Текст уведомления здесь

Чемпионы по выживаемости

Елизавета Бонч-Осмоловская — о гипертермофильных бактериях

Доктор биологических наук, член-корреспондент РАН Елизавета Бонч-Осмоловская — один из новых членов Совета по науке при Министерстве образования и науки. «Чердак» поговорил с ней о том, почему интересно изучать микроорганизмы, научившиеся выживать при высоких температурах в отсутствие кислорода и органических веществ. Герой нашего интервью -зав. отделом биологии экстремофильных микроорганизмов и зам. директора Федерального исследовательского центра биотехнологии РАН.
Добавить в закладки
Комментарии

— Вы занимаетесь темой, объединяющей и прошлое Земли, и, возможно, будущее обнаружение жизни на экзопланетах, — гипертермофильными бактериями. Расскажите, что нового удалось узнать в этой области науки? Над чем вы сейчас работаете?

— Активные исследования микроорганизмов, обитающих в природных термальных местах обитания, начались довольно давно. Первые работы появились еще в 70-е годы XX века, а бум пришелся на конец 80-х — начало 90-х. Бурный интерес к этой теме был связан с тем, что оказалось, микробные сообщества, обитающие там, совершенно особенные. Термофильные микроорганизмы были давно известны, казалось, что они есть везде, растут при температуре 59−60 °С и более-менее совпадают с обычными микроорганизмами.

Но когда посмотрели, какие микробы живут в горячих источниках и вулканах, то оказалось, что там температуры, при которых микроорганизмы развиваются, гораздо выше ожидаемых. Существуют даже так называемые гипертермофильные микробы, которые растут при очень высоких температурах: в наземных источниках — чуть ниже 100 °С, а в подводных вулканах даже выше 100 °С, так как там вода при высоких температурах находится в жидком состоянии из-за давления столба воды.

Оказалось, что микроорганизмы в этих сообществах очень разнообразны, а в качестве источников энергии для роста они используют неорганические субстраты вулканического происхождения. Нам и многим другим исследователям всегда хотелось знать, можно ли найти такое место на Земле, которое будет совершенно независимо от современной биосферы, чтобы все было как в древности, когда не было кислорода и органических веществ. Где основными продуцентами органического вещества являются микроорганизмы, использующие энергию неорганических соединения для своего роста, построения своих клеток, а вместо кислорода использующие другие, тоже неорганические, но окисленные соединения. Энергетическими субстратами (источниками энергии) у них могли бы быть водород, сероводород, элементная сера, а окислителями — нитрат, сульфат, оксиды металлов, даже углекислота.

Оказалось, что такие микробы есть, их целый «зоопарк», и мы находим все новые сочетания веществ, которые используются как источники энергии и окислители. Если млекопитающие или растения при всем великом разнообразии форм имеют одинаковый метаболизм, то у микробов форма почти одинаковая — палочки, шарики, спиральки, но зато у них великое разнообразие метаболизма. И все это разнообразие мы находим в горячих источниках.

24 апреля 1985 г. Старший научный сотрудник Института вулканологии Геннадий Карпов (третий слева) с членами московской экспедиции (слева направо): старшим научным сотрудником МГУ Алевтиной Мевх, младшим научным сотрудником Института микробиологии Елизаветой Бонч-Осмоловской и профессором МГУ Сергеем Варфоломеевым. Фото: Вайнштейн Игорь/Фотохроника ТАСС

24 апреля 1985 г. Старший научный сотрудник Института вулканологии Геннадий Карпов (третий слева) с членами московской экспедиции (слева направо): старшим научным сотрудником МГУ Алевтиной Мевх, младшим научным сотрудником Института микробиологии Елизаветой Бонч-Осмоловской и профессором МГУ Сергеем Варфоломеевым. Фото: Вайнштейн Игорь/Фотохроника ТАСС

Наша область исследований крайне интересна и связана с восхитительными экспедициями на Камчатку, на морские вулканы, на Курильские острова, на Байкал. Наверное, поэтому у нас в отделе так много молодежи, которая никуда не хочет из России уезжать. Мои молодые коллеги прошлым летом организовали экспедицию на новые, неизведанные горячие источники на Чукотке, где совершенно другие условия, другие доноры электронов, и сейчас занимаются описанием микроорганизмов, которые там обитают.

В течение 20 лет термофильные микроорганизмы были темой работы моей лаборатории, причем мы искали микробов с новыми типами энергического обмена. Нашли, например, такие, которые используют для жизни оксид углерода (угарный газ), а это страшный яд для всех высших организмов. Оксид углерода окисляется до двуокиси углерода, при этом кислород берется из воды, а водород освобождается. И микробы прекрасно живут за счет этой фантастической реакции.

