Центральным аспектом наук о жизни является изучение симбиотического сосуществования животных, растений и людей с их специфическими бактериальными сообществами. Ученые называют полный набор микроорганизмов, живущих на и внутри организма-хозяина, микробиомом. За последние годы накопились данные о том, что состав и баланс этого микробиома способствуют здоровью организма. Например, изменения в составе бактериального сообщества связаны с возникновением различных так называемых экологических болезней. Однако до сих пор в значительной степени неизвестно, как взаимодействие между организмом и бактериями работает на молекулярном уровне и как именно микробиом и тело действуют как функциональная единица.
Важный прорыв в расшифровке этих очень сложных взаимосвязей был достигнут исследовательской группой из Зоологического института Кильского университета. Используя пресноводного полипа Hydra в качестве модельного организма, исследователи из Киля и их международные коллеги исследовали, как простая нервная система этих животных взаимодействует с микробиомом. Им удалось впервые продемонстрировать, что небольшие молекулы, выделяемые нервными клетками, помогают регулировать состав и колонизацию определенных типов полезных бактерий вдоль тела гидры. «До сих пор нейронные факторы, влияющие на бактериальную колонизацию организма, были в значительной степени неизвестны. Нам удалось доказать, что нервная система играет здесь важную регулирующую роль», - подчеркивает профессор Томас Бош, биолог-эволюционист и представитель Центра совместных исследований 1182 «Происхождение и функция метаорганизмов», финансируемого Немецким научным фондом (DFG). Сегодня ученые опубликовали свои новые выводы в Nature Communications.
Исследовательская группа под руководством Bosch использует пресноводный полип Hydra в качестве модельного организма для выяснения фундаментальных принципов строения и функционирования нервной системы. Гидра представляет собой эволюционно древнюю ветвь животного царства; у них простой план тела с нервной сетью всего около 3000 нейронов. Применение современных экспериментальных технологий к этим организмам, которые, несмотря на свою простоту, все еще имеют большое молекулярное сходство с нервной системой позвоночных, позволило выявить древние и, следовательно, фундаментальные принципы строения и функционирования нервной системы.
Используя этот модельный организм, исследователи из Кильского университета рассмотрели вопрос о том, как вещества-мессенджеры, вырабатываемые нервной системой, известные как нейропептиды, контролируют взаимодействие и общение между хозяином и микробами. Они собрали клеточные, молекулярные и генетические данные, чтобы показать, что нейропептиды обладают антибактериальной активностью, которая влияет как на состав, так и на пространственное распределение колонизирующих микробов.
Чтобы выявить связи между нейропептидами и бактериальными сообществами, исследователи из Киля сначала сосредоточились на развитии нервной системы пресноводного полипа, от стадии яйца до взрослого животного. Книдарии развивают полную нервную систему примерно за три недели. В течение этого периода развития бактериальные сообщества, покрывающие поверхность животного, радикально меняются, пока, наконец, не сформируется стабильный состав микробиома. Под влиянием антимикробного действия нейропептидов концентрация так называемых грамположительных бактерий, подгруппы бактерий, резко снижается в течение примерно четырех недель. В конце процесса созревания преобладает типичный состав микробиома, особенно преобладают грамотрицательные бактерии Curvibacter. Поскольку нейропептиды вырабатываются только в определенных областях тела, они также контролируют пространственную локализацию бактерий вдоль тела. Так, например, в области головы наблюдается сильная концентрация антимикробных пептидов, в результате чего бактерий Curvibacter в шесть раз меньше, чем на щупальцах.
Основываясь на этих наблюдениях, ученые пришли к выводу, что на протяжении эволюции нервная система также участвовала в контролирующей роли микробиома в дополнение к его сенсорным и моторным задачам. «Выводы также важны в эволюционном контексте. Поскольку предки этих животных изобрели нервную систему, кажется, что взаимодействие между нервной системой и микробиомом является древней особенностью многоклеточных животных. большая фундаментальная и трансляционная значимость и обещает выявить новые и неожиданные основные черты нервной системы, поэтому дальнейшие исследования взаимодействия между телом и бактериями будут больше сосредоточены на нейронных аспектах», - сказал Босх, резюмируя значение работы.