Где не ступала нога биолога

Холдеман вспоминает, как взволнован был Эд Мур, когда коллега пришёл к ней в конце 1971 года с потрясающей заявкой НАСА на финансирование микробиологических исследований.

100 тысяч долларов. “Для нас это были немыслимые деньги, могли позволить нам сделать то, о чем мы не смели и мечтать”, – говорит она. Пег и Эд много лет по крохам добывали средства на исследование загадочных анаэроб‑ бактерий, доминантов среди организмов, живущих на человеке (“на” – правильное слово, потому что внутренняя поверхность открывающегося наружу пищеварительного акта находится как бы снаружи по отношению к внутренней поверхности нашего тела). Они познакомились за шесть лет до этого на конференции Американского микробиологического общества. В то время Пег отвечала за выращивание в культуре и определение анаэробных бактерий, присылаемых департаментами здравоохранения разных штатов в Центр инфекционных заболеваний США (предшественник нынешних Центров по контролю и профилактике заболеваний). Хотя в то время лишь немногие профессиональные медики верили, что анаэробные бактерии могут вызывать заболевания, некоторым хотелось знать, что за загадочных микробов они замечали в крови и тканях своих пациентов – микробов, которых у них самих не получалось выращивать в культуре. Пег с большим энтузиазмом относилась к этой работе, но ей явно не хватало средств и сотрудников. Ее лаборатория могла в лучшем случае идентифицировать лишь малую долю анаэробных бактерий, присылаемых на определение.

В то же время Эд Мур, профессор Виргинского политехнического института, имел в своем распоряжении достаточно средств на изучение анаэробных микроорганизмов – но только не тех, что живут внутри людей. И Министерство сельского хозяйства США, и скотоводческие предприятия финансировали исследования анаэробов со времени сделанного в тридцатые годы открытия, что именно деятельность анаэробных бактерий лежит в основе производства говядины и молока. Конкретно это относится к анаэробным бактериям, живущим у коров в рубце, своего рода “прихожей” их желудка, и расщепляющим содержащиеся в их пище растительные волокна (которые иначе бы не переваривались), тем самым обеспечивая животное большей частью получаемых им калорий, а также множеством витаминов и других питательных веществ. Такие исследователи, как Эд Мур, надеялись разобраться в динамике этого процесса, чтобы повысить его производительность – то есть добиться, чтобы коровы производили больше молока и мяса, потребляя меньше сена и зерна. В то время Муру уже удалось разработать необычайно эффективную методику выращивания анаэробных бактерий в культуре. Она предполагала содержание их на специально обогащенной питательной среде в запаянных пробирках, откуда предварительно удаляли весь кислород. Интерес Мура к кишечным бактериям человека начался с никем не финансируемого побочного проекта: один из его аспирантов засеял часть анаэробных пробирок Мура не содержимым коровьего рубца, как обычно, а образцами человеческого стула. Под руководством Мура аспиранту удалось вырастить в культуре около 80 % бактерий, которых замечали в образцах стула, и это был рекорд. Но у Мура не было средств на продолжение этих исследований. Поэтому все богатство впервые выращенных в культуре видов осталось неописанным и безымянным.

Мур рассказал обо всем этом Пег Холдеман на микробиологической конференции в 1965 году. Они оба подозревали, что 99 % кишечных бактерий окажутся анаэробами и что это бактериальное сообщество имеет на человеческое здоровье существенное влияние, как благотворное, так и вредное (когда какие‑то его представители попадают не на свое место, например загрязняют раны или хирургические разрезы). “Выглядело это так, будто две потерявшиеся души наконец нашли друг друга, – вспоминает Роберт Смайберт, микробиолог из Виргинского политехнического. – Мы просто сидели и слушали, что они говорят.

И глазом моргнуть не успели, как они уже придумали, что им делать с анаэробами. В итоге Пег ушла из Центра по контролю заболеваний и перешла к нам на ветеринарное отделение”. Так, по словам Смайберта, было положено начало будущей знаменитой лаборатории анаэробов Виргинского политехнического.

Но добывание денег на исследования малоизвестного мира анаэробных бактерий человеческого организма оказалось непростым делом. Первым большим прорывом в этой области стал грант на исследование кишечной флоры астронавтов, выделенный в 1971 году. В течение месяца Рег и Эду удалось выиграть еще один, более крупный, грант Национального онкологического института. Результаты недавних исследований заставляли предположить, что отклонения от нормы в состоянии кишечной флоры могут способствовать развитию рака толстой кишки, и это позволило Холдеман и Муру убедить грантодателей, что наука должна определиться с тем, что же собой представляет эта “норма”. Одновременный запуск двух крупных исследований превратил деятельность новообразованной лаборатории анаэробов Виргинского политехнического в настоящий сумасшедший дом. Когда Эд не летал в Хьюстон за новыми образцами стула астронавтов, они с Пег ездили на машине в Балтимор, где останавливались в дешевом мотеле и ждали звонка от судмедэксперта. Дело в том, что немалая часть их исследования по гранту Онкологического института предполагала подтверждение того, что выделенные легким способом – из образцов стула – кишечные микроорганизмы были те же, что живут в непосредственном контакт с толстой кишкой человека. Но исследователи не могли попросить брать соскобы со стенок кишечника какого‑ни будь хирурга, проводящего соответствующие операции потому что используемые при подготовке к операции антибиотики убивают миллиарды кишечных бактерий (и уничтожают одни их виды в большей степени, чем другие). Пег и Эд решали эту проблему, добывая соскобы, взятые из кишечников недавно умерших, но прежде бывших в целом здоровыми людей, которые погибли на улицах Балтимора (преимущественно жертв убийств и дорожно‑транспортных происшествий). Как выяснилось, всех микробов, растущих в контакте с выстилкой человеческого кишечника, можно найти в образцах стула.

Примерно в то же время работа, проводимая Холдеман и Муром для НАСА, позволила космическому ведомству избавиться от опасений по поводу микробного шока, по крайней мере при подготовке околоземных полетов, занимающих месяцы, а не годы. Один из результатов исследований микрофлоры астронавтов оказался особенно интригующим. В течение первых трех недель имитации работы орбитальной станции “Скайлэб” среди населения кишечников всех астронавтов наблюдался резкий всплеск численности выделяющего водород анаэроба из рода бактероидес – Bacteroides thetaiotaomicron, сокращенно называемого В. theta. Численность этого микроба подскакивала от нормальных 2 триллионов, или 2 % кишечной флоры, до 26 триллионов, или более 25 %. К концу шестой недели уровень В. theta вернулся к норме у астронавтов Роберта Криппена и Кэрола Бобко, но остался запредельно высоким у третьего члена команды – Уильяма Торнтона. “Происходило ли что‑нибудь необычное за эти первые шесть недель?” – спрашивал Мур. Врач, следивший за здоровьем команды, рассмеялся ему в ответ.

В первые три недели астронавты чуть не подняли бунт, так возмущала бесконечная неразбериха с оборудованием и очевидный недостаток внимания к их проблемам со стороны “центра управления полетом”. В самом начале четвертой недели была организована телеконференция по этим допросам, итогами которой Бобко и Криппен остались удовлетворены, а вот Торнтон по‑прежнему гневался, так как считал, что его мнение о размере порций пищи не было учтено. “Не могло ли его эмоциональное возбуждение быть причиной всплеска В. theta?” – подумали Мур и Холдеман. “Мы бы отбросили бы эту идею как неправдоподобную, если бы него, с чем нам пришлось столкнуться впоследствии”, – вспоминает Пег Холдеман. Исследователи отметили похожие резкие всплески численности В. theta в двух других случаях: вначале в ходе исследования рациона питания, когда одна из добровольных сотрудниц ввязалась в производственный конфликт, из‑за которого ее чуть не исключили из проекта, а затем в кишечной флоре девятнадцатилетней жительницы Балтимора, застреленной собственным мужем после долгих побоев и преследования.

Заинтригованные Холдеман и Мур занялись поиском чего‑нибудь подобного у подверженных стрессу студентов (у которых брали образцы стула в день устных экзаменов), но не отметили никаких существенных изменений. “Быть может, для этого нужно было очень‑очень‑очень разозлиться или испугаться, – размышляет Пег. – Но комиссия рецензентов, перед которой мы отчитывались, едва ли разрешила бы нам гоняться за студентами с ножом”. В любом случае всплески численности В. theta, отмеченные у возмущенных астронавтов и ссорившихся служащих, не причиняли никакого явного вреда.

И в НАСА, и в Онкологическом институте эти исследования признали полезными. Но еще важнее для долгосрочных задач Холдеман и Мура было то, что их сдвоенные проекты позволили выделить от 150 до 200 неизвестных ранее разновидностей кишечных бактерий человека. Исследователи определили всех этих бактерий до рода, после чего сосредоточили свои средства и усилия на подготовке полных морфологических и биохимических описаний дюжины самых общинных видов. В числе этих впервые описанных бактерий бы даже один новый род – копрококков (Coprococcus), объединяющий микроорганизмов, которые расщепляют флороглюцины (токсичные вещества растительного происхождения), а также ряд новых видов из рода Rumenococcus, представителей которого еще не находили у людей, хотя их роль в переваривании сена коровами была уже хорошо известна.

К 1985 году, когда Пег и Эд поженились, их исследовательское партнерство подарило науке подробный обзор микроорганизмов человеческой толстой (или ободочной) кишки. По их оптимистичным оценкам, им удалось выявить более 90 % представителей этого сообщества и все его доминантные виды. И хотя индивидуальные роли и характер взаимоотношений этих бактерий оставались загадкой, теперь стало ясно, что работа всей их совокупности во многом похожа на работу микроорганизмов коровьего рубца. Набитая бактериями толстая кишка человека оказалась, по сути, необычайно эффективным центром биоферментации, где обитающие в ней микроорганизмы добывают калории и питательные вещества из не переваримой другими способами растительной пищи, причем значительной частью этих калорий и веществ они щедро делятся со своим хозяином.