Некоторые любят погорячей

Как микробы, обитающие в кипятке и без воздуха, сделают нашу жизнь лучше

Кадельдара вулкана Узон на Камчатке — популярное место поиска термофильных микробов. Фото: Vadim Petrakov/Shutterstock

Термофильные микробы живут в таких условиях, где человек в момент бы задохнулся и сварился, и питаются совершенно несъедобными вещами. Исследуя их, ученые смогут узнать, как зарождалась жизнь на Земле, и заодно извлечь выгоду, «приспособив» микробы для переработки отходов и получения ценных белков.

Живые существа делятся на три группы: эукариоты (к ним относимся в том числе и мы), бактерии и археи. Последние две группы — одноклеточные существа, не имеющие ядра. Некоторые бактерии и археи известны своей способностью выживать в экстремальных условиях, например в горячих источниках или соленых озерах. Такие микроорганизмы — их называют экстремофилами — вероятно, больше всего напоминают первые живые клетки, появившиеся на Земле около 4 миллиардов лет назад. Поэтому они особенно интересны исследователям, так как, изучая их, они могут заглянуть в далекое прошлое и попытаться узнать, как развивалась жизнь на Земле в самом начале своего долгого пути.

Кроме того, в изучении архей есть и практический интерес. Они могут перерабатывать самые разные «несъедобные» вещества и служить источником устойчивых к нагреву белков, которые пригодятся для производства еды, тканей, моющих средств и многого другого.

Недавно микробиологи из России и Америки открыли новый род архей. Этот микроб живет в горячих источниках в кальдере (котловине) вулкана Узон на Камчатке. Лучше всего он чувствует себя при температуре 84 градуса по Цельсию и в лабораторных условиях питается дрожжевым и мясным экстрактом и целлюлозой. В процессе роста экстремофил производит углекислоту, соли и эфиры уксусной кислоты, водород. Результаты работы опубликованы в International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology.

Как ученые исследуют микробов-экстремалов, какую роль они выполняют в природе и что случится, если они вдруг исчезнут, «Чердаку» рассказала один из авторов работы Татьяна Кочеткова, научный сотрудник Лаборатории гипертермофильных микробных сообществ Института микробиологии РАН.

— Как и где вы ищете новые виды архей?

— Наша лаборатория занимается исследованиями термофильных микробных сообществ. Соответственно, полигоном для поиска новых архей или бактерий служат природные места обитания, где температура выше 45 градусов по Цельсию. Это всегда очень экзотические места. Прежде всего, наземные горячие источники. Наша любимая «выездная» лаборатория — это Камчатка с ее многочисленными термальными источниками.

Во вторую группу можно отнести морские гидротермы — прибрежные и глубоководные источники горячей воды, поступающей из недр Земли. Сотрудники нашей лаборатории часто принимают участие в международных рейсах в районы разлома океанических плит, где много глубоководных вулканов, известных как «черные курильщики». Отбор проб в таких местах проводится на глубине 600—2500 метров ниже уровня моря — это весьма непростое занятие.

Также очень интересно искать микроорганизмы под землей, на глубине 1500—3000 метров, где пластовые воды и породы нагреваются из-за соседства с магмой. Подобные места еще менее доступны для исследования, чем глубины океана. Здесь ученые могут работать лишь на участках, где проводятся промышленные бурения.

— Как «главным героям» вашей статьи удается жить при столь высоких температурах?

— Это очень сложный вопрос, достойный отдельной статьи. Если вкратце, то нашим «главным героям» — термофилам — это удается за счет термостабильных белков и ферментов. Они продолжают активно работать при таких высоких температурах, при которых у других организмов большинство белков утрачивают структуру и не могут выполнять своих функций. Благодаря такой стойкости термофилов, их можно использовать в биотехнологии.

Кроме того, термофилам помогает выживать особый состав клеточных мембран. В целом эти археи обладают большим количеством адаптационных механизмов, помогающих им жить практически в кипящей воде и даже при еще более высоких температурах.

— Чем они питаются в естественных условиях?

— По количеству разлагаемых субстратов прокариоты (одноклеточные организмы без клеточного ядра) — чемпионы среди всех живых существ. В горячих источниках термофилы утилизируют все! От простых газов, таких как водород, сероводород, метан, углекислый и угарный газы и так далее, до сложных биополимеров — целлюлозы, перьев, крахмала. Причем зачастую они совершенно не нуждаются в кислороде. В отличие от нас, людей, которые могут получать энергию только из органического вещества и только с использованием кислорода.

— Как они влияют на свою среду обитания и на другие живые организмы? Что будет, если, например, убрать из горячих источников живущих в них термофилов?

— Современные гидротермы рассматриваются учеными как модели древнейших экосистем. Если совсем простым языком говорить, то считается, что именно термофильные сообщества в далекие-далекие времена создали условия для развития более сложных форм жизни.

Если пофантазировать и представить, что термофилов убрали из горячих источников, то, скорее всего, очень скоро воздух в этих районах наполнится не совсем полезными для дыхания газами (водородом, метаном, сероводородом, окисью и двуокисью углерода, сернистым газом и прочими), и находиться в таких местах станет опасно для жизни. А также за очень короткий промежуток времени подобные источники зарастут и превратятся в котлы с кипящей органической кашей, которая, как в сказке, начнет выкипать и расползаться по окрестностям.

— Что ученым интереснее всего было бы узнать про них?

— Тут есть два интересных направления. Первое — чем термофилы могут быть полезны нам. Тут как раз находят применения многочисленные термостабильные белки, использование которых в биотехнологии ускоряет процессы, увеличивает экономическую выгоду по сравнению с использование мезофильных белков, которые работают лишь при умеренных температурах (20—40 градусов).

И второе, и на мой взгляд, более захватывающее, — это исследование мира, который очень мало известен человеку. Термофильные археи и бактерии являются старейшими живыми существами на нашей планете, и поэтому исследование их разнообразия, разнообразия их метаболизма помогает нам рисовать картину прошлого.
Теги:

Читать еще на Чердаке: