JESTE li ikada imali osjećaj da vašim životom netko upravlja? Ako ste možda pomislili da su krivci ljudi gušteri ili neka vanzemaljska inteligencija – bili ste, naravno, u krivu. No, postoji sve više dokaza da našim tijelom, zdravljem, pa čak i osjećajima, doista upravlja netko drugi. Kao i mnogo puta do sada, odgovor koji daje priroda bolji je i od najbolje režiranog znanstvenofantastičnog filma ili neke zakulisne teorije urote. Našim životima upravljaju – mikrobi!
Mikrob, ili mikroorganizam, skupni je naziv za živa bića nevidljiva ljudskome oku bez pomoći mikroskopa. Pod mikrobe ubrajamo sve organizme koji se sastoje od jedne stanice, prvenstveno bakterije i njima slične arheje, a zatim i nešto složeniji organizmi poput ameba, gljivica ili mikroskopskih algi. Upravo su bakterije i arheje, kao najjednostavniji oblici života, prvi stanovnici Zemlje i na njoj obitavaju već oko četiri milijarde godina. Kroz to vrijeme, u nebrojeno mnogo generacija (životni vijek jedne bakterije je samo nekoliko desetaka minuta prije nego što se podijeli na dvije nove jedinke), uspjele su postići ogromnu raznolikost vrsta i prilagoditi se doslovno svakom okolišu na Zemlji, uspješno ga kolonizirati i iskoristiti za vlastiti rast i preživljavanje. Litra vode iz rijeke ili jezera sadrži oko milijardu, a kilogram plodne zemlje i do 50 milijardi bakterija.
Bakterijski Borg
Mikrobi, a posebno bakterije, izrazito su društvena bića i rijetko žive kao zasebne vrste u izolaciji. Mnogo češće ćemo u prirodi pronaći mikrobne zajednice, ili mikrobiome, koje se sastoje od mnoštva različitih vrsta koje međusobno surađuju kako bi preživjele. U takvim su zajednicama česti slučajevi da nusproizvodi metabolizma jedne vrste služe kao hrana za drugu, ili da nekoliko različitih vrsta sudjeluje u proizvodnji neke aktivne tvari kojom se koristi cijela mikrobna zajednica, primjerice antibiotika kojim se štite od uljeza. Također, unutar zajednice postoji i prilično glasan "žamor". Bakterije međusobno razgovaraju koristeći signalne molekule koje otpuštaju u okoliš, gdje ih mogu osjetiti drugi pripadnici zajednice i na taj način dobiti informaciju o tome koliko su brojne i trebaju li se boriti protiv nekog vanjskog utjecaja.
Osim društvenog života, u mikrobnim zajednicama prisutan je i popriličan promiskuitet. Poznato je, naime, da iako se radi o organizmima koji se razmnožavaju isključivo nespolnim putem (diobom), bakterije unutar zajednice međusobno razmjenjuju i velike količine genetičke informacije u postupku koji se zove horizontalni prijenos gena. Za razliku od vertikalnog prijenosa, gdje se geni prenose nasljeđivanjem iz pretka u potomka, horizontalnim prijenosom geni se mogu prenositi i među nesrodnim bakterijskim vrstama tako što se neki komad bakterijske DNA kopira iz jedne bakterije i unese u drugu, gdje se ugradi u njenu genetičku informaciju. Na ovaj način bakterije povećavaju svoju genetičku raznolikost koja im omogućava bolje preživljavanje. Baš poput nekog Borga (onog pravog, iz Zvjezdanih staza), sposobne su asimilirati gene iz drugih vrsta i tako naučiti neku novu vještinu ili dobiti novo svojstvo. Upravo ta raznolikost genetičkih alata i mogućnost da njima izrađuju sve što im je potrebno za osvajanje i preživljavanje u bilo kojoj vrsti okoliša, čini mikrobe i njihove zajednice najrobusnijim oblikom života. Zato je i najizglednije da će, ako ikad bude pronađen, vanzemaljski oblik života biti upravo u obliku ovako jednostavnih, ali izuzetno otpornih bića.
