Ako ste sa úplne na začiatku dostali k mikrobiómu?
Už počas môjho štúdia nás otec, vtedy vedúci Katedry mikrobiológie a imunológie na Univerzite veterinárskeho lekárstva a farmácie v Košiciach, zásoboval veľmi vizionárskymi vedeckými článkami s pokrokovými myšlienkami z oblasti molekulárnej biológie a mikrobiómu. A keď sme spolu s mojou mamou opravovali jeho vedecké rukopisy, podvedome som nasávala nové informácie a bola súčasťou nových objavov. Nakoniec sme obaja s bratom podľahli čaru vedy. Ja som molekulárna biologička a môj brat sa venuje onkoimunológii v Izraeli. Aj keď som vždy mala rada biológiu, nepredpokladala som, že sa budem v tomto smere realizovať, venovala som sa hlavne neuroimunológii a Alzheimerovej chorobe. Ale nakoniec si mikrobióm našiel cestu ku mne, pretože mi učarovalo sekvenovanie a otvorilo mi dvere do novej dimenzie.
Črevný mikrobióm sa kedysi prirodzene obohacoval o pôdne mikroorganizmy a náš imunitný systém bol viac stimulovaný.
Skúmanie takej rozmanitej sféry života si určite vyžaduje pestrý prístup. Ako je to s vami?
Som molekulárna biologička, doktorát mám z imunológie na Lekárskej fakulte Univerzity Komenského, habilitovala som v mikrobiológii na Prírodovedeckej fakulte UK. A som na túto interdisciplinaritu hrdá, lebo mi umožňuje prepájať rôzne oblasti a hľadať nové uhly pohľadu. V posledných rokoch sa venujem aj bioinformatike, čo je veľmi dôležité. Pri štúdiu črevného mikrobiómu používam najmä sekvenovanie, pri ktorom sa generuje veľké množstvo dát, ktoré dokáže spracovať práve bioinformatika. Je to ďalšia kocka do našej skladačky, ako vytiahnuť z črevného mikrobiómu čo najviac informácií.
Kedy a kde sa vám podarilo sekvenovať a analyzovať prvý bakteriálny genóm?
Mikrobióm sekvenujem od roku 2013 pomocou sekvenátorov Illumina. V roku 2017 som sa však dostala na stáž do Nemecka, do laboratórií EMBL, kde som vyskúšala iný typ sekvenovania, a to pomocou technológie Oxford-Nanopore, ktorý umožňuje „čítať“ oveľa dlhšie úseky DNA. V tom období sa na Slovensku, pokiaľ viem, ešte žiaden nanopórový sekvenátor nenachádzal. Išlo o prvú lastovičku. Následne sa nám ten genóm podarilo poskladať ako lego do pôvodnej formy, čo bolo skvelé. Začala som objavovať, akým spôsobom získať nukleovú kyselinu z DNA alebo RNA baktérií črevného mikrobiómu. Hnacím motorom bol pre mňa zápal pre objavovanie, poznanie.
Je náročné skúmať baktérie, ktoré sídlia v človeku?
Črevný mikrobióm tvoria najmä mikroorganizmy, ktoré sa nedajú kultivovať. Nie sú ako baktérie na populárno-vedeckých podujatiach, kde si deti urobia odtlačok ruky na agar v Petriho miske. Väčšinu črevných mikroorganizmov nevieme identifikovať inak ako sekvenovaním. Až sekvenovanie nám otvorilo brány do tohto sveta. A s tým súvisí aj moja vášeň pre vedu.
Ako?
Čím je problém ťažší, tým viac ma zaujíma. O čo náročnejšie je dostať sa k pravde, o to viac ma to baví. O to lepší je následne pocit spokojnosti, keď sa to podarí. Preto idem stále hlbšie a hlbšie. Pri analýze črevného mikrobiómu nepátram len po zložení, ale aj po jeho funkcii a vlastnostiach.
Čo všetko tvorí črevný mikrobióm?
Z 90 percent baktérie, potom archeóny (ide o veľmi starú a rozsiahlu skupinu organizmov, ktoré tvorí jediná prokaryotická bunka, pozn. red.) a tiež vírusy. Ale aj huby, kam patria plesne a kvasinky. Občas sa môžu vyskytnúť aj parazity, ale tie nie sú bežnou súčasťou črevnej mikrobioty. Každý tam má svoju úlohu. Keď je črevný mikrobióm v rovnováhe, hovoríme tomu homeostáza, narušenie rovnováhy nazývame dysbióza.
Študujete každý mikroorganizmus zvlášť?
Nie, a to je na tom podstatné. Pravda sa často neskrýva v jednotlivých mikroorganizmoch, ale v súhre celku. Štúdium črevného mikrobiómu znamená štúdium komunity.
Čo všetko v nás ovplyvňujú?
Klasické tráviace ťažkosti, ktoré sú výsledkom črevnej dysbiózy, poznáme asi všetci – zápcha, hnačka, plynatosť. Medzi menej známe prejavy patrí povlak na jazyku, nechuť do jedla, ale dokonca aj zlý spánok. To všetko súvisí s črevným mikrobiómom. Spojitosť je však aj so závažnými ochoreniami, od obezity cez kardiovaskulárne choroby, poruchu autistického spektra, diabetes mellitus 2. typu, neurodegeneratívne ochorenia. Črevný mikrobióm produkuje mnohé látky a dnes je už vedcom jasné, že vplýva na celé telo. Nielen na centrálnu nervovú sústavu, ale aj na iné orgány.
V knihe Črevný mikrobióm, ktorú ste napísali s Viktorom Bielikom a vydala ju Univerzita Komenského v Bratislave, píšete, že človek nekŕmi len seba. Koho všetkého teda kŕmime a ako by sme to mali robiť?
Ide o niekoľko stoviek až tisícok rôznych druhov, ktoré majú rôzne nároky na výživu. A áno, tým, čo jeme, ovplyvňujeme funkciu črevného mikrobiómu. Existujú univerzálne odporúčania, ktoré potraviny sú dobré a ktoré menej prospešné. Vieme, že chemicky konzervované potraviny, rôzne umelé aditíva, západný životný štýl, to všetko negatívne vplýva na zloženie črevného mikrobiómu. Sú potraviny, ktoré podporujú trávenie, napríklad fermentované alebo také, ktoré sú obohatené o probiotické baktérie. Potom ide o potraviny, ktoré podporujú rast baktérií produkujúcich prospešné látky v našich črevách. Obsahujú omega-3 mastné kyseliny, polyfenoly, ktoré sa často vyzdvihujú v súvislosti s pamäťou, dlhovekosťou.
Sú probiotiká univerzálne prospešné?
Nie všetky probiotiká účinkujú u každého a nie každému probiotiká pomôžu. Vzhľadom na našuj rôznorodosť nie je možné všeobecne odporúčať univerzálne jedlo či rovnaké probiotické produkty.
Ako sa vyvíjal črevný mikrobióm?
Spolu s ľudstvom. Od pôvodného črevného mikrobiómu lovcov a zberačov sa vyvinul do súčasnej civilizovanej podoby. Rozdiely medzi ľuďmi sa významne zväčšili, pretože dnes je viac možností a nie sme závislí od sezónnosti a dostupnosti potravy.
Lenže stále máme v mnohom rovnakú výbavu ako lovci a zberači. Ak hovoríte, že mikrobióm sa scivilizoval, možno povedať, že v istom zmysle predbehol našu evolúciu?
To je zaujímavá až filozofická otázka. Jedna vec je vývoj a druhá náš životný štýl. A práve ten dokáže ovplyvniť aj črevný mikrobióm, ktorý sa s nami vyvíja. Ďalšia vec súvisí s tým, že žijeme v dobe, keď je zvýšené užívanie antibiotík, ktoré významne vplývajú na zloženie črevného mikrobiómu. A je tu ešte takzvaná hygienická hypotéza.
Môže mať dbanie o čistotu aj negatívny efekt?
Pokrok prináša prílišnú sterilitu prostredia a prílišné odizolovanie sa od prírody, od vonkajších prirodzených stimulov. Čo sa odzrkadľuje aj na črevnom mikrobióme. Mikrobióm je napríklad rozdielny u ľudí, ktorí žijú na vidieku a v mestách.
Keď som sa zhováral s Jurajom a Luciou Baľákovcami, odborníkmi, ktorí sa venujú pôdnej mikrobiote, načrtli zaujímavú vec. Zvyčajne malým deťom zakazujeme, aby strkali prsty do pôdy, a tobôž, aby ich oblizovali. Ale môže to byť nakoniec užitočné?
Určite. Črevný mikrobióm sa kedysi prirodzene obohacoval o pôdne mikroorganizmy a náš imunitný systém bol viac stimulovaný. Pretože imunitný systém sa vyvíja spolu s črevným mikrobiómom. Pôdny mikrobióm je zo všetkých prírodných ekosystémov najbohatší na mikroorganizmy. Črevný mikrobióm hrubého čreva je zase najbohatší ekosystém v rámci ľudského tela. Kontakt s pôdou bol historicky úplne prirodzený. Keďže ľudia si tak často neumývali ruky, vyberali plodiny holými rukami priamo z pôdy, praľudia konzumovali korene, semená zo zeme. Čokoľvek, čo neprechádzalo nejakou úpravou, obohacovalo črevný mikrobióm o mikroorganizmy vonkajšieho prostredia a ich metabolické produkty. Diverzita pôdnej a koreňovej mikrobioty zabezpečovala diverzitu metabolitov prijímaných ako súčasť stravy. Dnes to už tak nie je.
Čítajte viac Uspejeme tam, kde staré civilizácie zlyhali? Vrátime pôde život?Od koho získame črevný mikrobióm na začiatku?
Od matky. Vedecké štúdie hovoria, že ho získame už počas vnútromaternicového vývinu. V mekóniu, prvej stolici novorodenca, boli objavené baktérie, ktoré nemalo dieťa ako získať odinakiaľ. Baktérie sa našli aj v plodovej vode. Črevný mikrobióm ovplyvňuje aj spôsob pôrodu. Ak sa deti narodia prirodzeným, vaginálnym spôsobom, prídu do kontaktu s urogenitálnym, ale aj s fekálnym mikrobiómom. Ak sa narodia cisárskym rezom, dostanú sa do kontaktu najskôr s kožným mikrobiómom. Po tento krok môžeme hovoriť o dedičnosti črevného mikrobiómu po matke. Potom sa to už začína diverzifikovať. Aj v závislosti od toho, či matka dojčí, alebo dieťa kŕmi náhradami materského mlieka.
Aký rozdiel môžu spôsobiť?
Tieto mlieka majú snahu čo najviac simulovať materské mlieko, obsahujú oligosacharidy, ktoré napodobňujú funkciu oligosacharidov v materskom mlieku. Aj napriek tomu stimulujú trochu iné baktérie v čreve novorodenca. Takýto mikrobióm sa viac podobá mikrobiómu detí, ktoré už prechádzajú na tuhú stravu. V tomto smere akoby dozrievali skôr. Prechodom na tuhú stravu sa črevný mikrobióm dieťaťa začína podobať dospelému človeku. Vyvíja sa podľa toho, čo si vyberáme v strave. Ale faktorov, ktoré pôsobia na črevný mikrobióm, je oveľa viac.
Aké to sú?
Prekonanie rôznych ochorení, užívanie antibiotík, pohyb, stav životného prostredia. Dokonca geografická lokalita, odkiaľ ľudia pochádzajú. Prirodzeným zdrojom mikroorganizmov je aj spolužitie s inými živočíchmi, so zvieratami v domácnosti. Takisto to stimuluje imunitný systém. Ľudský mikrobióm určite ovplyvňuje aj to, ak nás roky oblizuje pes alebo ak chodíme jazdiť na koni.
Čítajte viac Vedci: Zdravie novorodencov ovplyvňujú mikróby matkyAké sú možno menej známe vplyvy črevného mikrobiómu na ľudské telo?
Ovplyvňuje vývoj tela. Pomáha nám pri vývine cievneho systému, dokonca ovplyvňuje hustotu kostí. Vplýva na metabolizmus liekov, ktoré užívame. A produkuje neurotransmitery a tiež neuroaktívne látky.
Ako „komunikuje“ črevný mikrobióm s našou nervovou sústavou?
Tieto molekuly sa môžu dostať do krvného riečiska a krvnou cestou do mozgu. Navyše priamo v čreve sa nachádzajú bunky nervového systému. Ide o takzvaný enterický nervový systém, ktorého bunky komunikujú prostredníctvom neurotransmiterov. Ale je tu ešte jedna priama cesta, ktorá prepája mozog a črevo – nervus vagus.
Aký je vzťah medzi črevným mikrobiómom a duševnou pohodou, duševným zdravím?
Črevný mikrobióm produkuje neurotransmitery ako dopamín, serotonín, noradrenalín a acetylcholín. To všetko sú látky, ktoré zabezpečujú prenos nervového signálu. Dopamín a serotonín sa spájajú s pocitmi šťastia, pohody a spokojnosti. Ak ich je málo alebo nie sú v takej rovnováhe, akú telo potrebuje, tak sa naša duševná pohoda stráca. Príznakmi sú pocity úzkosti, depresie, pocity nervozity, nadmerné potenie. A práve až 90 percent serotonínu je produkovaného črevným mikrobiómom. Len čo dôjde k narušeniu zloženia črevného mikrobiómu, ovplyvní to aj produkciu serotonínu. Serotonín súvisí aj s poruchami spánku a cirkadiánnym rytmom.
