Как некоторые микроорганизмы приспособились к существованию на термодинамическом пределе жизни?И можно ли использовать эти механизмы, чтобы перерабатывать, например, промышленные газы в полезные вещества? В продолжении интервью объединённой редакции проектов «Индикатор» и InScience.News руководитель лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН Евгений Фролов рассказывает об энергетической экономии микробов, поиске новых ацетогенных бактерий и ферментах, которые интересуют самые разные предприятия – от аграрных до нефтедобывающих.
– Среди направлений вашей лаборатории – новые таксоны прокариот, протеолитические ферменты, карбоксидотрофия, железоредукция, биогаз, биотопливо. Как эти, на первый взгляд разные, темы соединяются в одну научную картину? Справедливо ли утверждать, что их связывает вопрос о том, как клетка получает и запасает энергию в экстремальных условиях?
– Мы проводим комплексное и всестороннее исследование биологии экстремофильных микроорганизмов. Оно включает в себя изучение их биоразнообразия, экологии, уникальных метаболических путей, а также оценку возможностей практического применения этих знаний.
| Работая с самыми разными штаммами, мы ищем как различия между отдельными группами экстремофилов, так и общие для них эволюционные решения. Именно на молекулярном уровне нам удаётся выявить наиболее фундаментальные закономерности, которые позволяют клеткам не просто выживать, а процветать в экстремальных условиях.
И механизмы трансформации и запасания энергии – будь то брожение, сульфатредукция, ацетогенез, железоредукция или работа ферментов – это ключевой элемент адаптации. Разгадав эти природные механизмы, мы получаем ключ к прикладным технологиям: от создания эффективных микробных топливных элементов и расщепления сложных полимерных соединений до получения биотоплива.
Таким образом, вы абсолютно правы: именно исследование метаболических процессов в клетке служит тем самым стержнем, который объединяет все наши проекты в единую научную картину. |
Экспедиция на полуострове Камчатка. Кальдера Узон, 2021 год. Слева направо: Татьяна Кочеткова, Евгений Фролов, |
– Одно из направлений лаборатории связано с ацетогенными бактериями, способными использовать угарный газ. Почему для них CO – не яд, а почти «топливо»? Можно ли с их помощью перерабатывать синтез-газ, промышленные выбросы или другие углеродсодержащие отходы в полезные продукты?
– Ацетогенные бактерии сегодня – одна из самых перспективных групп в промышленной биотехнологии, поскольку они обладают уникальной способностью ферментировать синтез-газ с образованием полезных химических соединений.
С одной стороны, эта технология уже выходит из стен лабораторий на заводы. Самый успешный мировой пример здесь – история компании LanzaTech, которая научилась трансформировать отходящие газы металлургических производств в этанол.
Но, с другой стороны, сейчас перед индустрией встал новый вызов: рынку требуется получать из синтез-газа более сложные и восстановленные соединения, чем обычный спирт, – например, бутират, бутанол, гексанол, аминокислоты и другие ценные вещества.
Учёные во всём мире провели колоссальную биоинженерную работу по созданию таких штаммов-продуцентов, но долгое время они не имели коммерческого значения из-за крайне низкой скорости роста и мизерного выхода целевого продукта.
Почему так происходит? Дело в том, что ацетогены в процессе эволюции приспособились к существованию на так называемом термодинамическом пределе жизни. Они умудряются извлекать энергию там, где другие микроорганизмы просто погибли бы от голода.
Однако за такую суперспособность им приходится платить: их внутренний «двигатель» оптимизирован под жесточайший дефицит ресурсов, и они физически не могут генерировать много энергии, даже когда её вокруг в избытке. А без свободной энергии клетка не способна синтезировать сложные молекулы.
Именно этот тупик привёл мировое научное сообщество к необходимости искать новые, ещё неизвестные науке ацетогенные бактерии с принципиально иными механизмами запасания энергии. Как часто пишут в высокорейтинговых статьях, возникла острая потребность в исследовании «скрытого метаболического потенциала» ацетогенов. А поиск скрытого потенциала и открытие уникальных метаболических путей – это как раз то, что наша лаборатория умеет делать на мировом уровне.
– Вы исследуете, как прокариоты запасают энергию в условиях, близких к термодинамическим пределам жизни. Как микроб умудряется «сводить энергетический баланс», когда энергии почти не осталось? Может ли изучение таких систем изменить наше представление о границах возможного для жизни в целом и человека в частности?
– Эта тема является традиционной для нашей лаборатории. Она не сводится только к ацетогенам и была начата ещё под руководством Елизаветы Александровны Бонч-Осмоловской.
 Сотрудники лаборатории на Российском конгрессе по медицинской микробиологии и инфектологии в Москве, 2026 год.
В центре – Елизавета Александровна Бонч-Осмоловская |
Тогда команде наших исследователей совместно с южнокорейскими коллегами удалось на примере гипертермофильных архей рода Thermococcus описать уникальный процесс гидрогенотрофной формиатотрофии. Полученные результаты были опубликованы в журнале Nature – это предмет нашей огромной гордости.
Как же микроб умудряется «сводить баланс»? Секрет его выживания кроется в уникальных мембранных ферментативных комплексах. Они работают как невероятно чувствительные наномашины: микроб берёт простейшие химические реакции, которые дают ничтожно мало энергии, и за счёт каскада ферментов умудряется конвертировать этот мизер в универсальную энергетическую валюту клетки – трансмембранный ионный потенциал, а затем и в молекулу АТФ. Это тончайшая ювелирная работа на молекулярном уровне.
