Ученые ТГУ узнали, как бактерии выводят из организма медь и железо

Возможные причины возникновения дефицита железа и меди в организме человека установили в ходе исследований микробиомы сельскохозяйственных животных ученые Томского государственного университета (ТГУ), сообщает 15 февраля пресс-служба вуза.

Микробиологи ТГУ обнаружили у некоторых животных в ЖКТ наночастицы халькопирита (CuFeS₂). Проведенными исследованиями было установлено, что за их появление ответственны сульфатредуцирующие бактерии. Они связывают в желудке животного железо и медь, образуя этот нерастворимый минерал, который затем выводится из организма с фекалиями.

У человека, в микробиоме которого всегда содержатся такие бактерии, аналогичный процесс может нарушить работу ферментов в организме.

Результаты исследований ученые представили в статье «Активное сульфатредуцирующее бактериальное сообщество в кишечнике верблюда», опубликованной в журнале Microorganisms (Q2).

Физиология людей близка к физиологии животных, поэтому, исследуя ее, можно получить важную информацию и о человеке, как это сделали микробиологи ТГУ.

Ученые Биологического института (БИ) ТГУ, используя современные технологии секвенирования метагенома, занимаются исследованием микробиоты сельскохозяйственных животных, в том числе коров, свиней, кур, овец и верблюдов. Для этого они изучают образцы их фекалий, достаточно полно отражающие биологическое разнообразие микроорганизмов, населяющих ЖКТ.

Работая в рамках проекта, направленного на поиск новых микроорганизмов-продуцентов (полезных для использования в сельском хозяйстве и промышленности) микробиологи ТГУ исследовали свыше 3500 образцов, собранных волонтерами по всей России.

В том числе ими были изучены образцы фекалий верблюдов из двух популяций, одна из которых располагается в конце Чуйского тракта, а вторая — в Забайкалье. Одомашненные животные находятся там на свободном выпасе на пастбищах.

Руководитель проекта, завкафедрой физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики БИ ТГУ Ольга Карначук рассказала:

«Когда мы изучаем бактерии в природных системах, мы смотрим и их минералогический состав. В данном случае мы тоже решили провести такой анализ. В результате в фекалиях животных был обнаружен минерал, который мы меньше всего ожидали увидеть — халькопирит. Это соединение меди, железа и серы (CuFeS₂), который ранее называли медный колчедан — одна из основных медных руд».

Ученые нашли халькопирит более чем в 60% исследованных проб фекалий верблюдов и в меньшем количестве проб в фекалиях коров, в перегное, компосте, собранных в хозяйствах Томской области.

Ранее томские ученые в ходе исследования микробиоты детей с расстройствами аутистического спектра (РАС) установили наличие бактерий-сульфатредукторов и сульфидов железа в пробах фекалий таких детей. Исследованием проверялась существовавшая гипотеза, что у детей с РАС существует дефицит железа из-за большого количества в их ЖКТ сульфатредуцирующих бактерий.

«В ходе данных исследований мы увидели, что это не пирит, а халькопирит. Причем связывание меди происходит очень быстро — уже на пятые сутки. Это означает, что в ЖКТ бактерии, которые мы находим у животных, скорее всего, те же самые, что в кишечнике у детей с аутизмом, они принадлежат к роду Desulfovibrio», — отметила Ольга Карначук.

Вероятно, эти бактерии связывают не одно железо, а железо и медь, которые в виде минерала выводятся из организма с фекалиями, создавая дефицит этих важнейших для нормального функционирования организма элементов.

«От того, какие микроорганизмы обитают в ЖКТ, может зависеть наше эмоциональное и физическое состояние. Доказано, что микробиота влияет на целый ряд патологий, включая неврологические заболевания, психические расстройства, иммунный статус организма. В том числе доказано, что существует взаимосвязь между нарушением баланса микробиоты кишечника и нейродегенеративными заболеваниями, такими как аутизм, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, деменция и другими», — пояснила Ольга Карначук.

Отсюда вытекает, что находка томских микробиологов может помочь в лечении подобных состояний. Однако для понимания работы этого механизма необходимы дополнительные исследования, указывают специалисты.

Микробиологи ТГУ также установили еще один интересный факт: верблюды, возможно, служат некими концентратами меди, железа и других металлов. Этот вывод был сделан по результатам анализа состава верблюжьего молока, которое содержит значительно больше меди, железа и цинка по сравнению с коровьим молоком.

Ученые предупреждают, что дефицит меди и железа у человека можно восстанавливать правильным питанием, например, ограничивая себя в потреблении сульфатосодержащих продуктов — пище бактерий-сульфатредукторов, которые способствуют выводу этих элементов из организма.

Микробиологи также отмечают, что сульфаты и сульфиты широко используются в консервантах, поэтому не следует увлекаться потреблением продуктов длительного хранения.

В своей дальнейшей работе по проекту ученые ТГУ совместно со специалистами-материаловедами из Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН намерены подробно исследовать процесс образования халькопирита в живых организмах. С этой целью они выделят бактерии из проб биоматериала, взятого у детей с РАС и у животных.

В проекте «Широкомасштабный поиск и изучение микроорганизмов и микробных сообществ, ассоциированных с сельскохозяйственными животными и продуктами животного происхождения», который проводится в рамках программы развития генетических технологий в России, соисполнителями ТГУ также являются ФИЦ «Биотехнологии РАН», МГУ им. М. В. Ломоносова, НИЦ «Курчатовский институт», Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, фонд «Поддержка проектов в области образования».