iStock
Sinice w ludzkich jelitach?
Redaktor: Krystian Lurka
Data: 20.06.2022
Źródło: Biuletyn Wielkopolskiej Izby Lekarskiej/Piotr Rzymski
| Tagi: | Piotr Rzymski |
Sinice, czyli cyjanobakterie, najczęściej kojarzą się nam się z zakwitami wód i rozczarowaniem turystów, którzy wakacje postanowili spędzić nad Morzem Bałtyckim. W rzeczywistości te najstarsze ewolucyjnie organizmy na naszej planecie zdołały nawet skolonizować nasze jelita. Pisze o tym dr hab. Piotr Rzymski.
Artykuł dr. hab. Piotra Rzymskiego z Zakładu Medycyny Środowiskowej Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu:
Choć faktycznie sinice mogą być utrapieniem letniego wypoczynku, to biologiczne i środowiskowe znaczenie tej grupy bakterii jest niekwestionowane. Najstarsze dowody ich istnienia datuje się na 3,5 mld lat. Są to formacje skalne zbudowane z wytrąconego z udziałem sinic wapnia, które nazwano mianem stromatolitów i wpisano na listę światowego dziedzictwa UNESCO. Produkując tlen przez miliony lat, prekambryjskie sinice przeobraziły skład gazowy atmosfery, zmieniając bieg rozwoju innych organizmów na Ziemi. Ustępowały beztlenowce, znajdując sobie tylko wybrane przyczółki w środowisku, ale za to pojawiło się wiele nowych linii życiowych, dla których tlen stanowił podstawę przetrwania. Pierwotne sinice dały też początek chloroplastom komórek roślinnych. Dzięki eonom ewolucji rozmaici przedstawiciele tych bakterii zdołali zasiedlić bardzo zróżnicowane środowiska – znajdziemy je w oceanach, morzach, jeziorach, rzekach, źródłach termalnych, glebie, nagich skałach, pyłach wulkanicznych. Niektóre sinice wchodzą również w skład mikrobiomu układu pokarmowego różnych zwierząt – od termitów po ssaki.
To oczywiście może rodzić pewną konsternację, bo przecież dla większości ludzi sinice to organizmy zdolne do fotosyntezy, czyli procesu przekształcania wody i dwutlenku węgla w związki organiczne, który bezwzględnie wymaga dostępu do światła słonecznego. Do absorbowania fotonów światła sinice wykorzystują przede wszystkim dwa barwniki – zielony chlorofil i niebieską fikocyjaninę – wypadkowa barwa ich komórek znajduje odzwierciedlenie w polskiej nazwie tych bakterii. W jelitach jest natomiast zupełnie ciemno, a zatem prowadzenie fotosyntezy jest niemożliwe. Sinice będące składową mikrobiomu jelit nie są więc zdolne do tego procesu. Przez pewien czas badacze próbowali ustalić, czy wtórnie utraciły tę właściwość, czy może nigdy jej nie posiadły. Badania naukowe wykazały, że bardziej prawdopodobny jest ten drugi scenariusz. Sinice związane ze środowiskiem ludzkich jelit to prawdziwie dziedzictwo naturalne; potomkowie bardzo starej linii, zapoczątkowanej jeszcze zanim na Ziemi pojawiły się ich krewni zdolni do fotosyntezy. Zaliczono je do odrębnej klasy Melainabacteria w obrębie typu sinic (Cyanobacteria).
Oczywiście pierwotnie melainabakterie nie mogły być związane z tak specyficznym środowiskiem, jakim jest układ pokarmowy, bo ono zwyczajnie jeszcze nie istniało na Ziemi. Początkowo zasiedlały i ewoluowały w wodach, osadach jeziornych i glebach, gdzie zresztą do dziś możemy je odnaleźć. Środowisko przewodu pokarmowego zwierząt okazało się jednak także atrakcyjne do kolonizacji, gdyż wszystkie melainabakterie pozyskują energię na drodze alkoholowej lub mlekowej fermentacji, wykorzystując w tym celu cukry proste i złożone, takie jak glukoza, mannoza czy skrobia. O ich dostępność w przewodzie pokarmowym człowieka nie muszą się martwić.
Co ciekawe, sinice związane z układem pokarmowym wcale nie są liczne, w przeciwieństwie do tych występujących w wodach powierzchniowych i zdolnych do tworzenia masowych zakwitów. Z badań ludzkiego mikrobiomu jelit wynika, że melainabakterie stanowią na ogół nie więcej niż 0,5 proc. całej mikroflory. Z tego powodu ich obecność przez długi czas jedynie raportowano, ale nie zgłębiano ich znaczenia dla funkcjonowania organizmu ludzkiego. A przecież organizmy, które są nieliczne, wcale nie muszą być nieistotne. Na szczęście przykuły one uwagę tych mikrobiologów, którzy już wcześniej zajmowali się bardziej „klasycznymi” sinicami – związanymi ze środowiskiem wodnym. Główny problem badania melainabakterii występujących w jelitach polega na ich pozaustrojowej hodowli – ta sztuka nie udała się jeszcze nikomu. Podejrzewa się, że sinice jelitowe mogą wymagać do wzrostu obecności innych mikroorganizmów, albowiem prowadzona przez nie fermentacja prowadzi do wydzielania wodoru, którego nadmiar gwałtownie hamuje zachodzenie tego procesu. Możliwe więc, że sinicom do przeżycia w jelitach potrzebne są inne bakterie, które mają zdolność redukowania, a co za tym idzie – obniżania poziomu wodoru. Wszystkie sinice związane z przewodem pokarmowym człowieka są organizmami beztlenowymi. Niektóre z nich posiadają narząd ruchu w postaci wici. W ich genomie zidentyfikowano sekwencje warunkujące możliwość syntezy witamin B2, B3, B7, B9 oraz K. Jednak z uwagi na nieduży udział sinic w mikrobiomie jelit prawdopodobnie nie odgrywają one istotnej roli w gospodarce tych witamin w organizmie człowieka. Prawdopodobnie melainabakterie posiadają zdolność do efektywnego rozkładu polisacharydów roślinnych, gdyż ich istotnie większy udział występuje w przewodach pokarmowych zwierząt roślinożernych i ludzi, którzy stosują dietę wegetariańską.
Badania prowadzone w niektórych regionach świata wykazały, że melainabakterie liczniej występują również w jelitach osób związanych z obszarami wiejskimi. Ich większą biomasę obserwowano także wśród pacjentów z łagodnymi zmianami nowotworowymi jelita grubego, jak i wśród dzieci z ostrym wirusowym zapaleniem żołądka. Z kolei osoby otyłe lub cierpiące na marskość wątroby charakteryzowały się ich obniżoną obecnością. Trzeba jednak zaznaczyć, że obserwacje te poczyniono na niedużych grupach osób. Ponadto wszystkie mają charakter wyłącznie korelacyjny. Na ich podstawie nie można postulować, że zmiany liczebności melainabakterii są przyczyną danego stanu klinicznego bądź jego skutkiem. Ponadto brakuje badań jakościowych pozwalających na określenie udziału poszczególnych gatunków lub szczepów melainabakterii w przewodzie pokarmowym.
Oczywiście nie oznacza to, że są to badania bezwartościowe. Stanowią one preludium do bardziej szczegółowych analiz, w których liczebność i skład melainabakterii analizowane byłyby u tych samych osób wielokrotnie na przestrzeni długiego czasu. Pozwoliłyby one zrozumieć, w jaki dokładnie sposób obecność sinic w jelitach wiązać może się z poszczególnymi stanami klinicznymi. Bardzo pomocne w lepszym poznaniu tych mikroorganizmów byłoby opracowanie technik ich skutecznej hodowli w warunkach laboratoryjnych – moglibyśmy charakteryzować molekularnie i biochemicznie różne szczepy. Na ten moment to wszystko spore wyzwania. Ale przecież to właśnie je interdyscyplinarna nauka lubi najbardziej.
