.

To trochę tak, jakby odnaleźć instrukcję obsługi skomplikowanego urządzenia, ale nie wiedzieć, czy urządzenie jest aktualnie uruchomione, jak jest wykorzystywane i z czym zostało połączone.

Dlatego współczesne badania mikrobiomu coraz częściej łączą analizę DNA z badaniem aktywności genów, produkowanych metabolitów oraz rzeczywistych interakcji zachodzących pomiędzy mikroorganizmami.

Poznanie składu mikrobiomu jest ważne, ale poznanie jego funkcjonowania może być jeszcze ważniejsze.

Tajemniczy mieszkańcy ludzkiego jelita

Jelita należą do najlepiej przebadanych środowisk mikrobiologicznych związanych z człowiekiem, ale nawet tutaj nauka nadal odkrywa ogromną liczbę nowych organizmów i wcześniej nieznanych zależności.

Badania metagenomiczne przeprowadzone na dużych zbiorach próbek pozwoliły zrekonstruować tysiące genomów mikroorganizmów, których wcześniej nie reprezentowały dostępne izolaty laboratoryjne, co pokazało, że klasyczne kolekcje bakterii stanowią zaledwie część rzeczywistej różnorodności mikrobiologicznej.

To odkrycie ma ogromne znaczenie, ponieważ każdy nowy genom może być potencjalnym źródłem informacji o procesach zachodzących w ludzkim organizmie.

Nie oznacza to oczywiście, że znalezienie nowej bakterii automatycznie prowadzi do przełomowego odkrycia medycznego, jednak zwiększa wiedzę o tym, jak skomplikowany jest mikrobiom jelitowy i jak wiele procesów zachodzących w jego obrębie nadal wymaga dokładniejszego poznania.

Jelita są szczególnie interesujące również dlatego, że mikroorganizmy uczestniczą tam w przetwarzaniu wielu składników, których ludzki organizm nie byłby w stanie wykorzystać w dokładnie taki sam sposób bez udziału mikrobioty.

Niektóre produkty przemiany mikroorganizmów mogą następnie oddziaływać na inne komórki, co tworzy wielopoziomową sieć zależności pomiędzy dietą, mikrobiotą i organizmem gospodarza.

Właśnie dlatego coraz częściej mówi się o wpływie mikrobiomu na zdrowie, choć należy zachować ostrożność, ponieważ związek pomiędzy obecnością konkretnej bakterii a określonym stanem organizmu nie musi oznaczać bezpośredniej zależności przyczynowej.

Mikrobiom nie składa się wyłącznie z bakterii

Bakterie są prawdopodobnie najbardziej znanymi mieszkańcami ludzkiego mikrobiomu, lecz mikroświat związany z człowiekiem jest znacznie bardziej różnorodny.

Obejmuje również archeony, grzyby oraz ogromną społeczność wirusów, wśród których znajdują się między innymi bakteriofagi, czyli wirusy infekujące bakterie.

Ich obecność dodaje kolejną warstwę skomplikowanych zależności, ponieważ bakteriofagi mogą wpływać na liczebność określonych populacji bakteryjnych, a tym samym pośrednio zmieniać strukturę całej społeczności mikroorganizmów.

W rezultacie człowiek może być miejscem funkcjonowania sieci, w której bakteria oddziałuje na człowieka, wirus wpływa na bakterię, jedna bakteria konkuruje z drugą, a kolejny mikroorganizm wykorzystuje substancję produkowaną przez któregoś z pozostałych mieszkańców.

To nie przypomina prostego układu „dobre bakterie kontra złe bakterie”, lecz skomplikowany ekosystem pełen współpracy, konkurencji i zależności.

Takie spojrzenie zmienia również sposób myślenia o mikrobiomie, ponieważ coraz trudniej traktować pojedynczy mikroorganizm jako całkowicie niezależną jednostkę.

Jego znaczenie może zależeć od tego, jakie inne organizmy znajdują się w pobliżu oraz jakie warunki panują w danym środowisku.

Czy istnieje jeden idealny mikrobiom?

Popularne informacje dotyczące bakterii często sugerują, że istnieje jeden określony zestaw mikroorganizmów, który powinien posiadać zdrowy człowiek, jednak rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana.

Mikrobiom różni się między poszczególnymi osobami, a jego skład może zmieniać się także u tej samej osoby, dlatego trudno wskazać jeden uniwersalny wzorzec, który można byłoby zastosować do całej populacji.

