Мікробна екологія людини міністерство освіти І науки України Національний університет харчових технологій Кафедра біотехнології І мікробіології Розробила: к б. н., доц. Старовойтова С. О. Київ 2014



Скачати 46,86 Kb.
Дата конвертації25.12.2016
Розмір46,86 Kb.

МІКРОБНА ЕКОЛОГІЯ ЛЮДИНИ

Міністерство освіти і науки України

Національний університет харчових технологій

Кафедра біотехнології і мікробіології

Розробила: к.б.н., доц. Старовойтова С.О.

Київ - 2014
  • Історія розвитку мікробної екології людини
  • Основні поняття мікробної екології людини
  • Еволюційна мікроекологія та її біотехнологічні аспекти
  • Основні міжнародні проекти в галузі мікробної екології людини та створені пробіотиків
  • Історія розвитку мікробної екології людини

Етапи розвитку вчення про мікробіоценоз:

1. «Евристичний» – відкриття голландським природознавцем Антонієм Ван Левенгуком (друга половина ХVІІ століття) наявності у організмі людини та тварин мікроорганізмів.

2. «Накопичувальний» – охоплює дослідження з виявлення та ідентифікації мікроорганізмів у різних біотопах. Починається вивчення не лише агресивної, а й захисної ролі окремих видів мікроорганізмів у житті людини та тварин (A. Ніссле, І.І. Мечников, Л.Г. Перетц, Н.Ф. Гамалея, Г.Н. Габричевський та ін.).

3. «Деталізації» (80–90-ті роки ХХ ст.). Широке використання сучасних методів культивування облігатно анаеробних бактерій і використання принципів гнотобіології дало можливість розпочати цілеспрямоване вивчення ролі нормальної мікрофлори та її окремих представників у підтримці гомеостазу макроорганізму, а також оцінити її роль у виникненні деяких патологічних станів, спричинених різними представниками мікрофлори (О.В. Чахава, А.О. Тамм, Б.А. Шендеров та ін.).

4. «Аналітичний» (кінець 90-х років ХХ ст.) (І.В. Домарадський, В.Н. Бабін, А.В. Дубінін, О.Н. Мінушкін, М.Д. Ардатська та ін.) базується на вивченні молекулярних і біохімічних механізмів, що зумовлюють зв’язок мікробіоти та організму-хазяїна. Цей етап дав змогу оцінити потенціал симбіозу з мікрофлорою та з’ясувати можливі причини переходу від «благополучного співіснування» до взаємної агресії.

Вчені, які зробили вагомий внесок у розвиток мікробної екології людини :

Луї Пастер

(1822–1895)

вивчення біохімічної діяльності мікроорганізмів, їхньої ролі у природі та житті людини

Роберт Кох

(1843–1910)

з розробок постулатів інфекційної хвороби (тріади Коха) виникає розуміння, що не всі мікроорганізми патогенні для людини

І.І. Мечников

(1845–1916)

- одним з перших визначив оздоровчу роль мікрофлори у житті людини.

- довів, що шкіра і слизові оболонки вкриті біоплівкою, яка складається з сотень видів мікробів

- розробив препарат «Лактобацилін» на основі чистих культур лактобактерій Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus



Основні аспекти концепції мікробіологічної терапії І.І. Мечнікова базувалися на таких уявленнях:
  • підвищення захисної функції мікрофлори кишечника реалізується трансформацією «дикої кишкової флори людини в культивовану»;
  • оздоровлення кишкової мікрофлори повинно сприяти покращенню фізичного та психічного стану хазяїна (під терміном «хазяїн» тут і далі розуміється організм людини або тварини) та підвищенню тривалості його життя;
  • підвищення чисельності популяції молочнокислих бактерій у кишечнику сприятиме пригніченню гнильних мікроорганізмів і зниженню концентрації токсичних метаболітів, що отруюють організм та скорочують тривалість життя;
  • оздоровлення кишкової мікрофлори та підвищення опору організму впливу шкідливих мікроорганізмів та продуктів їх метаболізму можна здійснювати введенням у раціон харчування кисломолочних продуктів;
  • доцільно систематично вживати кисле молоко, виготовлене за допомогою чистих культур молочнокислих бактерій, наприклад болгарської палички та стрептобацил.