Artykuł opublikowano w Biuletynie Wielkopolskiej Izby Lekarskiej 6/2022.
Choć faktycznie sinice mogą być utrapieniem letniego wypoczynku, to biologiczne i środowiskowe znaczenie tej grupy bakterii jest niekwestionowane. Najstarsze dowody ich istnienia datuje się na 3,5 mld lat. Są to formacje skalne zbudowane z wytrąconego z udziałem sinic wapnia, które nazwano mianem stromatolitów i wpisano na listę światowego dziedzictwa UNESCO. Produkując tlen przez miliony lat, prekambryjskie sinice przeobraziły skład gazowy atmosfery, zmieniając bieg rozwoju innych organizmów na Ziemi. Ustępowały beztlenowce, znajdując sobie tylko wybrane przyczółki w środowisku, ale za to pojawiło się wiele nowych linii życiowych, dla których tlen stanowił podstawę przetrwania. Pierwotne sinice dały też początek chloroplastom komórek roślinnych. Dzięki eonom ewolucji rozmaici przedstawiciele tych bakterii zdołali zasiedlić bardzo zróżnicowane środowiska – znajdziemy je w oceanach, morzach, jeziorach, rzekach, źródłach termalnych, glebie, nagich skałach, pyłach wulkanicznych. Niektóre sinice wchodzą również w skład mikrobiomu układu pokarmowego różnych zwierząt – od termitów po ssaki.
To oczywiście może rodzić pewną konsternację, bo przecież dla większości ludzi sinice to organizmy zdolne do fotosyntezy, czyli procesu przekształcania wody i dwutlenku węgla w związki organiczne, który bezwzględnie wymaga dostępu do światła słonecznego. Do absorbowania fotonów światła sinice wykorzystują przede wszystkim dwa barwniki – zielony chlorofil i niebieską fikocyjaninę – wypadkowa barwa ich komórek znajduje odzwierciedlenie w polskiej nazwie tych bakterii. W jelitach jest natomiast zupełnie ciemno, a zatem prowadzenie fotosyntezy jest niemożliwe. Sinice będące składową mikrobiomu jelit nie są więc zdolne do tego procesu. Przez pewien czas badacze próbowali ustalić, czy wtórnie utraciły tę właściwość, czy może nigdy jej nie posiadły. Badania naukowe wykazały, że bardziej prawdopodobny jest ten drugi scenariusz. Sinice związane ze środowiskiem ludzkich jelit to prawdziwie dziedzictwo naturalne; potomkowie bardzo starej linii, zapoczątkowanej jeszcze zanim na Ziemi pojawiły się ich krewni zdolni do fotosyntezy. Zaliczono je do odrębnej klasy Melainabacteria w obrębie typu sinic (Cyanobacteria).
Oczywiście pierwotnie melainabakterie nie mogły być związane z tak specyficznym środowiskiem, jakim jest układ pokarmowy, bo ono zwyczajnie jeszcze nie istniało na Ziemi. Początkowo zasiedlały i ewoluowały w wodach, osadach jeziornych i glebach, gdzie zresztą do dziś możemy je odnaleźć. Środowisko przewodu pokarmowego zwierząt okazało się jednak także atrakcyjne do kolonizacji, gdyż wszystkie melainabakterie pozyskują energię na drodze alkoholowej lub mlekowej fermentacji, wykorzystując w tym celu cukry proste i złożone, takie jak glukoza, mannoza czy skrobia. O ich dostępność w przewodzie pokarmowym człowieka nie muszą się martwić.