Istotne znaczenie może mieć nie tylko to, jakie gatunki są obecne, lecz również ich liczebność, aktywność, wzajemne relacje oraz zdolność całej społeczności do reagowania na zmiany.

Z tego powodu coraz częściej analizuje się różnorodność mikrobiomu, jego stabilność oraz funkcje pełnione przez poszczególne społeczności zamiast tworzyć prostą listę mikroorganizmów określanych jako dobre albo złe.

Jest to ważne również z punktu widzenia codziennych informacji o bakteriach jelitowych, ponieważ pojedynczy wynik badania mikrobiomu nie zawsze pozwala wyciągnąć jednoznaczne wnioski dotyczące zdrowia konkretnej osoby.

Mikrobiom jest częścią biologicznego kontekstu człowieka, a nie prostym testem, w którym obecność jednej bakterii oznacza określony stan organizmu.

Czy mikroorganizmy mogą wpływać na odporność?

Jednym z najbardziej interesujących kierunków badań pozostaje mikrobiom a układ odpornościowy, ponieważ organizm człowieka przez całe życie znajduje się w kontakcie z ogromną liczbą mikroorganizmów.

Układ odpornościowy musi więc funkcjonować w środowisku, w którym nieustannie pojawiają się sygnały pochodzące zarówno od własnych komórek, jak i od organizmów zamieszkujących ciało.

Mikroorganizmy znajdujące się w jelitach mogą uczestniczyć w tworzeniu środowiska, które oddziałuje na procesy związane z odpornością, a produkty ich metabolizmu mogą wpływać na komórki gospodarza.

Nie oznacza to jednak, że można sprowadzić funkcjonowanie odporności do prostego stwierdzenia „więcej dobrych bakterii oznacza lepszą odporność”, ponieważ biologiczne zależności są znacznie bardziej złożone.

Liczy się równowaga pomiędzy wieloma procesami, a znaczenie konkretnego mikroorganizmu może zależeć od kontekstu, miejsca jego występowania oraz pozostałych członków społeczności.

Mikrobiom jest więc jednym z elementów większego systemu biologicznego, a nie samodzielnym mechanizmem odpowiadającym za zdrowie człowieka.

Co oznacza naprawdę słynne 99 procent?

Właśnie tutaj warto zatrzymać się na chwilę, ponieważ hasło o 99 procentach może być bardzo efektowne, ale bez odpowiedniego wyjaśnienia łatwo prowadzi do błędnych wniosków.

Nie istnieje jedna uniwersalna liczba mówiąca, że dokładnie 99 procent wszystkich mikroorganizmów znajdujących się w ludzkim organizmie jest nieznanych nauce.

Znacznie bliższa rzeczywistości jest informacja, że ogromna część mikroorganizmów występujących w środowiskach biologicznych nie może być łatwo hodowana za pomocą klasycznych technik laboratoryjnych, a dodatkowo wiele organizmów wykrywanych dzięki metodom genetycznym nadal nie zostało dokładnie scharakteryzowanych.

To fundamentalna różnica.

Nieznany nauce nie musi oznaczać niewidoczny dla nauki.

Naukowcy mogą znać fragment genomu organizmu, potrafić wykryć jego obecność i określić jego podobieństwo do innych mikroorganizmów, ale nadal nie wiedzieć, jakie funkcje pełni on w organizmie człowieka.

Właśnie ta różnica pomiędzy „wykryciem” a „pełnym poznaniem” jest kluczowa dla zrozumienia współczesnych badań nad mikrobiomem.

Im bardziej zaawansowane stają się technologie sekwencjonowania, tym więcej organizmów można wykrywać, ale jednocześnie rośnie liczba pytań dotyczących ich funkcji.

Paradoksalnie więc rozwój nauki nie sprawia, że świat mikroorganizmów staje się prostszy.

Sprawia, że coraz wyraźniej widzimy, jak bardzo jest skomplikowany.

Nieznane mikroorganizmy mogą kryć nieznane procesy

Każdy nowy mikroorganizm oznacza potencjalnie nowe informacje o sposobie funkcjonowania całej społeczności.