Едуард Гартьє

(1872-1959 )

обґрунтував доцільність використання з терапевтичною метою молока, ферментованого антагоністично активним штамом Lactobacillus acidophilus, виділеним з кишечника

Альфред Ніссле

(1874 - 1965)

у 1925 р. запропонував виготовлення лікувальних композицій на основі спеціальної живої культури ентеробактерій (Escherichia coli), ізольованої з організму людини (препарат Мутафлор).

Олександр Флемінг

(1881–1955)

Відкриття у 1929 р. пеніциліну ознаменувало вступ медицини у еру антибіотиків. Розширення асортименту антибіотиків і виявлення їх високої активності значно загальмувало подальший розвиток мікробної екології людини.

В.І. Вернадський

(1863–1945)

показав глобальну роль мікроорганізмів у створенні основної живої матерії. Він є автором вчення про біосферу та ідеї про біосферу як найвищий рівень екологічної інтеграції.

С.М. Виноградський

(1856–1953)

вперше ввів термін «екологічна мікробіологія» з метою об’єднання розділів мікробіології, що вивчають взаємозв’язки макроорганізму з мікроорганізмами.

Згідно з визначенням

С.М. Виноградського

Екологічна мікробіологія – це наука про відносини світу мікробів з іншими живими істотами та біосферою в цілому. Вона вивчає відносини у мікробних популяціях, а також взаємний вплив мікроорганізмів, які разом співіснують у спільних біотопах.

Сучасна мікробна екологія людини охоплює

  • Екзомікроекологію - досліджує взаємовідносини людини з мікроорганізмами навколишнього середовища

  • - Ендомікроекологію (мікробна екологія людини) - вивчає симбіотичні взаємовідносини між аутомікрофлорою та макроорганізмом, а також між представниками мікробного угруповання організму людини в нормі і патології

О.Ф. Білібін

(1897–1976)

уперше звернув увагу клініцистів на необхідність уважного ставлення до проблеми порушення кишкової мікрофлори та ендогенних інфекцій як наслідку розладів у мікробній екосистемі

О.М. Уголєв

(1926–1991)

запропонував нову міждисциплінарну науку трофологію та дійшов висновку, що організм людини існує як надорганізм, який складається з домінуючого багатоклітинного макроорганізму та специфічної бактеріальної полікультури, що значною мірою впливає на всі аспекти життєдіяльності системи в цілому.

2. Основні поняття мікробної екології людини

Мікробна екологія людини – це наука, що вивчає склад і функції природної мікрофлори різних біотопів людини, взаємовідносини ендогенної мікрофлори з макроорганізмом і навколишнім середовищем, а також взаємозв’язки між окремими компонентами мікробних ценозів у нормі та при патології.

Мікробна екологічна система людини – це складний динамічний комплекс, що сформувався у процесі онто- та філогенезу. Він включає в себе макроорганізм і різноманітні за кількісним складом і таксономічною належністю асоціації бактерій, вірусів, найпростіших (мікробіоту), а також їхні метаболіти, сконцентровані у відносно відкритих біологічних системах організму людини (середовищах існування – біотопах).

Мікробіоценоз – сукупність мікробних популяцій, які мешкають в одному біотопі. Мікробні популяції заселяють всі поверхні тіла людини, що безпосередньо або непрямо контактують із зовнішнім середовищем.

Нормальна мікрофлора (нормальна мікробіота, нормобіоз) – це багатовидовий комплекс мікроорганізмів, які заселяють біотопи людини у нормофізіологічних умовах.

Мікробіота – це угруповання різноманітних мікроорганізмів, які еволюційно склалися та заселяють відкриті порожнини організму людини і визначають біохімічну, метаболічну та імунологічну рівновагу макроорганізму.

Біотоп – ділянка слизової оболонки, шкіри або органу макроорганізму з однаковими умовами існування мікроорганізмів.

Популяція – сукупність особин одного виду, що займають певний біотоп і яким притаманний спільний генофонд.

Мікробне угруповання – сукупність кількох популяцій різних видів або родів мікроорганізмів. Угруповання мікроорганізмів утворює біоценоз певного біотопу і разом з організмом хазяїна формує постійні або тимчасові мікроекосистеми.

Загальна концентрація мікробних популяцій у тілі людини сягає величини 1014–1016, тобто на 1–3 порядки більше, ніж сума власних клітин її тіла (1013). Нормальна мікрофлора здорової людини формує біомасу, що становить 1–6 % маси тіла макроорганізму, тобто приблизно 2,5–3 кг для організму дорослої людини. Підраховано, що загальний геном бактерій, виявлених у ШКТ («мікробіом»), включає 600000 генів, що у 24 рази перевищує розмір геному людини, що нараховує 25000 функціонуючих генів.

Серце

Мозок


Нормальна

мікрофлора

Печінка

0,27-0,38кг



0,9-2,0кг

2,5-3,0кг

1,3-1,8кг

3. Еволюційна мікроекологія та її біотехнологічні аспекти



Основні завдання еволюційної мікроекології :
  • дослідження мікробної екології організмів з різним рівнем організації та еволюційного розвитку. Виявлення загальних для всіх простіших стабільних симбіотичних асоціацій;
  • встановлення філогенетичних взаємовідносин між прокаріотами та еукаріотами різного рівня еволюції та організації;

  • - фено- та генотипове дослідження подібних мікробних спільнот («МАС» – microorganism-association complex) у різних безмікробних тваринах;
  • створення кріобанків для тривалого зберігання природних симбіотичних мікробіоценозів людини, рослин і тварин;
  • мікроекологічна інженерія: конструювання у модельних експериментах «ідеальних мікробіоценозів» із заданими характеристиками;

  • - дослідження взаємозв’язку складу мікробіоти матері та її нащадків у різні періоди розвитку;

    дослідження впливу симбіотичної мікрофлори на процеси росту, старіння та загибелі клітин хазяїна.



Основні біотехнологічні аспекти мікробної екології
  • клонування генів, відповідальних за синтез біотехнологічно важливих продуктів у резидентних бактерій людини; створення на їх основі генно-інженерних технологій (антибіотики, пробіотики, метабіотики, вакцини, імуномодулятори, вітаміни, пептиди, біосенсори тощо);
  • метагеномні дослідження і перенесення відповідних фрагментів ДНК у клітини Escherichia сoli, мікроорганізмів родів Saccharomycetes, Lactobacillus;
  • створення банку потенційних виробничих штамів на основі симбіотичної мікрофлори різних мікроорганізмів, молекулярно-генетична ідентифікація та маркування подібних штамів;
  • використання симбіотичних мікроорганізмів як джерела біодеградованих полімерів для харчової та фармацевтичної промисловості;
  • пошук серед симбіотичних мікроорганізмів продуцентів регуляторів апоптозу еукаріотичних клітин та модуляторів, що впливають на процеси старіння організму;
  • використання симбіотичних вірусів і бактерій та їх структурних компонентів як носіїв для доставки БАР і мікронутрієнтів до відповідних органів, тканин, клітинних і субклітинних органел еукаріотичних організмів;
  • створення сучасних підприємств стартерних культур різного призначення на основі симбіотичних мікроорганізмів для біотехнологічної промисловості

Для реалізації біотехнологічних аспектів мікробної екології нині використовується кілька нових підходів

Масс-спектрометрія мікробних маркерівметод детектування мікроорганізмів за структурними, генетично детермінованими вищими жирними кислотами (ВЖК), альдегідами та стеринами безпосередньо у об’єкті дослідження.

Оскільки вміст ВЖК у клітинах мікроорганізму даного виду однаковий і специфічний, то їх концентрація в клінічному матеріалі пропорційна концентрації цього виду.

Хімічне різноманіття (понад 200 ЖК та альдегідів) бактеріальних клітин дає змогу диференціювати бактерії на фоні ЖК людини. Клітинні жирні кислоти – це генетично детерміновані молекулярні маркери мікроорганізмів.

Процедура підготовки проби чисто хімічна: через відсутність потреби у культивуванні мікроорганізмів можна визначити кількісно будь-які мікроорганізми, незалежно від їх здатності рости у штучних умовах.

