Елизавета Бонч-Осмоловская - доктор биологических наук, заместитель директора по научной работе, заведующая лабораторией гипертермофильных микробных сообществ Института микробиологии РАН им. С.Н. Виноградского. О микроорганизмах, которые способны жить при высоких температурах и о том, какие микробы могут пригодиться людям, она рассказала Борису Долгину, Дмитрию Ицковичу и Анатолию Кузичеву в программе «Наука 2.0» -совместном проекте портала «Полит.ру» и «Вести.FM». Перед вами - краткое содержание беседы. Аудиозапись передачи доступна здесь.
Термофилы - это микроорганизмы, которые живут и размножаются при высоких температурах - от 50ºС и выше, тогда как обычные микробы - при 20-30-40ºС. Верхний температурный предел существования для термофилов - около 120ºС, но оптимум (температура, при которой они лучше всего себя чувствуют) может быть в пределах 60-70-80ºС. Те, у которых она выше 80ºС – это уже «гипертермофилы».
Помимо того, что они не умирают при 120ºС, термофилы представляют очень древние линии жизни. Есть способы, позволяющие определить, когда они возникли и ответвились от общей линии жизни: путем анализа определенных участков ДНК у микробов. Среди термофилов много таких организмов, которые отделились очень рано, особенно это относится к гипертермофильным археям.
Свойства многих термофилов говорят о том, что это представители древних экосистем Земли; тех времен, когда здесь еще не было фотосинтеза и кислородной атмосферы. Жизнь в таких условиях развивалась совершенно иначе. И, конечно, все это в принципе можно экстраполировать на другие планеты, где нет ни кислородной атмосферы, ни фотосинтеза. Вот в чем одна из причин интереса к термофилам. Вторая: раз они выдерживают такие высокие температуры, значит, у них совершенно другие белки.
Известно, что, например, когда мы варим яйцо, белок коагулирует, меняет свой вид и консистенцию. Обычные белки нагревания не выдерживают. А у этих - белки и ДНК выдерживают высокие температуры, и при этом функции они выполняют те же самые. Поэтому для изучения механизмов такой невероятной стабильности и использовали биополимеры термофилов.
Гипертермофильные микроорганизмы открыли совсем недавно, в 1980-х. Хотя термофилы с менее высокими температурами развития были известны в начале прошлого века, искать микробов в природных «горячих» точках (таких как вулканические горячие источники) начали только в 1970-е. И вот там-то и оказались особенные микробы.
Следующий прорыв случился, когда начали исследовать подводные горячие источники на большой глубине. В 1984 году вышла сенсационная работа: сообщалось, что микробы живут в таких источниках при 250ºС. Это не подтвердилось, но стало мощным толчком, после которого все бросились изучать микроорганизмы, обитающие в окрестностях глубоководных вулканов.
«Термостабильные белки» и их применение
Ученые нашли довольно много механизмов стабилизации белков у термофилов. Молекула такого белка гораздо более плотно упакована, она прошита внутренними связями, которые ее держат - не позволяют распрямиться и развалиться при нагревании. Это «термостабильные белки», «термостабильные ферменты».
Было проведено совершенно революционное исследование – открытие полимеразной цепной реакции. Это способ искусственного размножения участков ДНК из одной молекулы. Две цепочки расходятся, фермент ДНК-полимераза наращивает на каждой половинке вторую - и получается уже две. Потом они снова расходятся - и на каждой снова наращивается. Таким образом точная ДНК многократно воспроизводится в «препаративном количестве» и с ней вполне можно работать.
А чтобы развести эти цепочки, их надо нагреть. Сначала полимеразная цепная реакция делалась так: развели, нагрели, развели, достроили, снова добавили фермент. Очень дорого и очень медленно! А потом придумали использовать ДНК-полимеразу термофильных микроорганизмов, которая термостабильна: можно нагревать, ДНК расходится, а фермент - прекрасно себя чувствует и продолжает работать. Сейчас полимеразная цепная реакция используется в криминалистике, при медицинских анализах и т.д.
Термостабильные ферменты также устойчивы к кислотности, щелочности, к присутствию каких-то растворителей, поэтому применяются в самых разных областях промышленности. Например, при производстве детергентов, стиральных порошков, в пищевой промышленности, пивоварении. Но пока, к сожалению, не у нас. Я всегда мечтала, чтобы наши белки, наши микробы пригодились именно здесь.
Сейчас мы сотрудничаем с Институтом биохимии имени Баха РАН, пытаемся ферментам из наших микроорганизмов найти применение при разложении птичьих перьев. Здесь ведь большая проблема: птичьи перья – это белок кератин, который ничем не разлагается. А так, например, его можно разложить и тем же курам скормить.
Археи и бактерии
Археи в целом живут при более высоких температурах. Часто и те, и другие используют одни и те же субстраты, выглядят очень похоже, но у них разная внутренняя механика, ведь они очень рано разделились. У архей и бактерий совершенно разный аппарат синтеза белка, другая клеточная стенка, другие липиды... у архей все устроено по-другому, однако их пока открыто намного меньше, чем бактерий.
Один из глобально значимых процессов с участием архей - образование метана. Метанобразующие археи живут в болотах, в озерных и морских осадках и производят огромное количество метана. Углекислота в присутствии водорода восстанавливается в метан. Но лишь при полном отсутствии кислорода: если есть хоть чуть-чуть кислорода, процесс не идет. Образуется метан как конечный продукт жизнедеятельности, и при этом возникает энергия, которую микроорганизм использует для своего удвоения и поддержания жизни.
Самая большая опасность для планеты, для ее озонового слоя, – большое выделение метана. Например, в кишечниках жвачных животных образуется огромное его количество, - это всё именно микробный, архейный метан.
Где ждать новых открытий?
Огромное количество микробов до сих пор не известно. Интересно искать новые микробы - сейчас появился способ идентифицировать их непосредственно в природных пробах по определенному кусочку ДНК. Уже существует большая база данных. Если просто выделяется из природной пробы этот кусочек ДНК и определяется его последовательность, то можно увидеть, как много там микробов, какие они разные, сравнить их с теми, что известны. Более того, можно увидеть, какой новый микроб присутствует в значительном количестве, играя какую-то важную роль в этом сообществе.
Очень интересно свести знания об огромном разнообразии микробов с пониманием их функции. Неизвестных микробов еще очень-очень много и, конечно, все они не будут описаны. Поэтому важно научиться искать тех, которые играют какую-то существенную роль в природе.
Мой учитель, микробиолог, академик Георгий Александрович Заварзин в 1970-е годы написал книжку: «Фенотипическая систематика бактерий: пространство логических возможностей». Он доказал в ней: возможно всё, что не запрещено термодинамически, надо только искать. Эта матрица стала постепенно заполняться, но поиски шли исключительно по внешним признакам – фенотипу. Потом эту книжку совершенно забыли, потому что все увлеклись геномами, а теперь, на новом витке, вернулись к ней.
