Онтогенез. От клетки до человека

Каждый участок кишечника создает питательную среду именно для того типа бактерий, который нужен на этом участке. Это можно проиллюстрировать на примере взаимодействия клеток кишечника и одного из наиболее важных симбионтов мышей – бактерий вида Bacteroides thetaiotaomicron. Попав в пищеварительный тракт, эта бактерия выделяет молекулу, которая распознается слизистой оболочкой тонкой кишки. Эта маленькая молекула существенно отличается от описанных выше сигнальных белков, которые клетки человека обычно используют в ходе развития. Это заурядная молекула из биохимического арсенала бактериального метаболизма. Тем не менее в этой главе я буду следовать принципам биосемиотики[315] и считать, что любую молекулу, несущую информацию об определенном положении дел и влияющую на поведение клетки, которая ее получает, следует считать сигнальной, независимо от ее молекулярной природы и первопричины ее синтеза.

В ответ на этот сигнал клетки кишечника слегка меняют собственный метаболизм. Клетки животных, включая человека, как правило, «декорируют» синтезируемые ими белки, размещая на их поверхности цепи сахаров. Сахара в цепи соединены сильными химическими связями и, в отличие, например, от отдельных молекул в стакане подслащенной воды, не могут служить пищей сами по себе: комплекс сахаров и белков слишком большой, чтобы пройти через поглощающие каналы на поверхности бактериальной клетки. Бактерия может извлечь пищу из этих сахарных цепей, только если у нее есть фермент, способный разрезать связи в цепи, а для высвобождения разных типов сахара с конца цепи необходимы разные ферменты. Bacteroides thetaiotaomicron синтезирует фермент, который может освободить с концов одной из таких цепей сахар фукозу. До получения сигнала от Bacteroides thetaiotaomicron кишечные клетки не помещают фукозные остатки на концы многих цепей, но после его получения они начинают активно присоединять фукозу.[316] По сути дела, бактерия словно бы говорит «покорми меня!», и клетка услужливо кладет ей пищу прямо в рот, причем так, чтобы другим микроорганизмам, у которых нет фермента для отщепления фукозы, не досталось ни крошки. Другие части кишечника производят другие типы связанных сахаров, вероятно, в ответ на сигналы от других симбиотических бактерий. Таким образом, каждая часть кишечника создает благоприятную среду для тех видов бактерий, которые ей нужны.

Для кишечника выгода от присутствия Bacteroides thetaiotaomicron заключается в том, что эта бактерия может перерабатывать трудноперевариваемые компоненты пищи и высвобождать питательные вещества, усвояемые клетками кишечника. Поглощение пищи, или какой-либо молекулы, всегда наиболее эффективно, если поглощенные ранее молекулы уже доставлены в отдаленные части организма, в противном случае некоторые из них «утекают» обратно и пропадают зря. Эффективность процесса «отведения» молекул повышается благодаря другой реакции на сигналы от симбиотических бактерий.[317] Эти сигналы воспринимаются определенным типом кишечных клеток, которые в свою очередь действуют на кровеносные сосуды, вызывают образование плотного слоя разветвленных капилляров (глава 9). Эта сеть помогает собирать абсорбированные питательные вещества и отправлять их в печень, а оттуда к остальным частям тела, и, соответственно, предотвращает накопление этих веществ в стенках кишечника и их утечку. Под действием еще одного типа сигналов[318] от Bacteroides thetaiotaomicron клетки тканей выделяют антибактериальные молекулы, относительно безвредные для этих бактерий, но токсичные для их нежелательных и опасных конкурентов, например бактерий рода Listeria. Таким образом, симбиотические бактерии и слизистая оболочка кишечника «заботятся» друг о друге: организм предоставляет бактериям питание и защиту, бактерии поставляют питательные вещества для организма, а их совместное действие препятствует появлению вредных бактерий. Это происходит как благодаря системе, создающей антимикробные молекулы, так и благодаря тому, что Bacteroides thetaiotaomicron чисто физически занимает пространство, которое иначе заполнили бы нежелательные виды бактерий (рис. 78).