Jeżeli bakteria posiada nietypowe geny odpowiedzialne za określone procesy metaboliczne, może wykonywać reakcje chemiczne, których znaczenia jeszcze nie rozumiemy. Jeżeli funkcjonuje wyłącznie w obecności innego mikroorganizmu, może być częścią zależności, której nie da się odtworzyć podczas klasycznego eksperymentu.

Jeszcze ciekawsza sytuacja pojawia się wtedy, gdy mikroorganizm produkuje związek wykorzystywany przez inne bakterie, ponieważ jego obecność może mieć znaczenie nie ze względu na bezpośredni wpływ na człowieka, lecz poprzez zmianę funkcjonowania całej społeczności.

To właśnie dlatego badania mikrobiomu człowieka coraz częściej skupiają się nie tylko na pytaniu „co znajduje się w organizmie?”, lecz także „co te organizmy robią?”.

Ta zmiana perspektywy może mieć ogromne znaczenie dla przyszłości mikrobiologii.

Nie chodzi już wyłącznie o stworzenie listy bakterii, lecz o zrozumienie ich aktywności, komunikacji oraz wzajemnych zależności.

Czy mikrobiom może zmienić przyszłość medycyny?

Potencjał badań nad mikrobiomem jest ogromny, jednak pomiędzy odkryciem interesującego mikroorganizmu a wykorzystaniem tej wiedzy w medycynie znajduje się bardzo długa droga.

Naukowcy badają związki pomiędzy mikrobiotą a wieloma procesami zachodzącymi w organizmie, ale sama korelacja nie wystarcza, aby stwierdzić, że konkretny mikroorganizm wywołuje określony efekt.

Jeżeli jakaś bakteria częściej występuje u osób posiadających określoną cechę biologiczną, może być jej przyczyną, skutkiem albo jednym z elementów większego mechanizmu.

Dopiero dokładne badania pozwalają próbować rozdzielić te możliwości.

Jednocześnie rosnąca wiedza o bakteriach jelitowych i innych elementach mikrobiomu może w przyszłości pomóc lepiej rozumieć procesy związane z metabolizmem, odpornością i funkcjonowaniem przewodu pokarmowego.

Możliwe jest również, że część przyszłych terapii będzie uwzględniała mikroorganizmy jako element bardziej złożonych strategii medycznych, ale obecnie wiele potencjalnych zastosowań nadal znajduje się na etapie badań.

Najpierw trzeba bowiem dokładnie poznać organizmy, które chcielibyśmy wykorzystać.

Największą tajemnicą mogą być relacje między mikroorganizmami

Być może najbardziej fascynujące odkrycia nie będą dotyczyły pojedynczych bakterii, lecz całych społeczności.

Wyobraźmy sobie środowisko, w którym jeden mikroorganizm rozkłada określoną substancję, drugi wykorzystuje produkt tego procesu, trzeci reaguje na związki produkowane przez drugiego, a jednocześnie bakteriofag ogranicza liczebność jednego z głównych uczestników.

Zmiana jednego elementu może wpłynąć na kilka kolejnych, a ostatecznie zmienić charakter całej społeczności.

Takie zależności sprawiają, że mikrobiom jelitowy człowieka można postrzegać bardziej jako ekosystem niż zbiór niezależnych organizmów.

Podobne zjawiska obserwujemy w większych środowiskach naturalnych, gdzie usunięcie jednego gatunku może wpłynąć na wiele innych elementów ekosystemu.

W przypadku mikrobiomu skala jest mikroskopijna, lecz złożoność może być ogromna.

To właśnie dlatego przyszłość badań prawdopodobnie będzie coraz mocniej związana z analizowaniem całych sieci zależności, a nie wyłącznie pojedynczych gatunków.

Jak dieta może łączyć człowieka z jego mikrobiomem?

Jednym z najbardziej intuicyjnych przykładów wzajemnych zależności jest sposób odżywiania, ponieważ to, co trafia do przewodu pokarmowego, może stanowić źródło składników wykorzystywanych zarówno przez komórki człowieka, jak i przez jego mikroorganizmy.

Nie wszystkie składniki pożywienia są przetwarzane w taki sam sposób przez organizm gospodarza, dlatego część z nich może docierać do dalszych odcinków przewodu pokarmowego, gdzie staje się dostępna dla bakterii.

Mikroorganizmy mogą następnie przekształcać określone związki w inne substancje, które z kolei mogą oddziaływać na środowisko jelitowe.

