Холодный расчет: ученые открыли секрет выживания антарктических бактерий
Ученым Курчатовского института удалось открыть новый механизм приспособления микроорганизмов к суровым антарктическим условиям. Хорошо известные группы бактерий, обитающие в разных частях мира, в полярной зоне из-за недостатка влаги, тепла и питательных веществ уменьшаются практически до минимально возможных размеров — менее 200 нанометров. По мнению независимых экспертов, у этого научного открытия есть и практическое значение. Например, благодаря пониманию механизма приспособляемости бактерий к экстремальным условиям можно усовершенствовать технологии производства лекарств и селекции морозоустойчивых сельскохозяйственных растений.
Меньше — лучше?
В пробах антарктической почвы, взятых в ходе экспедиции на южный континент сотрудниками Института географии РАН, были обнаружены неизвестные микроорганизмы очень малого размера — менее двухсот нанометров. Ученые не знали, с чем именно они имеют дело. Выяснить природу этих микроорганизмов взялись специалисты НИЦ «Курчатовский институт». Они обнаружили, что в почвах Антарктиды обитают хорошо знакомые ученым семейства бактерий, но меньших размеров.
— Мы стали считать численность бактерий в образцах из Антарктиды и обнаружили, что большая часть из них представлена мелкими формами. Согласно имеющимся данным, когда бактерии впадают в покоящееся состояние, у них наблюдается уменьшение клеточного размера. Однако ученым известны виды бактерий, которые сохраняют маленький размер и не находясь в таком состоянии. Мы постарались выяснить, к какой категории относятся наши микроорганизмы, — рассказала младший научный сотрудник Лаборатории биологии РНК и эпигенетики Института молекулярной генетики НИЦ «Курчатовский институт» Алина Кудинова.
Концентрация микроорганизмов в почвах Антарктиды оказалась заметно ниже, чем в более приспособленных для жизни районах планеты (как, например, умеренный пояс России). Анализ отдельной части генома микробов показал, что в основном они относятся к хорошо известным типам бактерий, которые распространены и в других локациях. Причем бактерии малых форм распределяются по этим классам примерно в тех же пропорциях, что и их более крупные родственники.
Специалисты Курчатовского института предположили, что, уменьшаясь в размерах, бактерии приспосабливаются к сложным условиям. Если это утверждение верно, то с улучшением условий микробы должны вернуться к своим обычным размерам. Чтобы проверить эту версию, ученые повысили влажность и температуру, в которых находились микроорганизмы, до максимальных для Антарктиды значений. Таким образом они запустили в среде обитания бактерий процесс сукцессии — последовательного изменения, в ходе которого одни сообщества микробов сменяют другие вследствие воздействия какого-либо внешнего фактора.
— В Антарктиде бывают более теплые периоды, когда поверхностный слой почвы оттаивает и его температура может достигать 20 ºC. Мы воспроизвели эти условия и стали наблюдать, — пояснила Алина Кудинова.
Эксперимент показал, что при улучшении условий общее число бактерий увеличивается, а количество малых клеток сокращается. Процесс развивается волнообразно, а затем микроорганизмы вновь возвращаются в первичное состояние. Это показывает, что в более комфортной среде малые клетки оживают, начинают потреблять влагу, питательные вещества и увеличиваются в размерах. Однако когда доступные ресурсы подходят к концу, они снова уменьшаются и «засыпают». По мнению ученых, вполне вероятно, что кроме уменьшения в размерах в таких клетках изменяется и метаболизм, но этот вопрос требует дальнейшего изучения и новых исследований.
Фабрики молекул
Опрошенные «Известиями» специалисты считают, что результаты исследований ученых Курчатовского института могут быть шагом к важным практическим достижениям. Так, многие лекарства изготавливают по принципу генной модификации одноклеточных микроорганизмов таким образом, чтобы они превратились в «микрофабрики» по производству конкретных молекул (например, так делают инсулин), отметил директор научного центра «RASA-Политех» СПбПУ Игорь Радченко. Благодаря пониманию механизма приспособляемости бактерий к экстремальным условиям исследователи могут сами определенным образом модифицировать микроорганизмы, сделать их более эффективными и расширить круг применения, уверен эксперт. Кроме того, появляются новые возможности для культивирования морозостойких сельскохозяйственных сортов, резюмировал специалист.
Исследование имеет большое фундаментальное значение для микробиологии, в частности, для экологии микроорганизмов, живущих в экстремальных условиях, добавил доцент кафедры биохимии и микробиологии Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского Южного федерального университета Андрей Горовцов.
— Исследование состояния покоя у бактерий не ограничиваются только жесткими природными условиями Антарктиды. Похожие процессы происходят, например, в биопленках патогенных бактерий при терапии антибиотиками. Часть микроорганизмов переходят в глубокий покой, и это позволяет им пережить курс лечения, а затем может наступить рецидив, — пояснил эксперт.
Исследования ученых НИЦ «Курчатовский институт» продолжаются. Далее они планируют изучить свойства микроорганизмов, обитающих в сложных условиях Антарктиды. Во время этой работы они намерены сосредоточиться на изучении процессов внутри клетки.