Ktoré baktérie ho produkujú?
To je veľmi zaujímavé. Napríklad Streptococcus, Enterococcus, Lactobacillus plantarum, ale aj Klebsiella či Escherichia. Na jednej strane ide o potenciálne patogény, na druhej strane majú takéto benefity pre človeka. Na serotonín a dopamín, produkované črevným mikrobiómom, sa zameriava pozornosť vedy v súvislosti s duševným zdravím. Hľadajú sa také mikroorganizmy, ktoré by dokázali produkovať tieto neurotransmitery v dostatočnom množstve, podávali by sa ľuďom v živej forme a pomáhali by prekonať pocity duševnej nepohody alebo depresie. Nazývajú sa psychobiotiká a v súčasnosti ide o oblasť, ktorá sa veľmi rýchlo rozvíja.
A v akom štádiu poznania zatiaľ sme?
Je potrebný ďalší výskum. Niektoré výsledky vyzerajú veľmi sľubne, ale iné nie. Nie je to jednoduché. Medzi psychobiotiká patria aj bakteriálne rody, ktoré som vám spomínala, a problém je v tom, že nie všetky druhy majú pozitívne účinky. Je to ako hľadať ihlu v kope sena. Väčšina enterokokov je patogénnych, ale nájdu sa medzi nimi také, ktoré majú pozitívne účinky. Psychobiotiká pritom nemajú potenciál len pri liečení duševných starostí. Veľa ľudí dnes žije v strese, majú náročný denný režim, sú unavení, majú nedostatok spánku, žijú pod veľkým tlakom a užívajú zvýšené množstvo kofeínových nápojov. To vedie k zvyšovaniu zápalu v krvi, čo sú nežiaduce účinky. Psychobiotiká by mali pomôcť tieto účinky zmierniť. Ale tu musím opäť zdôrazniť našu rôznorodosť. Každý z nás je iný a nemôže existovať univerzálny recept. Polovica vedeckých štúdií ukazuje na úspech v tejto oblasti, druhá polovica nie.
A čo črevný mikrobióm a autizmus?
Tomuto sa začala venovať veľká pozornosť práve v dôsledku objavenia osi mozog – črevo. Je známe, že u detí s poruchou autistického spektra je veľký výskyt gastrointestinálnych problémov, čo poukazuje na problémy v zložení črevného mikrobiómu. Je viac faktorov, ktoré vplývajú na poruchu autistického spektra. Genetika, pohlavie, pretože u chlapcov sa vyskytuje častejšie, a tretím faktorom je práve črevný mikrobióm. Venujeme sa tomu už niekoľko rokov a môžeme povedať, že črevný mikrobióm u autistických detí je významne iný ako u zdravých detí, vyskytujú sa u nich mikroorganizmy, ktoré u zdravých detí vôbec nenachádzame. Je narušená aj diverzita a rovnováha početnosti baktérií. Zistili sa určité súvislosti medzi poruchami správania a zápalovými markermi v čreve. U autistických detí sme zistili významné množstvo laktobacilov, čo tiež nie je v poriadku. Takisto sa hľadajú psychobiotiká, ktoré by mohli ovplyvniť nervovú sústavu pozitívnym smerom. Tieto deti sú inak veľmi prieberčivé, čo sa týka stravy.
Nakoľko sme autonómni v rozhodovaní a nakoľko za nás rozhodujú baktérie?
Nie je možné stanoviť hranicu. Odtiaľ rozhodujem ja, potiaľ máte priestor vy – baktérie. Vzájomne sa to prelína. Komunikácia medzi hostiteľom a mikrobiómom prebieha na dennej báze, pričom mikrobióm sa prispôsobuje hostiteľovi. A črevný mikrobióm každého z nás je veľmi špecifický, jedinečný ako odtlačok prsta.
Vplýva črevný mikrobióm na to, aký veľký hostiteľ narastie?
Robili sme výskum na myšiach, pri ktorých bolo všetko na začiatku rovnaké. Genetické pozadie, strava, podmienky. Črevný mikrobióm ovplyvnil, či boli myši menšie, alebo väčšie. Mali pritom rovnakú stravu, boli z rovnakej línie. Črevný mikrobióm sa ukázal ako dôležitý faktor, ktorý ovplyvňuje veľkosť nášho tela. Našla som podobné štúdie aj pri iných živočíchoch.
Ako s tým súvisí dlhovekosť?
Menšie myši dozrievali neskôr. Ovplyvňovalo to produkciu hormónov. Žili dlhšie. Podľa našich predbežných výsledkov to vyzerá významne na vplyv črevného mikrobiómu.
Tak kto nakoniec rozhoduje?
Vzájomne sa dopĺňame. Mikrobióm plní aj esenciálne úlohy, ktoré telo nedokáže. Produkuje napríklad vitamín B12 a umožňuje získať energiu z nestráviteľných zvyškov stravy. A zase ľudské telo poskytuje mikroorganizmom stabilné podmienky pre život. Vo vonkajšom prostredí by to pre ne nebolo až také ružové, pretože väčšina z nich je anaeróbna, to znamená, že nie sú schopné žiť v prítomnosti kyslíka. Podmienky nášho tela sú pre ne vyhovujúce, stali sa našou súčasťou.
Hovoríte o komunitách. Koľko ich tam vlastne je? Celé mesto, vesmír?
Ide o rovnaký počet, ako je počet buniek nášho tela. Približne jedna k jednej. Ale počet genetickej informácie je stonásobne vyšší. Preto je tento potenciál vplyvu na ľudské telo obrovský.
Ako sa vám spolupracuje s umelou inteligenciou?
Musím sa priznať, že mi analýza dát učarila. Bioinformatika je spôsob, ako dostať informácie z veľkého množstva dát. Pri sekvenovaní čítame poradie písmeniek, nukleotidov. Lenže čítame písmenká všetkých mikroorganizmov naraz. Potom je potrebné ich roztriediť, dať dátam zmysel a určiť, čo sa v našej vzorke nachádza. Navyše umelá inteligencia nám pomocou strojového učenia pomáha hľadať biomarkery, kľúčové baktérie, ktorými sa odlišujú skupiny. Prítomnosť týchto baktérií umožňuje predpovedať vznik zdravotných komplikácií a môže pomáhať pri personalizovanom prístupe a kategorizácii pacientov v biomedicíne.
Čítajte viac Na prácu potrebujú väčší chlad ako vo vesmíre, na prelomenie šifry okamih. Kvantové počítače prídu o pár rokovSpolupracovali ste s ďalšími slovenskými a českými vedcami na novom patente, ktorý by sa mohol čoskoro zaviesť do praxe. Týka sa neplodnosti. Ako zvyšuje šance na počatie?
Nemôžem ísť do detailov, keďže náš objav je chránený patentom. Ide o neinvazívny spôsob analýzy embrya. Pozeráme sa na RNA molekuly, ktoré sa v tejto súvislosti ešte neanalyzovali a ktoré by vedeli pomôcť odlíšiť superkvalitné embryo od ostatných.
Dnes spolupracujete so špičkovými zahraničnými pracoviskami. Niekoho by už dávno stiahli k sebe za hranice, vy ste zostali na Slovensku. Prečo?
Od skončenia vysokej školy som absolvovala niekoľko zahraničných pobytov vrátane Austrálie, Nemecka a naposledy minulý rok mesačnú stáž na Lekárskej fakulte Hebrejskej univerzity v Jeruzaleme v Izraeli, kde vždy načerpám množstvo inšpirácií a zahĺbim sa do špičkovej vedy. Vždy som sa však vrátila, pretože som altruisticky dúfala, že sa mi podarí posunúť našu spoločnosť. Verím, že to stále má zmysel. Vediem veľa mladých ľudí, venujem sa stredoškolákom, aby mali možnosť dostať sa do laboratórií, aj keď momentálne pipetujeme u mňa doma, pretože celá naša škola prechádza rekonštrukciou. Pre mňa neexistuje možnosť, že sa niečo nedá. Mojím mottom je – vždy sa dá, len treba chcieť. A tak stále hľadáme nové riešenia a spôsoby, ako nestagnovať.
Katarína Šoltys
- molekulárna biologička
- Patrila medzi prvých vedcov na Slovensku, ktorí zavádzali masívne-paralelné sekvenovanie.
- Venuje sa výskumu črevného mikrobiómu v onkológii, pri poruche autistického spektra či kardiovaskulárnych ochoreniach.
- Do roku 2019 viedla Sekvenačné centrum pre Sagnerove sekvenovanie Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského a neskôr Vedeckého parku UK.
- Je spoluautorkou národného patentu SK202050010: Metóda neinvazívneho testovania úspešnosti oplodnenia in vitro pomocou mikroRNA, za čo získala Cenu za transfer technológií na Slovensku za rok 2021 v kategórii inovácia. Je to prvé duševné vlastníctvo v histórii slovenských univerzít, ktoré sa podarilo previesť súkromnému investorovi s víziou jeho aplikácie do biomedicínskej praxe. Je spoluautorkou aj medzinárodnej patentovej prihlášky PCT/SK2021/050004 s rovnomennou témou.