Подобные исследования фундаментально расширяют наше понимание границ возможного для жизни в целом. Они доказывают, что живые системы способны осваивать экологические ниши, которые долгое время считались абсолютно стерильными и непригодными для существования. Кроме того, понимание этих механизмов даёт нам базу для разработки принципиально новых биотехнологий. |
Эта тематика сегодня невероятно актуальна во всём мире. Совсем недавно я вернулся с международного конгресса EXTREMOPHILES 2026 в Южной Корее, где вопросы метаболизма ацетогенов, а также гидрогеногенных карбоксидо- и формиатотрофов были в центре внимания мирового научного сообщества. И нам приятно осознавать, что наша лаборатория движется в едином ритме с глобальной наукой.
– Какой проект или исследование наиболее интересны вам лично? Что бы вы хотели исследовать больше и для чего?
| – Меня больше всего привлекает изучение различных метаболических путей, ведь именно они лежат в основе глубокого понимания физиологии живой клетки. Это то, чему я посвятил большую часть своего научного пути.
Сначала это была сульфатредукция у архей – результаты этой работы нам удалось опубликовать в журнале Nature Microbiology. Затем мы исследовали трансальдолазный вариант цикла Кальвина у термофильных бактерий, и эта статья вышла в престижном журнале PNAS.
На данный же момент я целиком погружён в наш новый проект по ацетогенам, а также в разработку молекулярно-генетических инструментов для их модификации. Уверен, что мои ближайшие годы будут посвящены именно этой теме.
Нам предстоит не просто заглянуть вглубь фундаментальных процессов, но и создать прикладную платформу, которая сможет превратить эти уникальные бактерии в эффективный инструмент для промышленной биотехнологии. |
 Евгений Николаевич Фролов, 2024 год |
– Экстремофилы интересны биотехнологам зачастую из-за своих экстремозимов – ферментов, работающих там, где обычные белки быстро теряют форму и активность. Какие ферменты или биохимические процессы из ваших исследований кажутся сейчас наиболее перспективными: переработка сложного сырья, получение водорода и метана, биокатализ при высокой температуре, что-то ещё?
– Чтобы определить наибольшую перспективность того или иного направления, лучше всего ориентироваться на прямые запросы из реального сектора экономики. Сегодня к нам поступает больше всего обращений на поиск новых микроорганизмов-гидролитиков и продуцируемых ими ферментов – гидролаз. Бизнес крайне заинтересован, например, в технологиях гидролиза сложных полимерных соединений, которые способны поглощать и связывать колоссальные объёмы воды (речь идёт о камедях, хитозане и их химически модифицированных аналогах).
Такие полимеры сегодня нарасхват в самых разных отраслях. С одной стороны, это компании из агросектора, производящие влагоудерживающие добавки для растениеводства. С другой стороны – нефтедобывающие компании, использующие эти соединения в технологиях гидроразрыва пласта.
Но перед тем, как внедрять такие полимеры в практику, бизнесу критически важно понимать: смогут ли эти соединения затем безопасно разложиться в природе? Именно с этой задачей они и приходят к нам.
Кроме того, есть очень специфический, но экономически важный запрос от животноводческих комплексов – это переработка свиной щетины, которая сегодня остаётся фактически единственным крупным неутилизируемым отходом в свиноводстве. Так что, если отвечать на ваш вопрос, именно гидролазы – это те ферменты, на которые прямо сейчас существует колоссальный промышленный спрос.
– Какой вы видите лабораторию метаболизма экстремофильных прокариот через 10–15 лет? Она будет прежде всего открывать новые формы жизни, расшифровывать необычные энергетические механизмы или создавать штаммы для промышленной биотехнологии?
– Начну с известной фразы великого Луи Пастера: «Нет науки фундаментальной и прикладной – есть наука и её применения, связанные между собой как плод с деревом, которое его принесло».
Поэтому через 10–15 лет я вижу нашу лабораторию гармонично развивающейся в обоих направлениях. Мы обязательно продолжим фундаментальные исследования биоразнообразия, «охотясь» за новыми, ранее неизвестными таксонами экстремофилов, изучая их экологию и метаболизм.
 Сотрудники лаборатории метаболизма экстремофильныхпрокариот на Российском микробиологическом конгрессе в Волгограде, 2025 год |
Это имеет колоссальное значение, ведь у нас накоплен огромный кадровый и методический потенциал: наши сотрудники умеют работать со сложнокультивируемыми микроорганизмами. Таких специалистов во всём мире единицы, а в некоторых узких направлениях уникальными компетенциями обладаем только мы.
Но при этом мы не отказываемся и от практически значимых исследований, актуальность которых в наше время перемен возрастает с огромной скоростью. Мы активно развиваем и продолжим масштабировать такие прикладные направления, как микробная ферментация синтез-газа, микробный и ферментативный гидролиз полимерных соединений, микробные топливные элементы, поиск новых антимикробных соединений и биокальцинирование.
Кроме того, мы занимаемся мониторингом рекреационной нагрузки на туристические объекты и микробиологическим мониторингом качества минеральных вод. А совсем недавно у нас стартовало перспективное сотрудничество с медиками по изучению архей человека – это совершенно новая и захватывающая страница нашей работы. В общем и целом, наших идей и научных планов хватит на гораздо больший срок, чем ближайшие 10–15 лет! |