Влияние микробов на жизнь человека огромно:они осуществляют
важнейшие для биосферы Земли химические реакции, участвуют в
производстве пищи (причем поставляют важные вещества, которые
человек не может синтезировать самостоятельно), защищают нас от
вредных микроорганизмов. Но кроме этого, микробы вызывают
заболевания, размножаются в продуктах питания и выделяют токсины. О
современных исследованиях в области микробиологии, разных группах
микробов и их необычных способностях комьюнити-менеджер ПостНауки
Кристина Чернова поговорила с микробиологом Елизаветой
Бонч-Осмоловской.Микробное разнообразие Сколько видов бактерий
известно науке? Сложно сказать. Описаны и охарактеризованы десятки
тысяч бактерий,но на самом деле их гораздо больше. С применением
новых молекулярных методов стало ясно, что в лабораторных культурах
(то есть таких, где микробы размножаются в искусственных условиях.
Прим. ред.) известна лишь небольшая часть микроорганизмов. С одной
стороны, это большое разочарование, сдругой микробиологам есть над
чем работать. Какие микробы наиболее интересны: подводные,
наземныеили те, которые живут внутри нас? Сегодня главная задача в
микробиологии описание функций некультивируемых микроорганизмов и
определение их положения на микробном древе жизни. Мы не можем
исследовать их в лаборатории мокрыми методами (работой с
биологическим материалом, различнымихимическими веществами и так
далее, в колбах и пробирках. Прим. ред.). Ученые исследуют
некультивируемые микроорганизмы, анализируя их геномы,
собираемыеанализом природных образцов ДНК. Таким способом описано
уже достаточно много микробов с разнообразными и интересными
свойствами. Им дают имя и фамилию род и вид и прибавляют слово
Candidatus.Второе важное и новое фундаментальное направление в
микробиологии изучение микробиома людей и других позвоночных, да и
беспозвоночных тоже. Ученые находят разнообразные связи между
микробами и организмом хозяина, вплоть до того, что микроорганизмы
влияют на нашу нервную систему, настроение и поведение. Вот,
например, исследователи провели опыты с мышами: одной группе в
кишечник внедрили популяцию молочнокислых бактерий, другой нет,и
первая группа оказалась гораздо энергичнее, активнееи
смекалистее.Cейчас ведутся интересныеприкладные исследования.
Например, есть микроорганизмы, которые, окисляя различные
субстраты, органические и неорганические, вырабатывают
электрический ток. Или, наоборот, потребляют электричество и
синтезируют вещества, имеющие ценность для человека, так называемую
повышенную добавленную стоимость.Экстремофильные микроорганизмы Вы
изучаете экстремофильные организмы это микробы, которые выживают в
экстремальных условиях. Есть ли место на нашей планете, где они
точно не выживут? В подводных вулканах в вытекающем из них флюиде
температуры 300400 C. Самая высокая температура, при которой
известно, что микроорганизмы могут размножаться, 122 C, и они как
раз выделены из подводных вулканов. Вода при 100 C кипит и
превращается в пар, но на большой глубине, на дне океана, за счет
гидростатического давления вода, нагреваемая подводными горячими
источниками, не закипает, а остается в жидком состоянии. Поэтому
там могут жить микробы,так называемые гипертермофилы.Для
размножениямикробам нужна вода. В пустыне микроорганизмы существуют
в виде спор такая форма позволяет им переживать засуху. Как только
появляется вода, они немедленно начинают размножаться. В атмосфере
микробы тоже не могут жить из-за отсутствия воды, но там летают те
же споры. И на ледниках они ждут своего часа. Абсолютно стерильных
мест на Земле очень мало. Что представляет собой спора? Почему она
выживает в сложных условиях? Спора это замечательное изобретение
природы, мини-клетка с очень толстой стенкой. Она очень сильно
обезвожена. Все процессы в споре заторможены, клетка находится в
покое.Споры выдерживают высокие температуры, засуху, отсутствие
питательных веществ. Как только условия меняются к лучшему, они
начинают расти и размножаться. Споровых бактерий очень много, и это
составляет проблему для стерилизации, так как некоторые из них
выдерживают даже температуру 120 C. Далеко не все бактерии могут
формировать споры. Например, их не образует большая группа
безъядерных организмов археи. Хотя у них тоже существуют формы,
которые помогают переживать неблагоприятные условия.Экстремофильные
бактерии также не формируют споры. Они отлично себя чувствуют при
высоких температурах. Какие еще микроорганизмы относятся к
экстремофильным? Гипертермофилы организмы, которые не размножаются
при температуре ниже 80 C. Это особая группа, приспособленная к
жизни при высоких температурах.Ацидофилыживут в кислой
среде.Галофилыобитают в условиях очень высокой концентрации соли,
даже могут жить в насыщенном растворе NaCl, 30-процентном.