Площа піку маркеру на селективній хроматограмі пропорційна чисельності відповідних мікроорганізмів.

Концентрація мікробних маркерів у крові в середньому постійна в нормі та корелює із складом мікробіоти слизової оболонки тонкого кишечника.

Виявлення явища гомеостазу мікробних маркерів у крові людини та відповідність їх концентрації складу мікробіоти тонкої кишки дає змогу отримати новий неінвазивний метод вивчення складу її мікробіоти.

Потрібно лише 40 мкл крові з пальця та 3 год часу для визначення домінантів мікроекології.



Мікро-метаболоміка – молекулярна технологія для моніторингу мікробного гомеостазу та його відхилення від норми. Мікро-метаболоміка – це точне визначення мікробних маркерів (понад 200 структурних жирних кислот, гідроксикислот, жирних альдегідів) у біологічних рідинах і тканинах.

Метаболоміка (metabolomics) [греч. metabole —переміна і -omics — суфікс, що позначає «повний», «цілий», «увесь»; неологізм] — науковий напрям у молекулярній біології та генетиці, що вивчає метаболічні інтермедіати (а їх концентрації), що є попередниками усіх клітинних компонентів.

Метаболом – сукупність метаболітів, що є кінцевим продуктом обміну речовин в клітині, тканині, органі або організмі.

Складності досліджень в області метаболоміки:
  • З хімічної точки зору більшість інтермедіатів дуже схожі, тому їх важко відділити один від одного стандартними фізико-хімічними методами;
  • Час життя більшості інтермедіатів в клітині дуже малий (вони хімічно нестійкі в клітинних екстрактах), а їх вміст у клітині дуже сильно залежить від «умов життя» організму

4. Основні міжнародні проекти в галузі мікробної екології людини та створені пробіотиків

Товариство мікробної екології та захворювань

Society for Microbial Ecology and Disease

(SOMED)

www.somed.nu

Ще в середині 70-их років минулого століття група американських і європейських вчених, що активно займаються вивченням кишкової мікрофлори людини, заснували Товариство кишкової мікробної екології та захворювань (Society for Intestinal Microbial Ecology and Disease (SIMED)). Перша зустріч, якого відбулася в 1976 році в США.

Спочатку, організація зустрічей була основним завданням нового Товариства, але з роками, спектр завдань розширювався, включаючи підставу в 1988 році офіційного журналу Товариства «Microbial Ecology in Health and Disease» («Мікробна екологія в нормі і при патології).

Під час ділової зустрічі SIMED, що проходила разом з XIII Міжнародний симпозіум з кишкової мікробної екології (International Symposium on Intestinal Microecology, 11-14 вересня 1988 р., Порто Конте, Італія) надійшла пропозиція переглянути назву Товариства. Необхідно було узгодити області мікробної екології та кишкової екології. В результаті членами Товариства було прийнято рішення змінити назву Товариство кишкової мікробної екології та захворювань (SIMED) на Товариство мікробної екології та захворювань (SOMED)



Основними цілями SOMED є: - Сприяння розвитку наукових знань , підтримка досліджень і технологій в області мікробної екології та пов'язаних з нею захворювань; - Об'єднання зусиль вчених, що займаються науковими дослідженнями на місцях, і поширення наукової інформації, що стосується даної галузі досліджень ; - Співпраця з національними та міжнародними організаціями, що досліджують проблеми мікробної екології і захворювання, пов'язані з її порушеннями ; - Організація та спонсорування наукових зустрічей і конференцій.

International Science and Technology Center Міжнародний науково-технічний центр

www.istc.ru

МНТЦ - міжурядова організація , що налагоджує ділові зв'язки між вченими з Росії, України, Грузії та інших країн СНД з їх колегами з дослідницьких організацій в Канаді, ЄС, Японії, Республіки Корея, Норвегії та США. МНТЦ створено сприяти реалізації міжнародних наукових проектів, а також допомагати глобальному науковому і діловому співтовариству знайти і задіяти інститути країн СНД, які володіють унікальними науковими ноу -хау , для спільних розробок та ведення бізнесу.

