Наука и технологии России

Вход Регистрация
16.10.08 | Наука и техника: Живые системы Марина Муравьёва, STRF.ru

Микробы-экстремалы из Долины гейзеров

В нефтяных месторождениях, гейзерах, вулканических источниках и других, казалось бы, малопригодных для обитания условиях вовсю бурлит жизнь. Такая экстремальная среда — идеальное место для развития микроорганизмов-термофилов. На поиски разнообразных теплолюбивых созданий ежегодно отправляются в экспедиции учёные лаборатории Елизаветы Бонч-Осмоловской из академического Института микробиологии.

Курильские острова, Байкал, Камчатка, высокотемпературные нефтяные месторождения Западной Сибири, глубоководные гидротермы Тихого и Атлантического океанов — это лишь неполный перечень экспедиционных маршрутов, освоенных учёными за 12-летнюю историю лаборатории гипертермофильных микробных сообществ Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. В России это ведущая лаборатория по изучению термофилов, которые способны активно развиваться не только при крайне высоких температурах, но и в вовсе непригодных, казалось бы, для жизни условиях: в скоплениях отравляющего угарного газа, нефтяных месторождениях, гейзерах, вулканических источниках.

Для московских микробиологов Камчатка уже стала традиционным местом исследований. Облюбовали её учёные из-за обилия и многообразия горячих источников, где обитает огромное количество микробов с неизвестными и, вполне вероятно, полезными для человека свойствами. (На фото Долина гейзеров)

Заведующая лабораторией Елизавета Бонч-Осмоловская: «Для нас основной научный интерес представляют микроорганизмы с новыми типами дыхания. Благодаря их изучению можно получить сведения о биосфере древней Земли: каким образом живые организмы добывали энергию, чем питались, прежде чем эволюция устремилась по пути кислородного дыхания. Так что термофилов в данном случае можно рассматривать как музейные экспонаты»

Научный сотрудник лаборатории Татьяна Соколова демонстрирует, как для выращивания микроорганизмов в пробирках создаётся специальная среда с набором различных минеральных веществ, витаминов, а также энергетическим субстратом, например, нефтью. В лаборатории собрана коллекция из 200 штаммов микроорганизмов. Чемпион выдерживает температуру в 102оС, а мировой лидер — 115°С


ВИДЕО: Курильские острова, Байкал, высокотемпературные нефтяные месторождения Западной Сибири, глубоководные гидротермы Тихого и Атлантического океанов — это лишь неполный перечень экспедиционных маршрутов, освоенных учёными за 12-летнюю историю лаборатории гипертермофильных микробных сообществ. (На фото — источник Бурлящий, Узон)


Для отбора проб учёные используют обычный никелированный половник — как показала практика, это самый удобный рабочий инструмент. Технология довольно проста: в высоких болотных сапогах и толстых резиновых перчатках учёные черпают из источника грязь и кладут её в пластмассовые ёмкости (пробирки)

ВИДЕО: За время экспедиции учёные собирают 50-60 проб. Некоторые измерения проводятся на месте, но основная работа — в лаборатории. Первым делом выделяется «чистая культура» (существующую в природе смесь невозможно исследовать, нужно получить абсолютно гомогенную популяцию). После этого начинается анализ продуктов жизнедеятельности и основных физиологических характеристик микробов

Хотя учёные всего мира проявляют большой интерес к этим микробам, пока их изучено не более пяти процентов. Весьма перспективными, по мнению заведующей лабораторией гипертермофильных микробных сообществ Елизаветы Бонч-Осмоловской, считаются исследования в горячих источниках, где обитает огромное количество микробов с неизвестными и, вполне вероятно, полезными для человека свойствами. Сфера применения ферментов из термофилов довольно широка: молекулярная биология, текстильная и пищевая промышленности, производство моющих и стиральных средств и т.д. Так что в этих областях можно ещё совершить настоящий прорыв, убеждены учёные.

Дорогой на Камчатку

В экспедиции сотрудники лаборатории Бонч-Осмоловской обычно ездят раз в год, но бывает и чаще. Например, недавно двое молодых сотрудников вернулись из совместной с американцами экспедиции по Атлантическому океану. В этом же году состоялась ещё одна поездка — на Камчатку. Для московских микробиологов это место исследований уже давно стало традиционным: облюбовали они его из-за обилия и многообразия горячих источников.

«Добравшись до Петропавловска-Камчатска, мы пересаживаемся на вертолёт — дороги нет, а до места назначения нужно преодолеть ещё 300 километров, — рассказывает Елизавета Бонч-Осмоловская. — Раньше приходилось жить в походных условиях, в палатках, посреди поля. Только недавно для исследователей построили домик (по российско-американскому гранту). Теперь двух-трёхнедельное пребывание вдали от цивилизации будет переноситься гораздо легче».