Алкалофилы живут в щелочных средах с высоким показателем pH.Такие
экстремальные места обитания существуют на Земле: горячие
источники, соленые лагуны, содовые озера. И там кипит микробная
жизнь. Почему микробы комфортно себя чувствуют при экстремальных
температурах и высоких концентрациях соли? Они к этому
приспособлены:белки экстремофилов устойчивы к температуре. Приведу
пример: мы берем яйцо, бросаем его в кипяток, и через пару минут
оно изменилось. Белок стал твердым коагулировал, изменил свою
конформацию. А экстремофилам важно сохранить конформацию
белков,чтобы они могли выполнять свои функции, например
ферментативную.Ферменты этих микробов обладают особыми свойствами:
они плотно упакованы, имеют дополнительные связи мостики, которые
удерживают их структуру.В 70-е годы ХХ века американский
исследователь Томас Брок увидел в горячих источниках
Йеллоустонского парка микробов, не похожих на обычных, которыеросли
при очень высоких температурах. Советский микробный эколог,
основатель микробной биогеохимии в России Сергей Николаевич
Кузнецов в 1953 году увидел эти микроорганизмы на Камчатке и даже
написал статью о том, что существуют микробы, растущие при 100 C.
Тогда это не получило развития, и активные исследования
термофильных микроорганизмов начались в конце XX века. Затем были
обнаружены подводные морские вулканы, и ученые выяснили, что в них
живут еще более высокотемпературные микробы. Одновременно
исследователи, которые занимаются белковой химией, анализировали
белки этих микроорганизмов и причины их невероятной стабильности.
Чем питаются такие организмы? Тем же, чем обычные микробы, которые
есть везде: они питаются органическими веществами и используют
кислород как окислитель.Помимо этого, экстремофилы, особенно те,
чтоживут в вулканах, используют энергию неорганических соединений,
а окислителем может быть не только кислород, но и другие окисленные
соединения. Такие микробы могут, например, использовать водород как
источник энергии, а в качестве окислителя серу и образовывать
сероводород как продукт своего дыхания. Мы говорили о бактериях,
которые выдерживают высокие температуры, кислотность и соленость. А
есть ли бактерии, которые могут перенести радиацию? Да, самый
известный такой микроб Deinococcus radiodurans. Гипертермофильные
археи тоже выдерживают достаточно высокую радиацию. Это связано с
наличием у них особых механизмов восстановления поврежденной ДНК.От
микроба до человека Я слышала версию, что гипертермофильные
организмы были нашими предками, первыми организмами на Земле,
которые выживали в экстремальных условиях, ичто гипотетический
общий предок LUCA(от англ. last universal common ancestor. Прим.
ред.) тоже был термофилом. Это действительно так? Или
теплыймаленький пруд все-таки ближе к истине?
Да, на эту тему спорят, проводят геномные исследования. Сейчас
ученые склоняются к тому, что первый общий предок был термофилом и
использовал неорганические соединения. Также он являлся анаэробом,
то есть рос без кислорода, потому что его не было. Использовал CO2
как источник углерода, то есть был автотрофом. Существуют растения
и бактерии фотоавтотрофы, использующие энергию света.
Хемолитоавтотрофы (от греч. камень) используют неорганические
соединения как источник энергии и неорганический углерод для
построения своего тела. Среди них есть и бактерии, и археи. LUCA
был кем-то из них. Возможно, и продуктом его жизнедеятельности был
и метанили ацетат, уксусная кислота. Существуют ли организмы,
более-менее близкие к LUCA? Остались ли еще? Конечно, современные
метаногены и ацетогены. Существуют ещемикроорганизмы, которые
используют CO, угарный газ. Это яд для всех живых существ, но не
для бактерий, которые окисляют CO до углекислоты CO2, и при этом из
воды образуется водород. Это простая реакция, которая тоже могла
происходить в древней биосфере. CO часто присутствует в
вулканических газах, а в прошлом угарного газа на Земле могло быть
гораздо больше. В начале разговора вы упомянули о микробах, которые
невозможно изучить мокрым методом в лаборатории. В 20162017 году по
фрагментам ДНК,извлеченным из глубоководных биомов, открыли группу
организмов Asgard archaea. Есть гипотеза, что они могли быть
предками эукариот, то есть нас. На что похожи Asgard archaea?
