В БФУ имени Канта намерены раскрыть тайну зарождения жизни на Земле

Россия. Калининград. Информационное агентство Rainbow. 19 октября 2017 года. В Калининграде в БФУ имени Канта в ноябре 2013 года начала работать Лаборатория геномики микроорганизмов.

Ныне лабораторию возглавляет выпускник МГУ кандидат биологических наук Степан Тощаков.

В интервью коллегам из БФУ он рассказал о том, что будет, если запустить жаростойкие бактерии в космос, насколько сильно отличается геном человека от генома пшеницы, зачем микробов кормят нефтью и почему страны, где поддерживают на первый взгляд вроде бы бесполезные с практической точки зрения исследования, в конце концов выигрывают технологическую гонку.

– Степан Владимирович, в чем состоит основная задача лаборатории?

– Мы изучаем очень интересные микроорганизмы, которые живут в агрессивных средах. Например, в кипятке или в условиях чудовищно сильного давления на дне океана.

Существуют галофильные бактерии – то есть, те, которые «любят соль» и обитают в концентрированных соляных растворах. Самые близкие к нам подобного рода водоемы находятся в Волгоградской области – это знаменитые озера Баскунчак, Эльтон. Ну и, конечно, не стоит забывать об ацидофилах – микроорганизмах, которые хорошо себя чувствуют в кислой среде. Словом, мы исследуем экстремофильные организмы, способные выжить там, где неизбежно погибнут другие.

– А чем они еще интересны помимо своей удивительной живучести?

– В известном смысле они могут приоткрыть тайну зарождения жизни на Земле.

Одна из наиболее популярных гипотез заключается в том, что жизнь зародилась в условиях, похожих на те, что сейчас существуют на термальных источниках. На заре возникновения биосферы, в условиях повышенной геологической активности, перепадов температур, падения астероидов, гидротермальные источники были единственным «спокойным» местом на планете, в котором могли развиться живые организмы. Вот в этой невероятно жесткой и агрессивной по современным меркам среде и образовался бульон, в котором появились первые примитивные организмы. То есть, экстремофилы, возможно, были первыми обитателями планеты.

Существует так же гипотеза панспермии, согласно которой «зародыши жизни» были принесены на Землю астероидами из космического пространства.

Наши коллеги из Института Микробиологии имени С. Н. Виноградского РАН провели любопытный эксперимент: поместили на искусственный спутник Земли термофильные бактерии, то есть смоделировали условия астероида. И именно они, в отличие от контрольной группы «обычных» бактерий, сумели пройти через атмосферу живыми. Это значит, что технически такой способ появления жизни у нас вполне возможен.

– А какие эксперименты проводятся непосредственно в вашей лаборатории?

– У нас в плане микробиологии своя четко выраженная ниша. Мы занимаемся анализом геномов. Для этого есть специальные приборы – секвенаторы, которые позволяют за сутки получить последовательность генома одной бактерии.

Геном – это, образно выражаясь, книжка. Или текстовой файл. Вот, например, в геноме бактерии содержится пять миллионов символов. Ну, или, если угодно – букв. При этом, вариантов этих букв всего четыре – АЦТГ.

Каждая буква – это определенный нуклеотид.

Совокупность этих нуклеотидов составляет хромосомную ДНК, что, собственно и является геномом.

У микроба, как я уже сказал, пять миллионов нуклеотидов, у человека – три миллиарда. У крысы тоже, кстати, три. А, допустим, у пшеницы – 13 миллиардов. Мы секвенируем геномы и делаем биоинформатический анализ, который дает нам возможность понять, какие ближайшие родственники у этого организма, как он развивался эволюционно, какие у него есть «полезные» и «вредные» гены, как можно использовать этот микроорганизм и его генетический материал в биотехнологии.

– Какие успехи достигнуты в этом направление в последние время?

– В июле этого года в авторитетном научном журнале Nature communications вышла статья, посвященная ацидофильным микробам. В частности, в ней был описан микроб Mancarhaeum acidiphlum, который впервые удалось выделить коллегам из Университета Бангора (Уэльс). А мы занимались биоинформатическим анализом. В работе также участвовали ученые из многих крупных научных центров, таких как Национальный центр биотехнологической информации (США), Институт микробиологии имени С. Н. Виноградского РАН, Институт Прибрежных и Морских Экосистем (Италия). Нам удалось охарактеризовать полную последовательность генома микроба, которого раньше не получалось выделить, и, исходя из полученной информации, сделать выводы об его образе жизни и эволюционном развитии. Выяснилось, что это один из древнейших организмов на Земле и при этом – симбионт. То есть, он не сам по себе живет, а является нахлебником у других микробов.