Другой нашей задачей был поиск новых групп микроорганизмов, глубоких филогенетических линий, которые давно обособились и эволюционировали независимо друг от друга.

Нам всегда хотелось сделать какую-то прикладную работу со своими микробами, и в 90-е годы нам это удавалось. Тогда у молекулярной биологии была большая потребность в термостабильных ДНК-полимеразах. Дело в том, что любое распознавание генетического материала где угодно — в природе, в медицине, в криминалистике — держится на полимеразной цепной реакции. А для нее нужны термостабильные ферменты, которые выдерживают нагревание, так что наши микробы были нужны. Сейчас мы снова находимся в поисках каких-то способов применения ферментов наших микробов, потому что есть много областей, где востребована термостабильность.

— В одном из интервью вы говорили о том, что ваш учитель, Заварзин, работал над какой-то матрицей бактерий. Скажите, может ли быть построена таблица типа таблицы Менделеева, только для бактерий? И по ней, например, описать и предсказать какие-то будущие бактерии?

— Я очень часто вспоминаю эту работу Георгия Александровича Заварзина, она называлась «Фенотипическая систематика бактерий: пространство логических возможностей». Он там пишет о том, что у микроорганизмов могут быть любые сочетания энергетического субстрата и окислителя, кроме тех, что запрещены термодинамикой.

В отличие от растений и животных у микроорганизмов огромное разнообразие таких сочетаний, даже можно сказать, что они — «бросовый материал» эволюции, потому что жизнь пробовала на них новые и новые сочетания. В результате кислородное дыхание оказалось настолько эффективнее всего остального, что эволюция устремилась по этому пути. А микробы, использующие для жизни неорганические соединения, остались в таком виде, в каком они были миллиарды лет назад.

И если все, что не запрещено термодинамически, существует, значит, мы просто пока этого не нашли. Это такая великая детективная история: мы пытаемся найти какие-то новые процессы с новыми донорами и акцепторами электрона и иногда находим.

Фото предоставлено Елизаветой Бонч-Осмоловской

Фото предоставлено Елизаветой Бонч-Осмоловской

— Но какую-то систему пока предсказать трудно?

— Систематика у микробов основана совершенно на других принципах. Ясно, что у высших существ эволюция шла от простого к сложному. Это видно по устройству их тел, и так всегда строились эволюционные деревья, во всяком случае, до относительно недавнего времени. У микробов же совершенно непонятно, какой признак важнее и как шла эволюция. Тот признак, который нам кажется важным, на самом деле с эволюционной точки зрения может оказаться не очень значительным, обуславливающие его гены могут передаваться от одного вида к другому (так называемый латеральный перенос генов).

До поры до времени «древо жизни» микроорганизмов было, скорее, похоже на куст без корня, с ветками, торчащими во все стороны, или даже на сетку. Но потом была придумана филогенетическая система (основанная на филогении, т.е. «показывающая происхождение», что от чего произошло). Придумал ее американский микробиолог Карл Вёзе (Carl Woese). Научное сообщество не сразу ее признало, но постепенно эта система завоевала мир.

Она основана на том, что сравниваются определенные, консервативные кусочки генома, имеющиеся у всех микробов, мутации в которых происходили случайно и с известной частотой. Так что, если мы посмотрим у двух организмов количество мутаций, по которым они различаются, мы поймем, насколько давно они разделились, насколько давно эти две ветки разошлись. Так строится это дерево жизни.

Использование этого подхода дало совершенно потрясающие результаты. Еще когда я была в аспирантуре, в 1977 году, было объявлено об открытии архебактерий, которых потом назвали археями. Оказалось, что определенные микроорганизмы отделились от бактерий так давно, что так же сильно отличаются от бактерий, как и те и другие отличаются от ядерных организмов (эукариот), то есть от остального живого мира.

Так строилось это филогенетическое дерево и потом подтвердилось очень многими другими признаками. Подход Вёзе дал в руки микробиологов колоссальный инструмент, так как оказалось, что этот консервативный участочек генома можно извлекать прямо из природной среды и по нему делать выводы, что за микроб, от кого он произошел. Уже накоплены огромные базы данных, и все, что мы находим, расположено на этих «деревьях».

Таким образом были описаны совершенно новые группы микробов. А теперь уже научились секвенировать их полные геномы, соединять их, анализировать и делать описание микробов, которых никто никогда не держал в руках. То есть описание чисто виртуальное, без всякого лабораторного культивирования.

Микробиология переживает сейчас очень мощную встряску, это уже совершенно другая наука, чем та, в которой я начинала работать. И Первый микробиологический конгресс, который прошел в России этим летом, показал, что российские ученые владеют многими методами и делают работы мирового класса, причем в сочетании классической микробиологии и новых методов.