МНТЦ визначає пробіотики як пріоритетний напрям досліжень.

На засіданні робочої групи тридцять четвертого Міжнародного Конгресу SOMED (20-23 листопада 2011 року, Йокогама, Японія) були розглянуті питання майбутнього фінансування МНТЦ нових перспективних проектів «Пробіотики і здоров'я. Цільова ініціатива» Probiotics & Health Targeted Initiative (TI PROBIO ISTC).

З тих пір як запущена TI PROBIO ISTC, профінансовано вже два проекти - в Інституті імунологічної інженерії (Любучани, Росія) (проект, вартістю в 330,000 доларів, що припускає стимулювання імунної системи пробіотиками) та в Інституті епідеміології та мікробіології (Владивосток, Росія).

Лідируючими науковими інститутами країн СНД запропоновано вісім проектів (мікробне різноманіття, астро-пробіотик, ферментований буряковий сік, бактеріоцини і т.д.), що знаходяться на розгляді Центру. З поданих проектів планується відібрати 2-3 пропозиції для створення проектів, що фінансуються TI PROBIO ISTC, з продуктивним міжнародним співробітництвом для задоволення комерційних потреб світового ринку.



На початку третього тисячоліття стартувала програма Human Microbiome Project (USA , 2006 р) та MetaHIT Project (European Commission , 2008). Головні цілі цих проектів:

- Деталізація взаємин клітин людини з його симбіотичної мікрофлорою ;

- Виявлення, які саме гени власних клітин людини мають загальне і різне походження з генами його мікробіома ;


  • Розпізнавання , які зміни в мікробіомі людини корелюють із змінами в його здоров'ї ;

  • - Розробка нових технологічних і біоінформаційних методів і прийомів, що дозволяють досягти вищевказані цілі ;

    - Дослідження етичних, соціальних, біотехнологічних та інших аспектів і наслідків, що виникають в результаті глибокого вивчення мікробіома людини



Human Microbiome Project.

www.hmpdacc.org

www.nihroadmap.nih.gov/hmp

Проект ініційований Національним Інститутом Здоров'я (National Institutes of Health). Упор проекту робиться на вивчення мікробіології п'яти біотопів людини: ротова порожнина, носова порожнина, шкіра, шлунково-кишковий тракт, урогенітальний тракт

Всі результати з вивчення мікрофлори різних біотопів організму людини, отримані в ході проведення проекту «мікробом людини» представлені у вигляді відповідних карт або, як їх ще називають, дерев

Мікробіом шлунково-кишкового тракту людини

Карта розподілу мікроорганізмів в ротовій порожнині людини

При реалізації Проекту використовуються як традиційні можливості генетичного ДНК секвенування, так і метагеноміка.



Метагеноміка - дозволяє всебічно вивчити мікробні спільноти, включаючи навіть ті, які містять некультивовані мікроорганізми. Замість того, щоб вивчати геном індивідуального бактеріального штаму, вирощеного в лабораторних умовах, можливості метагеномікі дозволяють аналізувати генетичний матеріал цілого мікробного угрупування, отриманий з природного навколишнього середовища.

Учені з американського інституту здоров'я (NIH), в рамках проведення даної програми, розраховують розшифрувати геном 600 генів бактерій з приблизно 2 тис. видів, що складають мікробіоту людини.



Програмні ініціативи:

- Удосконалення відповідного набору послідовностей мікробного геному і попередня характеристика мікробіома людини



- Взаємозв'язок між захворюваннями і змінами в мікробіома людини
  • Розробка нових технологій
  • Розробка нових інструментів обчислювальних аналізів
  • Створення ресурсного репозиторію (ресурсної бази
  • Етичні, правові та соціальні аспекти HMP досліджень

MetaHIT Project (Metagenomics of the Human Intestinal Tract)

http://www.metahit.eu/

Проект MetaHIT (Метагеноміка кишкового тракту людини), який фінансується Європейською комісією (European Commission), стартував 1 січня 2008 року. Група, що працює над даним проектом, складається з 13 наукових і промислових партнерів з 8 країн світу, в тому числі харчові та фармацевтичні компанії. Загальна вартість проекту була оцінена в більш ніж 21,2 мільйона євро.