– А если практическая польза изучения этих необычных микроорганизмов? Как их свойства можно использовать, так сказать, в народном хозяйстве?

– Я бы хотел отметить, что фундаментальные исследования не всегда приносят быстрый практический результат. Но мировой опыт говорит о том, что страны, где поддерживают фундаментальную науку, являются мировыми лидерами, а те, где упор делается только на какие-то прикладные вещи, сейчас серьезно отстают. Им приходится закупать технологии. Знания накапливаются, и в определенный момент происходит прорыв. Количество превращается в качество.

…Впрочем, свойства экстремофильных микроорганизмов сейчас активно используются во многих отраслях народного хозяйства. Весь мир сейчас пытается перейти к так называемой зеленой экономике, которая основывается на возобновляемых видах энергии – в частности, на биотопливе. Для получения биотоплива нужны микроорганизмы, которые будут превращать, допустим, отходы деревообрабатывающей или пищевой промышленности в спирты, которые входят в состав биотоалива. И именно экстремофильные микроорганизмы могут осуществлять превращения веществ в самых различных условиях, что дает возможность их применить в практически любом технологическом процессе.

Используются микроорганизмы и в нефтяной промышленности. Сейчас перед многими нефтяными компаниями стоит задача добычи тяжелых фракций нефти, которую крайне трудно поднять на поверхность. Для этого используются микробные сурфактанты (поверхностно активные вещества), которые разжижают тяжелые фракции нефти. Добавляют в скважину микроба, он кушает нефть и продуцирует сурфактанты. В результате вязкость снижается и нефть гораздо легче поднимается на поверхность.

– Что впереди? Над чем лаборатория работает сейчас?

– В лаборатории создан задел для реализации ряда проектов. Так, к примеру недавно нами подавался на ряд конкурсов, но, к сожалению, не получил поддержки проект «ГАЛОБИО», который включал в себя несколько отдельных, но в то же время взаимосвязанных научных направлений, объединенных объектом исследования – галофильными микроорганизмами. Во первых, это получение из биомассы экстремальных галофилов пищевых добавок. Это β-каротин, витамины и другие пробиотики для использования в здравоохранении (функциональные продукты питания) и сельском хозяйстве (кормовые добавки в аквакультуре). Так, если добавлять в пищу лососевых рыб, которых разводят на специальных фермах, каротиноиды (например, бета-каротин из морковки), то цвет мяса у них становятся более насыщенным, более красным. Таким образом рыба получает привлекательный товарный вид. При этом никаких химических веществ не применяется. Все – естественно.

Ряд проведенных нашими коллегами экспериментов показал, что применение не обычного бета-каротина, а смеси различных галофильных каротиноидов в кормовых смесях делает мальков более живучими. Это имеет огромное экономическое значение, так как высокая смертность мальков – это бич рыбных ферм.

Во-вторых, это получение из биомассы экстремальных галофилов неиммуногенных липополисахаридов, которые могут служить противовоспалительными адъювантами вакцин для пролонгированного представления антигена и ( или) средствами адресной доставки противоопухолевых препаратов.

И, наконец, третье направление – получение галофильных ферментов высокой биотехнологической значимости, в первую очередь – ферментов, обладающих гидролитической активностью, в основном целлюлазы и хитиназы. Это очень перспективные направления, имеющие не только научный, но и коммерческий потенциал.

Также важно упомянуть разработки по графену. Это полимер углерода, за открытие которого в 2013 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Наша идея заключается в том, чтобы при помощи галофильных микроорганизмов изменять свойства графена, получая материал с новыми свойствами в плане электропроводности.

Тем не менее, несмотря на то, что, мы пытаемся запустить ряд прикладных проектов, нашим приоритетом является публикационная активность лаборатории. Это не только привлекает молодых сотрудников, но и поддерживает престиж Университета на международной арене. Сейчас мы являемся одним из наиболее активно публикующихся подразделения БФУ. Это – наша основная фишка, и, конечно, фундаментальные исследования для нас наиболее приоритетны.