— А что делают эти гипертермофильные бактерии, когда становится холодно? Бывает, что они попадают в ситуацию, когда им холодно?

— Конечно. Особенно в подводных морских вулканах, которые находятся на большой глубине. Там же все время идет перемешивание потоков воды, и из горячих зон микробы попадают в холодные. Все внутриклеточные процессы в них замирают, и эти микроорганизмы могут очень долго храниться в безжизненном состоянии, а потом потоками течения их приносит в другие подводные вулканы и там они снова начинают жить. Кстати, очень интересно то, что похожие микробы живут на глубине под землей, там, где когда-то было древнее море, может быть очень горячее. Постепенно оно остыло, но морские отложения опустились вниз, на глубину 2−3 километра, и там при температуре 80—90 °С снова стали развиваться гипертермофилы, питаясь органическим веществом из этих же осадков.

— Как вам кажется, есть ли жизнь на других планетах? Найдем мы когда-нибудь что-то?

— Не знаю. Если честно, мне кажется, что нет. Мне кажется, что Земля уникальна, что жизнь на нашей планете — совершенно удивительное стечение обстоятельств. Но при этом микробы, которых мы исследуем, это идеальные кандидаты на то, чтобы жить на других планетах. Ведь им не нужна ни кислородная атмосфера, им не нужно жить на поверхности суши, где нет атмосферы и нет озонового слоя, а есть только жесткий ультрафиолет, разрушающий ДНК. Наши микробы могут жить на глубине, питаться неорганическими субстратами и использовать иные, чем кислород, окислители. Им самое место на какой-нибудь другой планете. Конечно, я буду очень рада, если на других планетах найдут жизнь, это будет совершенно поразительно, но мне кажется, что шансов маловато.

— А можно себе представить жизнь без воды?

— Жизнь без воды мне трудно себе представить, кажется, что это будет нечто совершенно невообразимое. Но здесь нужно быть очень хорошим химиком, чтобы все это себе смоделировать. Я уверена, что такие гипотезы есть. И, может быть, такая жизнь есть во Вселенной.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Чьи гены?

Научный взгляд на телегонию: чего ждать, если ваша бабушка «согрешила с водолазом»

Телегония — наследование ребенком признаков от предыдущих партнеров матери — относится к темам, которые не принято обсуждать вслух. Считается, что и так все понятно. Но при ближайшем рассмотрении оказывается, что каждому «понятно» что-то свое. Вооружившись проверенными источниками и здравым смыслом, мы попробуем свести разные представления о телегонии к общему (рациональному) знаменателю и выслушаем современную науку, которой внезапно тоже есть, что сказать нового по этому поводу.
Добавить в закладки
Комментарии

Для начала договоримся о терминах. Удивительно, но уже здесь нет единства: по результатам запроса в Яндексе мы видим, что разнообразные источники телегонию называют «наукой», «концепцией», «тайной человечества» и даже «инструментом совершенствования биологического вида». Мы остановимся на «классическом» варианте, который предполагает, что предыдущий половой партнер матери может как-то влиять на ее потомство от последующего. Поясним сразу, что нас интересуют не этические аспекты этого вопроса, а только физиологические и молекулярные механизмы.

Взлет и падение

Датой рождения телегонии как понятия можно считать 1868 год, когда Чарльз Дарвин (да-да, и этот фундамент тоже заложил он) в своей книге «Изменение животных и растений в домашнем состоянии» привел разнообразные свидетельства этого явления. Большинство из них представляли собой рассказы «очевидцев», полученные Дарвином через третьи руки, и поэтому научным аргументом являться не могли. Единственным задокументированным случаем, вошедшим с тех пор во все популярные тексты, остается история кобылы лорда Мортона. Если коротко, кобыла арабских и английских кровей была случена с кваггой (ныне истребленный подвид зебры) и принесла потомство с характерными полосками. В следующий раз, уже от самца своей породы, она снова принесла жеребят, внешне напоминавших кваггу. Ситуация повторилась и через восемь лет: в отсутствие жеребца-квагги опять родились полосатые дети.

