Чтобы приготовить кефир, нужна команда. Команда микробов.
Это сообщение нового исследования EMBL и группы Патил из Кембриджского университета и их сотрудников, опубликованное сегодня в журнале Nature Microbiology. Члены группы изучают кефир, один из старейших в мире ферментированных пищевых продуктов, который все чаще считается «суперпродуктом» со многими предполагаемыми преимуществами для здоровья, включая улучшение пищеварения и снижение артериального давления и уровня глюкозы в крови. Изучив 15 образцов кефира, исследователи к своему удивлению обнаружили, что доминирующие виды бактерий Lactobacillus, обнаруженные в кефирных грибках, не могут самостоятельно выживать в молоке - другом ключевом ингредиенте кефира. Однако, когда виды работают вместе, питаясь метаболитами друг друга в кефирной культуре, каждый из них обеспечивает что-то, что нужно другому.
«Сотрудничество позволяет им делать то, что они не могут сделать в одиночку», - говорит Киран Патил, руководитель группы и соответствующий автор статьи. «Особенно поразительно, как L. kefiranofaciens, который доминирует в кефирном сообществе, использует кефирные грибки, чтобы связать воедино все другие микробы, необходимые ему для выживания - так же, как правящее кольцо «Властелина колец». Одно зерно, чтобы связать их всех."
Модель микробных взаимодействий
Потребление кефира изначально стало популярным в Восточной Европе, Израиле, а также в регионах России и вокруг нее. Он состоит из «зерен», которые выглядят как маленькие кусочки цветной капусты и ферментируются в молоке для получения пробиотического напитка, состоящего из бактерий и дрожжей.
«Люди хранили молоко в овечьих шкурах и заметили, что эти зерна предохраняют молоко от порчи, поэтому они могут хранить его дольше», - говорит Соня Блаше, постдоктор в группе Патил и соавтор статьи.«Поскольку молоко довольно легко портится, поиск способа его более длительного хранения имел огромное значение».
Для приготовления кефира нужны кефирные грибки. Их нельзя сделать искусственно, они должны быть получены из другой партии кефира. Зерна добавляют в молоко для ферментации и роста. Примерно через 24-48 часов (или, в случае этого исследования, через 90 часов) кефирные грибки усвоили доступные им питательные вещества. За это время зерна увеличиваются в размерах и количестве, и процесс приготовления кефира завершен. Зерна удаляются и добавляются в свежее молоко, чтобы начать процесс заново.
Для ученых, однако, кефир представляет собой нечто большее, чем просто полезный напиток: это простая в культивировании модель микробного сообщества для изучения метаболических взаимодействий. И хотя кефир во многих отношениях очень похож на йогурт - оба они представляют собой ферментированные или кисломолочные продукты, полные «пробиотиков», - микробное сообщество кефира намного больше, чем у йогурта, включая не только бактериальные культуры, но и дрожжи.
Учимся на кефире
Хотя ученые знают, что микроорганизмы часто живут в сообществах и зависят от своих собратьев по сообществу для выживания, механистические знания об этом явлении весьма ограничены. Лабораторные модели исторически были ограничены двумя или тремя видами микробов, поэтому Кефир предложил, как описывает Киран, «зону Златовласки» сложности, которая не слишком мала (около 40 видов), но и не слишком громоздка для детального изучения.
Соня начала это исследование, собрав образцы кефира в нескольких местах. Хотя большинство образцов было получено в Германии, они, вероятно, возникли в других местах, поскольку кефирные грибки передавались из поколения в поколение на протяжении веков.
Наш первый шаг состоял в том, чтобы посмотреть, как растут образцы. Микробные сообщества кефира состоят из многих видов с индивидуальными моделями роста, которые адаптируются к их текущей среде. Это означает быстро и медленно растущие виды, а также некоторые, которые изменяют свою скорость в зависимости от наличия питательных веществ», - говорит Соня.«Это не уникально для кефирного сообщества. Однако у кефирного сообщества было много времени для совместной эволюции, чтобы довести его до совершенства, поскольку они уже давно держатся вместе».
Сотрудничество является ключевым
Выяснить масштабы и характер сотрудничества между кефирными микробами было далеко не просто. Для этого исследователи объединили различные современные методы, такие как метаболомика (изучение химических процессов метаболитов), транскриптомика (изучение транскриптов РНК, производимых геномом) и математическое моделирование. Это выявило не только ключевые агенты молекулярного взаимодействия, такие как аминокислоты, но и контрастную динамику видов между зернами и молочной частью кефира.
«Кефирные зерна служат базовым лагерем для кефирного сообщества, из которого члены сообщества колонизируют молоко сложным, но организованным и совместным образом», - говорит Киран. «Мы видим это явление в кефире, и потом мы видим, что оно не ограничивается кефиром. Если вы посмотрите на весь мир микробиомов, сотрудничество также является ключом к их структуре и функциям».
На самом деле, в другой статье группы Кирана в сотрудничестве с группой Борка из EMBL, опубликованной сегодня в журнале Nature Ecology and Evolution, ученые объединили данные из тысяч микробных сообществ по всему миру - от почвы до кишечника человека - чтобы понять подобные отношения сотрудничества. В этой второй статье исследователи использовали расширенное метаболическое моделирование, чтобы показать, что сосуществующие группы бактерий, которые часто встречаются вместе в разных средах обитания, либо высококонкурентны, либо тесно сотрудничают. Такой резкой поляризации ранее не наблюдалось, и она проливает свет на эволюционные процессы, формирующие микробные экосистемы. В то время как преобладают как конкурентные, так и кооперативные сообщества, кооператоры, кажется, более успешны с точки зрения более высокой численности и занятия разнообразных местообитаний. Вместе сильнее.