Właśnie dlatego dieta a mikrobiom stały się jednym z ważnych obszarów zainteresowania współczesnej nauki.

Nie oznacza to jednak, że istnieje jeden uniwersalny jadłospis gwarantujący określony skład mikrobioty, ponieważ reakcja mikrobiomu może różnić się między poszczególnymi osobami.

Złożoność tego systemu sprawia, że ten sam składnik żywności może być przetwarzany w różny sposób zależnie od tego, jakie mikroorganizmy znajdują się w danym środowisku.

Mikrobiom zmienia sposób patrzenia na człowieka

Przez wiele lat organizm człowieka analizowano przede wszystkim jako zbiór własnych komórek, tkanek i narządów, natomiast rozwój mikrobiologii pokazał, że taki obraz jest niepełny.

Człowiek funkcjonuje w stałym kontakcie z ogromną społecznością mikroorganizmów, a część procesów zachodzących w organizmie jest powiązana z aktywnością tych niewidocznych mieszkańców.

Nie oznacza to, że mikroorganizmy kontrolują człowieka ani że każda bakteria ma kluczowe znaczenie dla zdrowia, lecz pokazuje, że granica pomiędzy organizmem a jego mikrobiologicznym środowiskiem jest znacznie bardziej skomplikowana, niż mogło się wcześniej wydawać.

Mikrobiom człowieka jest częścią jego biologicznego środowiska i jednocześnie jednym z najbardziej fascynujących obszarów współczesnych badań.

Każde nowe badanie może ujawnić kolejne zależności, kolejne geny i kolejne organizmy, których wcześniej nie potrafiliśmy wykryć.

Co ciekawe, prawdopodobnie jeszcze długo nie będziemy dysponowali kompletną mapą mikrobiomu.

Nie dlatego, że nauka stoi w miejscu, lecz właśnie dlatego, że technologia pozwala nam zaglądać coraz głębiej.

99% drobnoustrojów żyjących w człowieku jest nieznanych nauce — ile jeszcze pozostało do odkrycia?

Hasło mówiące, że 99% drobnoustrojów żyjących w człowieku jest nieznanych nauce, należy traktować jako efektowne uproszczenie, a nie ścisłą, uniwersalną statystykę opisującą cały ludzki mikrobiom. Znacznie trafniejsze jest stwierdzenie, że ogromna część mikroorganizmów związanych z człowiekiem nadal nie została dokładnie poznana pod względem biologii, funkcji i wzajemnych zależności.

Nauka potrafi dziś wykrywać mikroorganizmy, których wcześniej nie można było łatwo hodować, analizować ich materiał genetyczny i rekonstruować fragmenty ich genomów, jednak poznanie DNA nie oznacza jeszcze poznania całego organizmu.

Nadal nie wiemy dokładnie, jakie funkcje pełnią wszystkie mikroorganizmy obecne w jelitach, jamie ustnej czy na skórze, jak komunikują się między sobą, jakie substancje wytwarzają oraz w jakim stopniu ich aktywność wpływa na funkcjonowanie człowieka.

Najbardziej fascynujące jest jednak to, że wraz z postępem badań liczba niewiadomych niekoniecznie maleje w takim tempie, jak można byłoby oczekiwać. Każde nowe odkrycie otwiera bowiem kolejne pytania, a pojedynczy mikroorganizm może okazać się elementem znacznie większej sieci biologicznych zależności.

Mikrobiom człowieka nie jest więc jedynie zbiorem bakterii zamieszkujących nasze ciało, lecz niezwykle złożonym ekosystemem, którego znaczenie dopiero zaczynamy rozumieć.

Być może przyszłość przyniesie odkrycia mikroorganizmów produkujących nieznane dotąd związki, pokaże nowe zależności pomiędzy dietą a mikrobiotą albo pozwoli dokładniej wyjaśnić, w jaki sposób społeczności mikroorganizmów współpracują z organizmem gospodarza.

Jedno wydaje się szczególnie interesujące: mikroskopijny świat znajdujący się w człowieku może być znacznie bardziej różnorodny, niż przez lata byliśmy w stanie sobie wyobrazić.

A jeśli rzeczywiście znamy dopiero część jego mieszkańców, to najciekawsze odkrycia dotyczące mikrobiomu człowieka, bakterii jelitowych i wzajemnych relacji pomiędzy człowiekiem a mikroorganizmami mogą dopiero czekać na naukowców.