Для отбора проб учёные используют обычный никелированный половник — как показала практика, это самый удобный рабочий инструмент. В ходе совместных экспедиций и американцы стали следовать примеру российских коллег. «Технология довольно проста, — говорит старший научный сотрудник лаборатории Татьяна Соколова. — Надев высокие болотные сапоги и толстые резиновые перчатки, черпаем из источника грязь и кладём её в пластмассовые ёмкости (пробирки). Некоторые измерения делаем на месте, но основную работу в московской лаборатории. Главное — довести пробы, которых за экспедицию удаётся собрать около 50-60».

Каждому микробу по паспорту

Из собранных проб учёные первым делом выделяют «чистую культуру» (существующую в природе смесь невозможно исследовать, нужно получить абсолютно гомогенную популяцию). После этого приступают к анализу: что микроорганизмы потребляют, какие продукты жизнедеятельности образуют, каковы у них физиологические характеристики — температурная кривая (минимум, максимум, оптимум), рН-кривая (кислотность), солёность и другие.

У термофилов довольно ярко проявляются особенности механизмов получения энергии. Многие из них растут анаэробно (без кислорода), используют разные газы для дыхания, а также всевозможные неорганические источники энергии. Есть микробы, которые вместо кислорода восстанавливают серу (сера является аналогом кислорода: в таблице Менделеева эти элементы находятся в одной колонке), и на их примере можно говорить о так называемом «серном дыхании». Ещё более удивительная группа микроорганизмов использует в качестве источника энергии угарный газ — монооксид углерода. При этом из воды они образуют водород, который вместе с СО2 является продуктом их жизнедеятельности. По опыту исследований этой группы микроорганизмов сотрудники Института микробиологии имеют абсолютный мировой приоритет: дышащих угарным газом существ открыли ещё в лаборатории академика Георгия Заварзина, а позже стали детально изучать в лаборатории Бонч-Осмоловской.

«Для нас основной научный интерес представляют микроорганизмы с новыми типами дыхания, — отмечает Елизавета Бонч-Осмоловская. — Благодаря их изучению можно получить сведения о биосфере древней Земли: каким образом живые организмы добывали энергию, чем питались, когда ещё не было фотосинтеза и органического вещества, когда природа только пробовала разные типы метаболизма, прежде чем эволюция устремилась по пути кислородного дыхания. Так что термофилов в данном случае можно рассматривать как музейные экспонаты».

У каждого такого «музейного экспоната» есть свой «паспорт» или «штрихкод» — кусочек почти не изменяющегося во времени генома с известным местоположением в бактериальной ДНК. После прочтения гена учёные узнают, к какой группе относится тот или иной микроб. В этой работе микробиологам помогают коллеги из Центра «Биоинженерия» РАН, где имеется новейшее оборудование для определения генетических последовательностей.

«Когда культура “чистая”, паспорт составляется очень быстро: извлекается ген и на секвенаторе определяется его последовательность — 1500 нуклеотидов, — говорит Елизавета Бонч-Осмоловская. — После составления “паспорта” сведения о найденном микробе сравниваются с базой данных. И если они не совпадают, учёные приступают к описанию нового вида или рода, или семейства. Это безумно увлекательное занятие».

От получения пробы до подготовки научной статьи уходит в среднем от полугода до года. Существует специальный журнал International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology: после публикации в нём имени нового микроба оно валидируется, принимается научным сообществом. Причём если в одном номере напечатаны две статьи на одну тему, первой будет считаться та, у которой меньше номер страницы. Поэтому в среде учёных присутствует дух соревновательности, конкуренция очень большая.

Термофилы выходят на рынок

В лаборатории гипертермофильных микробных сообществ собрана коллекция из 200 штаммов микроорганизмов, среди которых есть и бактерии, и археи (археи — более «теплолюбивы», растут при 100оС, а бактерии — при 80оС). Микроорганизмы выращиваются в пробирках, в которых создана определённая среда, включающая набор различных минеральных веществ, витаминов и т.д., а также энергетический субстрат, например, нефть. Лабораторный чемпион способен жить при 102оС, а мировой лидер — при 115оС.

Помимо описания разнообразия и особенностей природных сообществ термофильных прокариот (главная цель лаборатории Елизаветы Бонч-Осмоловской), учёные занимаются поиском новых ферментов для биотехнологий. Существует масса возможностей для их использования. Например, для проведения генетических анализов — с помощью ферментов из термофилов определяются последовательности ДНК, выявляются родственные связи и т.д. Несмотря на большие успехи в этой области, учёные всего мира ищут новые ферменты, чтобы улучшить точность, быстроту, дешевизну этих анализов. Это небольшой, но быстро реагирующий на всё новое рынок.