Появились ли какие-то новые сведения? Существует теория
симбиогенеза. Предполагается, что клетки эукариот произошли из
симбиоза архей и бактерий. Asgard archaea это очень большая группа
некультивируемых архей, в которую входят археиLokiarchaeotaих нашли
в глубинных осадках. Только у этого типа архей существуют гены,
известные и у эукариот ядерных организмов и необходимые для
поддержания и изменения формы клетки. Именно Lokiarchaeota являются
вероятным предком эукариот.В 2019 году была опубликована статья об
открытии японского исследователя Кена Такаи. Он впервые получил
лабораторную культуру Lokiarchaeota. Оказалось, что археи выпускают
длинные отростки, которыми как будто бы обнимают бактерию.
Микроорганизмы живут в симбиозе, их невозможно разделить. Ученые
предполагают, что древний представитель этого типа архей поглотил
бактерию, которая стала предком митохондрий в эукариотической
клетке. Проблема в том, что Lokiarchaeota очень медленно растут:
работа заняла у Кена Такаи 1011 лет. Получение лабораторной
культуры Lokiarchaeota одна из самых интересных работ 2019года. Чем
бактерии отличаются от архей? Систематика прокариот безъядерных
организмов всегда была очень трудным делом, потому что непонятно,
какие признаки главные, а какие нет. С высшими организмами все
ясно: чем сложнее, тем выше ты находишься на филогенетическом
дереве.Археи были открыты в то время, когда начались первые
геномные исследования и стало возможным медленно, с большим трудом,
но все-таки прочитывать кусочки генома. Американский микробиолог
Карл Вёзе решил, что по количеству мутаций в каком-нибудь
консервативном гене (который не меняется и есть у всех)можно
определить время, когда организмы разошлись от общего предка. Это
назвали молекулярным хронометром.Карл Вёзе проанализировал
последовательности 16S-РНК множества бактерий. При исследовании
микроорганизмов, образующих метан, ученый увидел, на эволюционном
древе они отстоят от бактерий так же далеко, как они сами и
бактерии отстоят от эукариот, то есть от всех остальных
микроорганизмов, которые мы видим невооруженным глазом.Карл Вёзе
назвал эту группу микроорганизмов археями. Некоторые из них уже
были известны задолго до этого например, метаногены, образующие
метан, и галофилы, растущие при высокой солености. Однако никто не
знал, что они археи.Потом оказалось, что археями являются
гипертермофилы и многие другие микроорганизмы. Археи отличаются
составом мембран, эукариотическим аппаратом синтеза белка имногими
другими базовыми признаками. Например, на бактерии действуют
антибиотики, а на археи нет:у них отсутствуют определенные
компоненты в клеточной стенке.Микробиом человека Существуют плохие
микробы, которые возбуждают болезни. А есть хорошие, которые
эволюционировали вместе с нами и помогают организму лучше работать.
Некоторые микробы живут в состоянии нейтралитета. Однако мы
используем антибиотики и средства гигиены, тем самым сокращаем
микробное разнообразие. В итоге появляются аллергии и аутоиммунные
заболевания. Можно ли не нарушать баланс, избирательно действовать
только на плохих микробов, а оставлять хороших? В последние
десятьлет мы поняли, что аллергия это сбой иммунной системы,
которая с детства у человека не тренируется и не встречает разные
чужеродные белки. Микроорганизмы, которые, как вы сказали,
нейтральны, не дают нежелательным микробам заселить кожу и кишечник
человека. Однако и здесь пока нет ясности.Ячитала статьи на эту
тему: ученые сделали множество анализов микробиомов кишечника
человека, пытаясь выделить кровые микроорганизмы центральную
группу, которая есть у всех людей. Оказалось, их нет. Существует
часть микроорганизмов, которые есть у некоторых людей. При этом все
очень подвижно, меняется в течение жизни и зависит от
обстоятельств, болезней, приема антибиотиков и других факторов.Тем
не менеегруппы микробов, свойственные здоровому организму,
остаются. В частности, это лактобактерии, или лактобациллы,
молочнокислые бактерии. Их еще называют пробиотиками. Я считаю, не
очень удачно: получается, что антибиотики это вещества, а
пробиотики бактерии, которые выделяют правильные антибиотики против
плохих микробов.Очень много микроорганизмов человека обитают на
коже и во рту, особенно в слизистой. Везде, где есть контакт с
внешним миром, в частности в кишечнике и всем пищеварительном
тракте,живет масса микроорганизмов, в том числе
патогенные.Изменение условий например, стресс или ослабление
иммунитета, который связан с нервной системой, может привести к
болезни, связанной с микроорганизмами. Обычно они подавлены, но
когда организм перестает бороться, то микробы расцветают и вызывают
инфекцию.Еще один важный момент:у каждого человека свои
микроорганизмы. Для одного они вполне привычны, а для другого,
особенно для ребенка, могут быть вредны. Поэтому правила гигиены
нужно соблюдать.Бактерии в космосе Предположим, что на Марсе,
Титане или Энцеладе действительно кто-то обитает. Как такие
микроорганизмы могут выглядеть? Чем они питаются? Как живут в таких
условиях? Мне, честно говоря, кажется, что на других планетах нет
микроорганизмов. Если они все-таки существуют, то микробам,
во-первых, нужна жидкая вода. Во-вторых, источник энергии,
напримерводород. В-третьих, необходим окислитель,возможноСО2,
потому что он есть везде.Кажется, на Марсе нашли биогенный метан.