Co ciekawe, sinice związane z układem pokarmowym wcale nie są liczne, w przeciwieństwie do tych występujących w wodach powierzchniowych i zdolnych do tworzenia masowych zakwitów. Z badań ludzkiego mikrobiomu jelit wynika, że melainabakterie stanowią na ogół nie więcej niż 0,5 proc. całej mikroflory. Z tego powodu ich obecność przez długi czas jedynie raportowano, ale nie zgłębiano ich znaczenia dla funkcjonowania organizmu ludzkiego. A przecież organizmy, które są nieliczne, wcale nie muszą być nieistotne. Na szczęście przykuły one uwagę tych mikrobiologów, którzy już wcześniej zajmowali się bardziej „klasycznymi” sinicami – związanymi ze środowiskiem wodnym. Główny problem badania melainabakterii występujących w jelitach polega na ich pozaustrojowej hodowli – ta sztuka nie udała się jeszcze nikomu. Podejrzewa się, że sinice jelitowe mogą wymagać do wzrostu obecności innych mikroorganizmów, albowiem prowadzona przez nie fermentacja prowadzi do wydzielania wodoru, którego nadmiar gwałtownie hamuje zachodzenie tego procesu. Możliwe więc, że sinicom do przeżycia w jelitach potrzebne są inne bakterie, które mają zdolność redukowania, a co za tym idzie – obniżania poziomu wodoru. Wszystkie sinice związane z przewodem pokarmowym człowieka są organizmami beztlenowymi. Niektóre z nich posiadają narząd ruchu w postaci wici. W ich genomie zidentyfikowano sekwencje warunkujące możliwość syntezy witamin B2, B3, B7, B9 oraz K. Jednak z uwagi na nieduży udział sinic w mikrobiomie jelit prawdopodobnie nie odgrywają one istotnej roli w gospodarce tych witamin w organizmie człowieka. Prawdopodobnie melainabakterie posiadają zdolność do efektywnego rozkładu polisacharydów roślinnych, gdyż ich istotnie większy udział występuje w przewodach pokarmowych zwierząt roślinożernych i ludzi, którzy stosują dietę wegetariańską.
Badania prowadzone w niektórych regionach świata wykazały, że melainabakterie liczniej występują również w jelitach osób związanych z obszarami wiejskimi. Ich większą biomasę obserwowano także wśród pacjentów z łagodnymi zmianami nowotworowymi jelita grubego, jak i wśród dzieci z ostrym wirusowym zapaleniem żołądka. Z kolei osoby otyłe lub cierpiące na marskość wątroby charakteryzowały się ich obniżoną obecnością. Trzeba jednak zaznaczyć, że obserwacje te poczyniono na niedużych grupach osób. Ponadto wszystkie mają charakter wyłącznie korelacyjny. Na ich podstawie nie można postulować, że zmiany liczebności melainabakterii są przyczyną danego stanu klinicznego bądź jego skutkiem. Ponadto brakuje badań jakościowych pozwalających na określenie udziału poszczególnych gatunków lub szczepów melainabakterii w przewodzie pokarmowym.
Oczywiście nie oznacza to, że są to badania bezwartościowe. Stanowią one preludium do bardziej szczegółowych analiz, w których liczebność i skład melainabakterii analizowane byłyby u tych samych osób wielokrotnie na przestrzeni długiego czasu. Pozwoliłyby one zrozumieć, w jaki dokładnie sposób obecność sinic w jelitach wiązać może się z poszczególnymi stanami klinicznymi. Bardzo pomocne w lepszym poznaniu tych mikroorganizmów byłoby opracowanie technik ich skutecznej hodowli w warunkach laboratoryjnych – moglibyśmy charakteryzować molekularnie i biochemicznie różne szczepy. Na ten moment to wszystko spore wyzwania. Ale przecież to właśnie je interdyscyplinarna nauka lubi najbardziej.
Artykuł opublikowano w Biuletynie Wielkopolskiej Izby Lekarskiej 6/2022.