Кроме того, ферменты из термофилов используются при создании стиральных порошков и моющих средств. Масса применений возможна и для пищевой промышленности, и для текстильной (например, эффект потёртости джинсов создаётся таким образом: брюки сначала красят, а потом ферментом аккуратно «подстригают» верхушки торчащих волокон).

Проблема заключается в том, что в отличие от обычных микробов, у термофилов трудно получить большое количество клеток, чтобы исследовать ферменты. Выход из данной ситуации учёные нашли в следующем — решили определить полные геномные последовательности микробов, чтобы иметь возможность извлекать нужные для изучения гены. В конце прошлого года в лаборатории Елизаветы Бонч-Осмоловской вместе с коллегами из Центра «Биоинженерия» впервые в России получили полную геномную последовательность гипертермофильной археи Proteinoruptor kamchatkensis, которая была выделена на Камчатке. (Проект осуществлялся в течение двух лет в рамках ФЦП

«Ценность нашего открытия заключается в том, что учёные получили доступ к любому интересующему их гену, — говорит Елизавета Бонч-Осмоловская. — Ген можно клонировать, извлекать, “пересаживать” в другой микроб, чтобы вырабатывался искомый фермент в нужном количестве. То есть всем этим процессом теперь можно управлять».

Учёные подготовили статью в международный журнал Journal of Bacteriology и надеются, что в скором времени её опубликуют. Тем временем проект получил дальнейшее продолжение — в 2008 году были секвенированы ещё четыре гипертермофильных генома, и в настоящее время ведётся работа ещё над шестью. В их числе — самые интересные с точки зрения учёных микроорганизмы; например, один из микробов, Thermococcus sibiricus, найден не в горячих источниках, а в нефтяной скважине Западной Сибири, на глубине 2600 метров, где нагревание уже идёт от магмы, и температура достигает 85оС). Выделенные оттуда микробы оказались удивительно похожими на те, что обитают в морских горячих источниках. Видимо, попав в глубинные пластовые воды с отложениями Юрского периода, они сохранились там до сих пор. Геном Thermococcus sibiricus полностью секвенирован и теперь может быть сравнен с геномами родственных микроорганизмов из морских горячих источников. Это совершенно новая область деятельности: учёные могут найти какие-то неизвестные ранее свойства микроорганизмов и подобрать условия для их проявления.

В России нет спроса на микробов?

Для использования полученных ферментов, обладающих весьма ценными для биотехнологий свойствами, в лаборатории планируют искать потребителя — заинтересованные организации, которые могли бы производить эти ферменты.

«Огромный рынок, основанный на применении ферментов микроорганизмов, развивается в основном на Западе, — отмечает Елизавета Бонч-Осмоловская. — В России биотехнологии ещё не находят активного применения. Эффективному доведению разработок до практики, к сожалению, препятствует отсутствие связующего звена между производителями и учёными».

В лаборатории гипертермофильных микробных сообществ пытаются наладить сотрудничество с зарубежными биотехнологическими фирмами, в частности из Голландии и Франции. Но международное сотрудничество — как с фирмами, так и с научными учреждениями — осложняется тем, что на сегодняшний день в России страшно забюрократизирована процедура отправки за границу и, соответственно, пересылки оттуда микробов: необходима масса разрешений от различных министерств. Причём такие документы нельзя получить однократно для всего института, а требуется оформлять документы на каждую посылку.

«Во всём мире существует общепризнанная практика — любой институт может получить лицензию на пересылку культур, — говорит Елизавета Бонч-Осмоловская. — Почему в нашей стране с этим такая проблема — непонятно. Я собираюсь заняться её решением, но большого оптимизма не испытываю. А ведь без этого невозможно вести полноценную научную работу, сравнивать коллекции микроорганизмов».

***

Пока учёные ломают голову над организационными и прочими трудностями, в лаборатории продолжают расти собранные в экспедиции микробы. Какие с их помощью удастся сделать открытия — покажет время. Хотя, как признаётся Елизавета Бонч-Осмоловская, в научной работе чаще запоминаются какие-то отрицательные результаты и огорчения. Например, в своё время учёные были уверены, что нашли микроб, который потребляет водород и превращает серу в сероводород. В ходе эксперимента водород оказывался совершенно разряженным, хотя изначально верхняя часть в пробирке была им заполнена. Только позже учёные обнаружили, что там имеется небольшое количество органического вещества. Именно на нём микроб вырастал, а потом вхолостую перерабатывал водород в сероводород.

«Прелесть нашей работы в том, что учёный постоянно ведёт диалог с природой, — говорит Елизавета Бонч-Осмоловская. — Ты думаешь, строишь планы, хочешь, чтобы всё было складно и красиво, но природа своё дело знает. И наша цель: установить, как оно есть на самом деле».

РЕЙТИНГ

4.67
голосов: 6

Обсуждение