Publisher

National Public Health Institute
Original page

bacteria, development, fatness, intestines, microbes, organism, research

Julkaistu 24.9.2007

Ihmisen normaalia mikrobistoa voidaan pitää yhtenä elimenä. Se muokkaa ruoan sisältämiä ravintoaineita, tuottaa terveyttä edistäviä yhdisteitä ja sen avulla voimme hyödyntää tehokkaammin ravintoaineiden sisältämää energiaa. Mikrobisto myös suojaa meitä ravinnon mukana tulevilta patogeenisiltä mikrobeilta ja muokkaa ja kypsyttää immuunijärjestelmäämme.

Viimeaikaiset molekyylibiologisiin menetelmiin perustuvat tutkimukset ovat antaneet uutta tietoa mikrobiston koostumuksesta ja kehityksestä, mutta myös sen merkityksestä ihmisen terveydelle.

Normaaliksi mikrobistoksi kutsutaan terveelle organismille (isännälle) luonnollisessa ympäristössä kehittyvää mikrobistoa. Isännän ominaisuuksien lisäksi ympäristötekijät vaikuttavat mikrobiston koostumukseen ja toimintaan. Ihmisellä normaalia bakteeristoa on eniten iholla, suussa, nielussa, ruuansulatuskanavassa ja sukupuolielinten alueella.

Suurin osa mikrobeista kasvaa hyvin luonnollisessa ympäristössään kuten ihmisen suolistossa, mutta läheskään kaikkia niitä ei osata viljellä keinotekoisilla ravintoalustoilla. Tällaisia mikrobipopulaatiota tutkittaessa mikrobeja ei kasvateta laboratorioissa vaan niiden määriä ja monimuotoisuutta selvitetään molekyylibiologisten menetelmien avulla. Mikrobiston tutkimuksissa on käytetty erityisesti 16S rRNA:ta koodaavia geenejä, joihin myös koko nykyinen bakteerien luokittelu suurelta osin perustuu. Tutkimalla näiden geenien esiintymistä ja määriä bakteeripopulaatioissa saadaan tietoa vastaavien bakteerien esiintymisestä ja määristä kyseisessä bakteeripopulaatiossa.

Ihmisen normaalin mikrobiston koostumus

Ensimmäiset molekulaariset analyysit ihmisen mikrobiston koostumuksesta tehtiin jo yli kymmenen vuotta sitten (1). Sekvensointitekniikoiden kehittyminen on kuitenkin vasta nyt mahdollistanut entistä perusteellisimpien analyysien tekemisen. Viimeaikainen tutkimus on keskittynyt erityisesti suoliston mikrobiston kartoittamiseen. Tähän mennessä on tutkittu kaikkiaan 34 terveen aikuisen suoliston mikrobiston koostumusta molekulaarisilla menetelmillä (2). Lisäksi on tutkittu useiden kymmenien potilaiden tai erilaisiin interventioihin osallistuvien henkilöiden suoliston mikrobistoa (2,3). Koska terveiden aikuisten mikrobistoa on tutkittu vasta näin pieneltä joukolta, on selvää, että tietämyksemme ihmisen normaalin mikrobiston koostumuksesta on vaillinaista.

Ihmisen suoliston mikrobisto muodostuu pääosin bakteereista. Lisäksi mikrobistoon kuuluu arkkibakteereja, viruksia, bakteriofageja ja eukaryoottisia yksisoluisia eliöitä. Bakteerit muodostavat suurimman ja monipuolisimman mikrobiryhmän. Myös bakteriofageja on runsaasti, mutta niiden kokonaismäärästä ei ole vielä tarkkaa kuvaa Eräiden arvioiden mukaan bakteriofageja saattaa olla enemmän kuin bakteereja.