Головною метою проекту є вивчення генома всіх бактерій, що складають кишкову мікрофлору людини, а також характеристика їх функцій в нормі та патології

Створення та скринінг метагеномних бібліотек.

У ході Проекту буде проаналізована нуклеотидна послідовність геномів 100 бактеріальних штамів, найчастіших представників кишкової мікрофлори людини. Перші 30 секвенованіх штамів - культивовані бактерії, інші 70 - некультивовані бактерії. Для аналізу некультивованих бактерій, індивідуальні бактерійні клітини будуть ізолюватися і геном отриманого клону будуть ампліфікувати для отримання достатньої кількості ДНК для подальшого нуклеотидного секвенування

Інформація з секвенування інтерпретується в гени, білки і функції, які вони визначають. Вже ідентифіковано 19000 різних функцій в генному каталозі. Велика частина функцій, більше 500, раніше не були виявлені, що свідчить про новизну отриманих даних.

Також ідентифіковано 6000 функцій, присутніх у кожного індивідуума. Передбачається , що вони складають «мінімальний метагеном», який необхідний для реалізації шлунково-кишкової мікробіотою людини належних функцій. Серед них, функції, які відсутні в геномі людини, наприклад, можливість деградувати харчові волокна і таким чином вивільняти з них більше енергії або синтезувати для організму людини вітаміни та незамінні амінокислоти. На жаль, інформації про функції мінімального метагенома на сьогоднішній день дуже мало

Крім мінімального метагенома, визначений набір з 1200 функцій, притаманних кожній бактерії, що потрапила в кишечник людини. Передбачається, що вони представляють «мінімальний кишковий геном». Половина з цих функцій життєво необхідних для бактерій. Однак, більшість виявлених бактеріальних функцій специфічні для кишкових бактерій. Вивчення даних функцій призведе до кращого розуміння функцій мікрофлори людини в нормі і при патології

Human Metabolome Project Проект “Метаболом человека”

Human Metabolome Database www.hmdb.ca

Human Metabolome Library www.metabolibrary.ca

Проект «Метаболом людини" (Human Metabolome Project) стартував у Канаді в 2005 році. Загальна вартість проекту 7500000 доларів. Метою проекту є сприяти дослідженням у галузі вивчення метаболома для подальшого полегшення діагностики захворювань, прогнозу та моніторингу метаболізму лікарських препаратів, а також їх токсикології; забезпечувати взаємозв'язок між метаболомом людини та її геномом; розробляти програмне забезпечення для метаболомікі



Приписами проекту є: ідентифікація, визначення кількості, каталогізація і зберігання всіх метаболітів, знайдених у тканинах і біологічних рідинах людини в концентраціях більше одного мікромоля. Отримані в ході проведення проекту дані вільно доступні в електронному форматі для всіх дослідників через Базу даних «Метаболом людини» (Human Metabolome Database (www.hmdb.ca )), а також через Бібліотеку «Метаболом людини» (Human Metabolome Library (www.metabolibrary.ca )) .

База даних Проекта «Метаболом людини»

Метаболом людину за своїм фундаментальним значенням подібний геному людини - сукупності всіх його генів, або протеому - сукупності всіх його білків. Це як би хімічний аналог геному. І якщо геном представляє програму життя, то метаболом - її інгредієнти. Вивчення метаболома людини проводиться за вивчення трьох видів біологічних рідин - сироватки крові, сечі і спинномозкової рідини.

Метаболом знаходиться у виключній залежності від того, що людина їсть, де живе, від часу доби, пори року, загального стану здоров'я і навіть від душевного стану

Розшифровка людського метаболома надзвичайно важлива і для розуміння функцій його нормальної мікрофлори, оскільки однією з найважливіших функцій кишкової мікрофлори є її участь у травних процесах організму людини



«Ми ніколи не обідаємо на самоті: наші мікроби сидять за столом разом з нами, поглинають необхідні їм нутрієнти, в особливості ті, що ми самі переварити не здатні і щедро діляться ними з нами»

Prof. Gordon (2005)


База даних захищена авторським правом ©vaglivo.org 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка