Микробиом кишечника, живое сообщество микробов, обитающее в пищеварительном тракте, похоже, работает по 24-часовому часовому циклу. Это может быть действительно важно для нашего здоровья, но ученые только начинают понимать почему. Начальные исследования намекают на то, что эти бактерии играют роль в многочисленных функциях организма, от регуляции сна до расщепления лекарств.
Данные показывают, что у взрослых количество определённых микробов в кишечнике колеблется ежедневно. Другими словами, эти изменения следуют за циркадным ритмом, аналогичным биологическим процессам, определяющим, когда мы спим и просыпаемся.

Недавнее исследование также показало, что бактерии, обитающие в кишечниках детей уже с двухнедельного возраста, также обладают циркадным ритмом. Опубликованный в апреле в журнале Cell Host and Microbe отчёт показал, что этот циклический характер усиливается с возрастом.
Исследователи обнаружили, что микробы поддерживают эти ритмы дня и ночи, даже когда их извлекают из организма и выращивают в лаборатории, предполагая, что их ритм регулируется внутренне и, следовательно, не диктуется исключительно факторами в самом кишечнике.
Пока неизвестно, почему микробы кишечника ведут себя таким образом, но авторы исследования теоретизируют, что их циклическое поведение может каким-то образом помогать им колонизировать человеческий кишечник.
«Всё в биологии имеет причину», которая часто связана с тем, поможет ли данная черта организму выжить, рассказал в интервью Live Science Дирк Халлер (Dirk Haller), соавтор и старший научный сотрудник, профессор питания и иммунологии в Техническом университете Мюнхена. Что касается кишечного микробиома, микробное сообщество развивалось вместе с человеческим телом, став основной особенностью нашей физиологии.
Микробиом приносит человеку многочисленные выгоды. Например, он помогает защищать нас от инфекций путём регуляции иммунной системы и метаболизирует части пищи, которые мы не можем усвоить без его участия. В свою очередь, кишечник обеспечивает микробов безопасным и теплым местом для обитания. По словам Халлера, в кишечнике «существует чрезвычайно сильная конкуренция» за пространство между микробами, и эта конкуренция стимулирует их эволюцию.
Следуя этой логике, микробы в кишечнике, скорее всего, имеют циркадный ритм из-за эволюционных выгод, связанных как с микробами, так и с их человеческими хозяевами. Недавнее исследование Халлера и его коллег проливает свет на то, когда эти бактериальные ритмы могут начинаться в организме человека, — но каким образом этот циркадный ритм может влиять на наше здоровье?
«Это самый открытый вопрос», — сказал Live Science профессор биологии из Университета Кентукки Винсент Кассон (Vincent Cassone), который не участвовал в новом исследовании.

Сон, болезни и лекарства
Некоторые прошлые исследования изучали циркадные часы кишечных бактерий человека, таких как Klebsiella aerogenes и Bacillus subtilis. Однако до сих пор большая часть работ в этой области была сосредоточена на микробиомах кишечника грызунов. Известно, что около 20% микробов в кишечнике мыши имеют циркадный ритм, демонстрируя постоянные колебания их численности в различные моменты дня. К этим микробам относятся бактерии отрядов Clostridiales, Lactobacillales и Bacteroidales, которые также встречаются в кишечнике человека.
Эти бактерии называют «осцилляторами», как объяснил доктор Юджин Чанг (Eugene Chang), профессор медицины из Университета Чикаго, не участвовавший в новом исследовании. Он рассказал Live Science, что большинство из них производят метаболиты — молекулы, которые проникают в кровь и передаются в другие органы, включая мозг.
Попав в кровь, метаболиты могут влиять на циркадные сети хозяина и изменять их функцию — например, они могут влиять на шаблон и силу активации так называемых генов циркадных часов, объяснил Чанг. Учёные пытались нарушить этот циркадный взаимодействие в лабораторных мышах и выяснили, что это влияет на физиологические процессы, включая метаболизм и воспаление.
Некоторые данные у мышей указывают на то, что метаболиты, производимые бактериями в наших собственных кишечниках, могут влиять на наши циклы сна и бодрствования. Одна из них, называемая масляной кислотой, вырабатывается, когда бактерии переваривают пищевые волокна, и, как было показано, она способствует сну у мышей. Однако для того чтобы понять, действительно ли эти результаты применимы к людям, требуется больше доказательств.
В исследовании 2020 года, в котором было задействовано более 4 тыс. человек, Халлер и его коллеги обнаружили, что у людей с диабетом 2 типа и ожирением нет таких же ежедневных изменений в составе микробиома кишечника, как у людей без этих заболеваний. Это указывает на потенциальную связь между циркадными ритмами и микробиомом в метаболических заболеваниях, однако причина этого пока неизвестна, сообщил Халлер.
Внутренние часы, управляющие микробами кишечника, также как и часы клеток организма хозяина, взаимодействуют сложным образом и также подвержены влиянию внешних факторов, таких как время приёма пищи, сообщил доктор Гаррет А. Фитцджеральд (Garret A. FitzGerald), профессор трансляционной медицины и терапевт из Пенсильванского университета, который не принимал участия в исследовании. Теоретически, эта «сложная взаимосвязь» может нарушаться при заболеваниях, затрагивающих кишечник.
Например, если клетки, облицовывающие кишечник, по какой-то причине повреждены, это может повлиять на количество продуктов в результате метаболического расщепления лекарств, попадающих в кровь и влияющих на другие органы, такие как лёгкие, печень или мозг, по словам Фитцджеральда. Наши кишечные бактерии играют роль в том, как лекарства расщепляются, и таким образом, участвуют в этой цепной реакции.
Существует новая научная дисциплина, называемая хронофармакология, в рамках которой учёные исследуют, может ли время приёма лекарства влиять на его безопасность и эффективность. Помимо влияния на циклы сна и бодрствования человека, циркадные ритмы бактерий могут частично определять, как организм реагирует на определённое лекарство.
Кроме того, циркадные ритмы бактерий могут влиять на устойчивость микробов к антибиотикам. Например, исследования показали, что концентрация антибиотиков, необходимая для уничтожения определенных бактерий, таких как Staphylococcus aureus, изменяется в определённое время суток.
«Все говорят нам, что мы должны принимать наши лекарства в определённое время дня, — сказал Кассоне. — Может быть, микробиом кишечника и человеческий организм уже знают об этом — что определённое время суток наилучшее для получения витамина B12, или масляной кислоты для сна и подобного», — добавил он.
«Правда ли это или нет, вероятно, одна из великих загадок, которая, как я думаю, скоро будет разгадана», — заключил Кассоне.