800 bakteerilajia, 7000 fylotyyppiä

Ihmisen suolistossa on 10¹¹–10¹² bakteerisolua /g kuiva-ainetta (5). Ihmisen mikrobistosta on löydetty yhdeksän eri bakteerien pääjakson edustajia. Kaksi tärkeintä pääjaksoa (Firmicutes ja Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides) kattaa suurimman osan (>80 %) suolistosta löytyvistä bakteerilajeista (3,4). Myös Proteobacteria -pääjaksoon kuuluvia lajeja on melko runsaasti, mutta selvästi vähemmän kuin kahden tärkeimmän ryhmän edustajia. Loppujen kuuden pääjakson edustajia löytyy vain vähän (2,6). Kaikkiaan bakteerit voidaan jakaa 55 eri pääjaksoon, joten ihmisen mikrobistossa on edustettuna vain pieni osa kaikista maapallolla esiintyvistä bakteerilajeista (6).

Suolistosta löydettyjen bakteerilajien määrät vaihtelevat suuresti (400–1200 eri lajia). Näin suuret erot lajimäärissä, johtuvat menetelmällisten erojen lisäksi siitä, että tutkitut näytemäärät ovat toistaiseksi olleet varsin pieniä, joten yksilöiden välinen normaali vaihtelu vaikuttaa suuresti lopputulokseen. Keskiarvona pidetään noin 800 eri bakteerilajia, jotka kuuluvat noin 100 eri bakteerisukuun (6).

Erilaisia bakteerikantoja tai oikeammin 16S rRNA -sekvensseihin perustuvia fylotyyppejä on sitten useita tuhansia. Arviot vaihtelevat 2500–7000 fylotyypin välillä (2,6). Näistä arviolta 70 % on kullekin yksilölle spesifisiä, mikä viittaa myös siihen, että yksilöiden väliset erot ovat suuria (2). Kaikkiin lukuihin on kuitenkin vielä suhtauduttava varauksella, sillä tukittujen yksilöiden määrät ovat pieniä ja käytetyt menetelmät eroavat toisistaan. On kuitenkin paljon mahdollista, että nyt käytössä olevat mikrobiologiset ja molekyylibiologiset menetelmät aliarvioivat ihmisen mikrobiston todellista monimuotoisuutta.

Bakteerien sukupuu

Mikrobiston kehitys

Kohdussa ihmisen on mikrobittomassa tilassa. Mikrobiston kehitys alkaa syntymästä. Tähän mennessä laajimmassa molekulaaristen tekniikoiden käyttöön perustuvassa tutkimuksessa seurattiin 14 vastasyntyneen lapsen mikrobiston kehitystä vuoden ajan (7).

Tutkimuksen perushavainto oli, että mikrobiston kehitys syntymän jälkeen on aluksi melko lailla sattumanvaraista. Lajeja ilmaantuu ja vastaavasti toisia häviää. Myöhemmin suoliston olosuhteisiin paremmin sopeutuneet lajit alkavat yleistyä. Muutos tapahtuu tiettyyn suuntaan ja noin vuoden iässä mikrobiston koostumus alkaa muistuttaa aikuisen mikrobistoa.

Mikrobisto ja liikalihavuus

Viimeaikaiset koe-eläimillä tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että mikrobisto on tärkeä ympäristötekijä, joka vaikuttaa isännän kykyyn hyödyntää ravinnon sisältämää energiaa. Mikrobiston siirto mikrobivapaaseen hiireen lisää jopa 60 % hiiren elimistön rasvapitoisuutta verrattuna vastaavaan mikrobittomaan hiireen (8,9). Toisaalta verrattaessa lihavien hiirten mikrobistoa laihojen hiirten mikrobistoon, on todettu selviä eroja. Lihavilla hiirillä on 50 % vähemmän Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides -pääjaksoon kuuluvia bakteereja ja vastaavasti enemmän Firmicutes-pääjaksoon kuuluvia bakteerilajeja kuin laihoilla hiirillä (10).

Merkittävä havainto on myös se, että tämä mikrobiston ominaisuus ei riipu hiirestä. Jos lihavan hiiren mikrobistoa siirretään mikrobittomaan normaaliin hiireen, lisääntyy hiiren kehon rasvapitoisuus enemmän kuin mitä tapahtuu jos hiireen siirretään laihan hiiren mikrobistoa (11). Hiirillä tehdyt kokeet ovat myös osoittaneet, että mikrobiston vaikutus ei rajoitu pelkästään ravinnon hiilihydraattien hajottamiseen isännälle sopivaan muotoon vaan mikrobisto vaikuttaa myös isännän rasva-aineenvaihduntaan. Mikrobiston siirto mikrobittomaan hiireen lisää glukoosin imeytymistä, lyhyiden rasvahappojen ja triglyseridien synteesiä. Mikrobisto lisää myös trigyseridien varastoimista rasvakudokseen (7).

Mikrobisto ei yksin aiheuta lihavuutta

Hiirimallilla tehdyt havainnot on osittain voitu vahvistaa ihmisellä. Lihavilla ihmisillä on keskimäärin vähemmän Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides -pääjaksoon kuuluvia bakteereja kuin laihoilla. Samoin lihavien ihmisten suoliston mikrobistossa on enemmän Firmicutes-pääjaksoon kuuluvia bakteereja kuin laihoilla. Lisäksi on todettu, että riittävä painon pudotus johtaa muutoksiin mikrobistossa bakteerien pääjaksojen tasolla (3).

Mikrobisto ei kuitenkaan yksinään tee kenestäkään lihavaa. Syy lihavuuteen on se, että saamme ravinnosta enemmän energiaa kuin mitä pystymme kuluttamaan. Jos eläisimme olosuhteissa, missä ravintoa on niukalti saatavissa, oikea mikrobisto toimisi eduksemme. Voisimme hyödyntää tarjolla olevaa ravintoa tehokkaammin. Tilanteessa, missä ravintoa on riittävästi saatavilla, ei tästä oikeasta mikrobistosta enää ole vastaava hyötyä vaan se lisää turhaan kykyämme hyödyntää ravinnon sisältämää energiaa. Näin mikrobisto voi osaltaan olla pahentamassa lihavuusongelmaa.

Jari Jalava, laboratorionjohtaja
Mikrobiekologian laboratorio KTL, Bakteeri- ja tulehdustautien osasto
jari.jalava(at)ktl.fi

Kirjallisuusluettelo
1. Wilson KH, Blitchington RB. Human colonic biota studied by ribosomal DNA sequence analysis. Appl Environ Microbiol 1996;62:2273–8.
2. Rajilic-Stojanovic M, Smidt H, de Vos WM. Diversity of the human gastrointestinal tract microbiota revisited. Environ Microbiol 2007;9:2125–36.
3. Ley RE, Turnbaugh PJ, Klein S, Gordon JI. Microbial ecology: human gut microbes associated with obesity. Nature 2006;444:1022–3.
4. Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN, ym. Diversity of the human intestinal microbial flora. Science 2005;308:1635–8.
5. Moore W EC, Holdeman LV. Human fecal flora: The normal flora of 20 Japanese-Hawaiians. Applied Microbiol 1974;27:961–79.
6. Backhed F, Ley RE, Sonnenburg JL, Peterson DA, Gordon JI. Host-bacterial mutualism in the human intestine. Science 2005;307:1915–20.
7. Palmer C, Bik EM, Digiulio DB, Relman DA, Brown PO. Development of the Human Infant Intestinal Microbiota. PLoS Biol 2007;5:e177.
8. Backhed F, Ding H, Wang T, ym. The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. Proc Natl Acad Sci USA 2004;101: 15718–23.
9. Backhed F, Manchester JK, Semenkovich CF, Gordon JI. Mechanisms underlying the resistance to diet-induced obesity in germ-free mice. Proc Natl Acad Sci USA 2007 ;104:979–84.
10. Ley RE, Backhed F, Turnbaugh P, Lozupone CA, Knight RD, Gordon JI. Obesity alters gut microbial ecology. Proc Natl Acad Sci USA 2005;102:11070–5.
11. Turnbaugh PJ, Ley RE, Mahowald MA, Magrini V, Mardis ER, Gordon JI. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature 2006;444:1027–31.