Будет поразительно, если там обнаружат микроорганизмы. Жизнь очень
сложно устроена, невозможно поверить, что она одновременно возникла
в одинаковом виде в разных местах. Если ее обнаружат, причем в
земном варианте, то, скорее всего, микроорганизмы залетели
откуда-то и туда, и к нам, или от нас к ним, или от них к нам
возможно, на метеоритах. Забавно, когда читаешь новость, что нашли
на какой-то планете колебания метана. И всё! Сразу: А вдруг там
жизнь! Да, удивительно. Люди хотят найти живые существа на других
планетах, хотя бы микробов. Микроорганизмы могут выжить в космосе?
Да, могут. Мои сотрудники проводили опыт. Прикрепили снаружи
космического корабля, условно говоря, камень. В нем просверлили
дырки, залили туда культуры микробов и запечатали. Все полетело в
космос, прошло сквозь плотные слои атмосферы, где очень высокие
температуры, и вернулось обратно. После космического путешествия
выжил всего один вид микробов, но выжил. Это доказательство того,
что микроорганизмы могли прилететьна Землю в метеоритах и здесь
размножиться.Практическое применение бактерий Существует от
изучения экстремофилов польза для человекаили это исключительно
научный интерес? Устойчивость микроорганизмов к высокой температуре
используется в биотехнологии и промышленном производстве. Например,
термостабильная ДНК-зависимая полимераза бактерии Thermus aquaticus
осуществляет полимеразную цепную реакцию, происходящую при высоких
температурах. Сегодня фермент бактерии используется в том числедля
обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний; такой анализ
можно сделать практически в любой поликлинике.Другой
термостабильный фермент ксиланаза используется для отбеливания
бумаги. Это экологичная альтернатива химическим технологиям. Есть
много других применений ферментов из экстремофильных
микроорганизмов.
Например, термостабильная кератиназа разлагает птичьи перья. Ее
можно использовать для утилизации отходов птицеводства.Конечно, и
фундаментальный научный интерес всегда есть. Никогда не знаешь, что
понадобится в будущем. За вашу научную карьеру какая бактерия вас
больше всего удивила? Это произошло совсем недавно. Изучением этого
микроорганизма занималась моя коллега, геолог по
образованию.Бактериярастетв щелочной среде, ее выделили из содового
озера. Микроорганизм культивировали в присутствии ацетата (уксусная
кислота. Прим. ред.) и минерала, содержащего окисленное железо: эта
бактерия способна использовать ацетат как энергетический субстрат,
а окисленное железо как окислитель. Однако выяснилось, что бактерия
совершает и обратный процесс: окисляет двухвалентное железо до
трехвалентного. Полученные таким образом электроны направляются на
молекулу углекислоты, и из нее образуется ацетат. То есть эта
бактерия может работать в двух направлениях, в зависимости от
условий.Ученые обнаружили это, когда увидели, что количество
ацетата не уменьшается, а, наоборот, увеличивается.Эта бактерия
Geoalkalibacter ferryhydriticus прекрасный кандидат для жизни и на
древней Земле, и на Марсе. Закисное железо и углекислота есть
везде, а больше этому микроорганизму ничего не нужно. Образуется
ацетат небогатый энергией субстрат, имеющий всего два атома
углерода, но это органическое соединение.То есть из неорганики,
железистого минерала и углекислоты, которые есть везде, образуется
органика, которую уже могут использовать другие микроорганизмы.
Вырастает целое микробное сообщество.У меня на глазах произошло
потрясающее открытие, которое поможет объяснить многое,
происходившее на древней Земле, авозможно, и на других планетах.