Жеребенок — гибрид зебры и лошади. Фото из книги Джеймса Юарта The Penycuik experiments
Жеребенок — гибрид зебры и лошади. Фото из книги Джеймса Юарта The Penycuik experiments

[ ... ]
Читать полностью

Неизбежность хиггса

К пятилетию открытия хиггсовского бозона

Об открытии бозона Хиггса объявили на пресс-конференции в ЦЕРНе 4 июля 2012 года. Сам «именинник» — физик Питер Хиггс — тоже участвовал в мероприятии и растроганно заявил, что не ожидал экспериментального подтверждения своей теории при жизни. На следующий же год Хиггс вместе с бельгийцем Франсуа Энглером получил за свое предсказание частицы (в 1964 году) Нобелевскую премию по физике.
Добавить в закладки
Комментарии

Ради хиггса на Земле

Самая дорогая за всю историю, самая мощная и самая высокотехнологичная научная установка — Большой адронный коллайдер, впервые запущенный 10 сентября 2008 года, — оказалась прочно связана с поисками, открытием и дальнейшим изучением вожделенного бозона Хиггса. Разумеется, у БАКа есть и другие достижения, но в глазах публики и даже у специалистов они меркнут в свете основной задачи. В сущности, сама ситуация с величайшей и сверхдорогой установкой, созданной специалистами разных стран для поиска лишь одной частицы, не обещавшей немедленных «гор хлеба и бездны могущества», по-своему уникальна.

Между тем бозон Хиггса своим рождением обязан слишком придирчивым рецензентам. Изначально речь шла о так называемом хиггсовском поле, благодаря которому некоторые частицы (кварки, лептоны) приобретают массу, другие же остаются безмассовыми (фотоны). Хиггс придумал механизм (каким образом все элементарные частицы приобретают массу), носящий теперь его имя, во время горной прогулки в районе Эдинбурга. До него на схожую тему размышляли множество других теоретиков. Когда статья Хиггса поступила в журнал Physical Review Letters, ее отклонили по формальным причинам — из-за отсутствия возможности экспериментальной проверки каких-либо новых предсказанных эффектов. Тогда Хиггс добавил в статью упоминание о существовании одного или нескольких массивных скалярных бозонов, связанных с постулируемым полем (если есть частица, то ее можно обнаружить, то есть экспериментальная проверка становится возможной). Так впервые и возник бозон Хиггса (Higgs boson, или просто хиггс).

Чтобы понять, что именно придумал Хиггс, необходимо представлять себе суть так называемых калибровочных преобразований, впервые упомянутых еще в позапрошлом веке в работах Хендрика Лоренца (применительно к электромагнитным полям). Требование калибровочной инвариантности (своего рода форма записи законов сохранения — иначе говоря, «симметрий») принадлежит к числу основных положений физики элементарных частиц. Именно через калибровочную инвариантность в так называемой Стандартной модели элементарных частиц описываются электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. [ ... ]

Читать полностью

Формула любви

Существуют ли человеческие феромоны? (Возможно, но толку от них в любви мало)

Создатели недешевого парфюма и глянцевые журналы наперебой убеждают в существовании и несомненной эффективности этих почти что легендарных веществ. По их мнению, несколько капель духов с синтетическими феромонами обеспечат несомненную привлекательность в глазах противоположного пола. Но ученые до сих пор спорят о существовании феромонов у представителей нашего биологического вида.
Добавить в закладки
Комментарии

В сознании современного, пусть даже просвещенного человека понятие «феромон» тесно связано с половым поведением. На деле же все не совсем так: феромоны — это вещества, которые организм выделяет во внешнюю среду для передачи самых разных сообщений особям своего вида.

Cинегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa под сканирующим электронным микроскопом. Изображение: Janice Haney Carr / CDC / Public domain

Cинегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa под сканирующим электронным микроскопом. Изображение: Janice Haney Carr / CDC / Public domain

Среди разнообразных форм общения, выдуманных эволюцией, химическая коммуникация — самая древняя. Вместе с появлением первых клеток возникла и необходимость в появлении феромонов — эдаких гормонов внешнего действия, передающих сигнал собратьям по виду. Интересно, что для одноклеточных и мелких многоклеточных вроде коловраток существует физическое ограничение, делающее невозможным использование феромонов в мелкокорыстных личных целях, таких как поиск полового партнера. Их крошечный организм просто не может произвести достаточного количества вещества, которое из-за диффузии моментально растворяется в среде до неуловимых концентраций.

А вот бактериальные колонии, состоящие из миллиардов клеток, уже вовсю применяют химические вещества для формирования чувства кворума. Строго говоря, эти вещества можно назвать феромонами, хотя такая терминология используется не часто. Механизм выработки чувства кворума похож на народный референдум и нужен для принятия особо судьбоносных для бактериальной популяции решений. Как только концентрация сигнального вещества, выделяемого отдельными клетками, достигает определенного предела, колония синхронно переходит к какому-нибудь важному действию. Например, к образованию устойчивых к действию иммунной системы хозяина биопленок и массированной атаке на его организм. Так поступает синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa, колонизируя наши легкие при бактериальной пневмонии. [ ... ]

Читать полностью