Da nema bakterija, ne bi bilo ni nas
U posljednjih nekoliko godina tehnologija jeftinog i jednostavnog sekvenciranja genetičke informacije omogućila nam je da dobijemo daleko bolji uvid u sastav i raznolikost mikrobnih zajednica. Zbog jake međusobne povezanosti mikroba unutar zajednice, dotadašnji pristup u kojem se pokušalo rastaviti zajednicu u zasebne vrste, svaku od njih posebno uzgojiti i opisati u laboratoriju nije bio pretjerano uspješan i davao je uvid u samo pet posto genetičke raznolikosti neke zajednice. Novom granom istraživanja, nazvanom metagenomika, moguće je izbjeći rastavljanje mikrobne zajednice i popisati cjelokupni genetički i metabolički potencijal čitavog mikrobnog sustava odjednom.
Mikrobne zajednice su u načelu dobrotvorne. Štoviše, mnogi mikrobiomi upravo su zaslužni za ovakav izgled i životne uvjete na Zemlji kakve poznajemo. Da u Zemljinoj prošlosti nije bilo mikroba, ili da ih nema i danas, vrlo vjerojatno na Zemlji ne bi postojale ni biljke, ni životinje, uključujući i ljude. Kao i svi organizmi na Zemlji, i mikrobne zajednice žele za sebe osigurati što više životnog prostora i hrane, pa se ponekad koriste mehanizmima kojima jednostrano iskorištavaju konkurente i na njima parazitiraju, ili ih potpuno ubijaju i time uklanjaju iz svoje blizine. No, mnogo je češći slučaj da mikrobne zajednice sa svojim susjedima, biljkama i životinjama, žive u mirnom i međusobno korisnom suživotu – simbiozi.
Ljudi nisu iznimka – život svakoga od nas usko je povezan i iznimno ovisan o mikrobnim zajednicama. Mikrobi su evoluirali zajedno s ljudima i prisutni su u i na ljudskom organizmu u ogromnome broju. Mi smo, doslovno, sastavljeni od istog broja ljudskih i bakterijskih stanica! Osim velikog broja bakterija koje se nalaze na koži svakog od nas, daleko najveće i najraznolikije mikrobno stanište su – naša crijeva. Korištenjem metagenomike, znanstvenici su pred svojim očima ugledali neslućenu kompleksnost mikrobnog života koji živi u nama. Što je još važnije, mogli su pratiti kako se on mijenja s obzirom na naš stil života, dob, zdravstveno stanje, način ili vrstu prehrane. Rezultati tih istraživanja zapanjili su mnoge, a kako se čini prava iznenađenja tek su pred nama!
Kako sve utječu na nas?
Prvi rezultati pokazali su da su mikrobne zajednice ljudskog probavnog trakta izrazito jaki imunomodulatori, odnosno da su usko povezane s ljudskim imunosnim sustavom. Vrlo je izgledno da pravilan razvoj imunološkog sustava od najranije mladosti ovisi o sastavu ljudskog mikrobioma (koji se naziva mikrobiota). Kemijski spojevi koje mikrobna zajednica luči i specifični proteini koji su prisutni na površini nekih bakterija u probavnom sustavu aktiviraju pravilan imunosni odgovor ljudskog organizma, a ako mikrobna zajednica nema pravilan sastav, to može završiti prejakim ili preslabim imunosnim odgovorom i kasnijim predispozicijama za alergiju ili autoimune bolesti. Pokazana je i povezanost sastava mikrobiote i jačine simptoma upalne bolesti crijeva ili Crohnove bolesti.
Ustanovljena je i povezanost crijevne mikrobiote s tjelesnom težinom. Ako mikrobna zajednica stvara kemijske spojeve koji izgledaju kao hormoni gladi, poticat će nas na preveliko uzimanje hrane. Isto tako, ako unutar mikrobne zajednice nema dovoljno metaboličke aktivnosti da pojede unesenu hranu, hrana će biti više na raspolaganju domaćinu povećavajući njegovu tjelesnu masu. Postoji i drugi problem – ako pak mikrobiota sadrži metaboličke putove za probavljanje hrane koju inače nismo u stanju probaviti, poput vlakana i celuloze, i takva će onda hrana završiti u ljudskome organizmu i time pridonijeti debljanju. Mnogi ljudi s metaboličkim poremećajem, dijabetesom ili masnom jetrom također imaju promijenjen sastav crijevne zajednice.
No, najsvježija istraživanja upućuju na to da je uloga naših mikroba daleko važnija. Pokazalo se, naime, kako je sastav crijevnih bakterija promijenjen u nekim promijenjenim mentalnim stanjima poput depresije ili problema s koncentracijom. Neko je već vrijeme poznato da su mozak i probavni trakt usko povezani (otuda i ona uzrečica gut feeling), ali izgledno je da je u toj vezi jedan od glavnih čimbenika upravo mikrobni sastav u crijevima, koji kroz crijeva može utjecati i na naše mentalno zdravlje. U vezu s mikrobima koje nerođena djeca dobivaju u utrobama svojih majki dovodi se i kasniji razvitak inteligencije. Posljednja istraživanja čak dovode u vezu nastanak i brzinu rasta tumora s disbalansom crijevne mikrobne zajednice.
Uz ova istraživanja, već su dostupne i dijagnostičke metode, koje omogućuju da se vrlo neinvazivno (samo uzorkovanjem stolice) prati sastav crijevne mikrobne zajednice i njen metabolički potencijal, što onda može poslužiti i kao vrlo učinkovit sustav za ranu detekciju nekih ozbiljnijih bolesti. Na primjer, u istraživanjima u kojima je sudjelovala i moja grupa, napravili smo sustav za praćenje i predviđanje stanja jetre isključivo na temelju genetičkog sastava crijevnih mikroba. Ovakvim sustavom možemo s oko 90 posto točnosti utvrditi imaju li pacijenti cirozu ili zdravu jetru. Uz nove dijagnostičke mogućnosti pojavljuju se i prvi terapijski zahvati. Takozvanom fekalnom transplantacijom moguće je presaditi mikrobnu zajednicu zdravog donora u probavni trakt osobe s upalnom bolešću crijeva, nakon čega su u velikom broju slučajeva vidljivi znatni pozitivni učinci i smanjenje akutnih simptoma.
Iako naoko mali i beznačajni, naši mikrobi doista mogu upravljati našim životima, učiniti nas zdravijima ili bolesnijima, veselima ili depresivnima, tjerati nas da jedemo više čokolade ili manje škroba, pomoći nam da bolje i jasnije razmišljamo. Da je i naša domaća grupa Borg možda znala malo više biologije, mogli su se izgovoriti da nisu ništa krivi već da su njima upravljali mikrobi. A mi se ostali možemo veseliti napretku znanosti koja će nam, siguran sam, otkriti još mnoga čudesa iz suživota ljudi i mikroba, ali i pomoći da drugačije sagledamo neke od zdravstvenih problema, njihovu dijagnozu i moguću terapiju.
**** Kristian Vlahoviček profesor je na PMF-u u Zagrebu na kojem je uveo bioinformatiku i računalnu biologiju. Pod njegovim mentorstvom diplomiralo je preko 20 studenata koji su svoje obrazovanje nastavili na najprestižnijim svjetskim i domaćim institucijama, od Ruđera preko Cambridgea do ETH-a. Objavio je više od 45 znanstvenih radova u vodećim znanstvenim časopisima, među kojima su i Cell i Nature, a koji su citirani preko 2100 puta. 2006. postao je prvi hrvatski dobitnik prestižne potpore za uspostavu laboratorija koju dodjeljuju Europska organizacija za molekularnu biologiju (EMBO) i Nacionalna zaklada za znanost i visoko obrazovanje RH. Voditelj je brojnih domaćih i međunarodnih projekata, uključujući i one Europske komisije. Dobitnik je brojnih nagrada, a također je recenzent i član uredništva u više svjetskih znanstvenih časopisa. Glasni je zagovornik reforme sustava znanosti i upravljanja kroz politike zasnovane na činjenicama.
Želite li momentalno primiti obavijest o svakoj objavljenoj kolumni naših vrhunskih znanstvenika, instalirajte Index.me aplikaciju i pretplatite se besplatno na tag: Index Lab.
Index.me aplikaciju za android besplatno možete preuzeti na ovom linku, dok iPhone aplikaciju možete preuzeti ovdje.