В Приэльбрусье любят погорячее: открыт новый вид живучих бактерий

Открыт новый вид бактерий, которые выдерживают высокую температуру, концентрацию тяжелых металлов и питаются ядовитым метанолом. Ученые Объединенного института ядерных исследований и Института ядерных исследований РАН пророчат Cytobacillus pseudoceanisediminis большое будущее в деле очистки почвы и сточных вод. В детали нас посвятила автор исследования, начальник сектора молекулярной генетики клетки Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Елена Кравченко.

«Все умрут, а я останусь»

Наш сектор был создан в 2019 году, когда Лаборатория ядерных проблем решила развивать направление наук о жизни. Как бы крамольно это ни звучало из уст сотрудника Института ядерных исследований, но если XX век был веком физики, то XXI век — ​век биологии.

У нас три основных проекта. Первый — ​изучение генов тихоходок. Эти животные — из серии «все умрут, а я останусь». Не боятся никаких экстремальных условий и обладают очень высокой радиорезистентностью, например выживают после облучения гамма-квантами и протонами в дозах до нескольких тысяч грей. Для человека летальная доза — ​около 10 Гр.

В одной работе мы переносили гены, которые участвуют в развитии радиорезистентности у тихоходок, в модельный организм — ​плодовую мушку дрозофилу — и культуру клеток человека. И наблюдали за тем, как растет у них устойчивость к ионизирующему излучению. В культуре клеток человека она выросла в шесть раз. Такие исследования могут помочь повысить радиорезистентность организмов, применяемых в биотехнологии (бактерий, грибов и т. д.), сельскохозяйственных растений и животных и в перспективе даже сделать возможной пилотируемую миссию на Марс — ​сейчас космонавты не выдержат те дозы радиации, которые они получат за время полета к Красной планете.

Другой наш проект — ​исследование влияния пониженного радиационного фона на живые организмы. Мы все знаем, что высокая доза радиации опасна и в конечном счете может привести к преждевременной смерти. Но что будет в обратной ситуации, если естественный радиационный фон, в котором мы живем миллионы лет, выключить? Эти работы мы выполняем совместно с Баксанской нейтринной обсерваторией ИЯИ РАН в Приэльбрусье с подачи коллег из Китая и Италии, которые были очень оптимистично настроены, считали, что снижение фоновой радиации окажет положительное воздействие на организм, и даже хотели строить подземные низкофоновые лечебницы. Мы провели эксперименты и показали, что снижение естественного радиационного фона, по всей видимости, никак не влияет на организм.

И третий проект — ​изучение экстремофильных микроорганизмов из шахты Баксанской обсерватории.

Жизнь под землей

В 2019 году мы проводили в Баксанской обсерватории эксперименты в низкофоновой лаборатории, и коллеги из Института ядерных исследований РАН рассказали о неиспользуемом тоннеле с бурлящим подземным озером в конце. Мы собрали образцы воды и минеральных отложений в этом тоннеле и нашли ряд интересных бактерий, многие из которых принадлежат к неизвестным ранее видам и родам. Одну бактерию мы уже полностью описали и дали ей название Cytobacillus pseudoceanisediminis. В геноме обнаружилось множество генов, отвечающих за устойчивость к тяжелым металлам: меди, кадмию и свинцу. Это позволит использовать ее для детектирования загрязнений и биоремедиации — ​очистки почвы и сточных вод от тяжелых металлов. Очень перспективное направление.

Условия жизни у этих бактерий крайне тяжелые. Температура воды в озере — ​42 °C, соленость — ​почти как в Мертвом море, и полная темнота, а значит, микроорганизмы не могут использовать фотосинтез и получают энергию, окисляя неорганические и самые простые органические субстраты: метан, соединения серы и т. д. Описанная нами бактерия, например, питается метанолом, который для многих других живых существ сильный яд.

Микроорганизмы в этом озере плавают в супе из вирусов, атакующих бактерии, которые составляют несколько десятков процентов биомассы экосистемы. То есть микроорганизмы не только живут в ядовитой среде на скудном пайке, но и постоянно борются с бактериофагами.

От Нобелевской премии до стирального порошка

Вообще, благодаря экстремофилам сделано много важных открытий и в фундаментальной, и в прикладной науке. Например, в клетках есть такая органелла — ​рибосома, фабрика белков. Долгое время люди не могли изучить строение рибосомы, так как это нужно делать в условиях высокой концентрации соли. Рибосомы большинства организмов при этом разрушаются. На помощь пришла экстремофильная бактерия из Мертвого моря. На ней удалось изучить строение и работу рибосомы, за это была вручена Нобелевская премия по химии в 2009 году.

Другой пример, бытовой. Очень часто на упаковках стирального порошка в составе можно увидеть ферменты (или энзимы), они нужны для расщепления жировых пятен. Но ферменты большинства организмов не приспособлены к работе в воде при температуре 60–95 °C. Решение подсказали термофильные бактерии, живущие в горячих источниках, ферменты которых активно работают в таких условиях и поэтому используются и в стиральных порошках.

И третий пример — ​полимеразная цепная реакция. Этот молекулярно-биологический метод на фоне пандемии приобрел огромную значимость, хотя изобретена ПЦР была еще в 1983 году и с тех пор широко используется в науке, медицине и криминалистике. В ПЦР применяется особый фермент, Taq-полимераза, из термофильной бактерии Thermus aquaticus. Полимераза копирует участки ДНК и увеличивает их количество в миллионы раз, чтобы образец было проще детектировать и исследовать. На одном из этапов его необходимо нагревать до 95 °C. Выдержать такое и остаться активной может только полимераза из термофильного микроорганизма.

СПРАВКА

Баксанская нейтринная обсерватория расположена в Баксанском ущелье Кавказского горного хребта. Состоит из комплекса подземных сооружений в толще горы Андырчи и наземных лабораторий. В обсерватории проводят исследования в области физики элементарных частиц и высоких энергий, космологии, геофизики и т. д.

Экстремофилы — ​совокупное название для живых существ, способных жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды: при высоких или низких температуре, давлении, кислотности, солености и т. д.

Тихоходки — ​микроскопические беспозвоночные длиной от 100 до 150 мкм. Могут жить 30 лет при температуре 30 °С, выдерживают нагрев до 60–65 °C в течение 10 часов и до 100 °C в течение часа, могут находиться в атмосфере из сероводорода и углекислого газа, выдерживают высокие дозы ионизирующего излучения.