Ключевые слова
экстремофильные прокариоты, протеолитические ферменты, карбоксидотрофия, железоредукция, МТЭЛ

Направления исследований
1. Выделение и характеристика новых таксонов экстремофильных прокариот.

2. Микробная экология термальных мест обитания (наземные, шельфовые и глубоководные гидротермы, подземная биосфера и др.)

3. Исследование некультивируемых микроорганизмов (т.н. microbial dark matter) с применением разнообразных подходов, как включающих стадию культивирования (накопительные и чистые культуры), так и без нее (мета-омики).

4. Новые катаболические процессы/пути у микроорганизмов:

• Новые доноры, акцепторы электронов, пары донор/акцептор в т.ч. биополимеры и нерастворимые акцепторы электронов, обмен электронами с электродами (МТЭЛы).
• Новые метаболические пути.

5. Экстремофильные микроорганизмы-гидролитики.

6. Экстремофильные карбоксидотрофные микроорганизмы (использующие СО как источник энергии).

7. Экстремофильные микроорганизмы, синтезирующие биогаз и биотопливо (H2, метан, этанол и др.)

8. Экстремозимы – ферменты экстремофильных микроорганизмов:

• представляющие новые семейства
• участвующие в новых метаболических процессах
• биотехнологически ценные.

Основные методы исследований
Культивирование экстремофильных микроорганизмов и общемикробиологические методы:

• приготовление аэробных и анаэробных синтетических сред, периодическое и непрерывное культивирование при Т до 100С, высокой минерализации, низких и высоких значениях рН, малоисследованных акцепторах электронов и т.д.
• морфология клеток и мониторинг роста – световая фазово-контрастная микроскопия, флюоресцентная микроскопия, электронная микроскопия (ЦКП ФИЦ Биотехнологии РАН)
• характеристика метаболизма – ВЭЖХ, газо-жидкостная хроматография, спектрофотометрия
• приготовление образцов для полногеномного секвенирования микроорганизмов

Методы характеристики микробных сообществ:

• выделение ДНК и РНК из природных сообществ и накопительных культур
• ПЦР-ДГГЭ генов 16S рРНК и функциональных генов
• приготовление библиотек для высокопроизводительного секвенирования
• приготовление образцов для транскриптомного анализа (все стадии до секвенирования), RT-PCR
• флуоресцентная гибридизация in situ (FISH, CARD-FISH)
• исследования минеральных фаз методами сканирующей электронной микроскопии, рентгеноспектрального анализа, инфракрасной спектроскопии, Мёссбауэровской спектроскопии

Биоинформатические методы:

• определение филогенетического положения новых изолятов
• анализ распределения таксонов в микробных сообществах природных мест обитания, микробных консорциумов и накопительных культур
• методы сравнительной геномики для in silico реконструкции метаболизма новых экстремофильных микроорганизмов в чистых культурах и сообществах
• разработка и применение ПЦР-праймеров и зондов различной таксон-специфичности для анализа микробных сообществ

Работа с белками:

• клонирование и экспрессия функциональных генов в E. coli (Arctic RP, Arctic RIL, BL21)
• очистка рекомбинантных белков с использованием никель-афинной хроматографии, ионообменной и др. типов жидкостной хроматографии
• определение ферментативных активностей с помощью качественных (ПААГ электрофорез зимография, чашки Петри/планшеты с различными носителями и субстратами) и количественных (спектрофотометрия) методов

Краткая история лаборатории
Лаборатория была создана в феврале 2017 года после структурного преобразования Лаборатории гипертермофильных микробных сообществ в Отдел биологии экстремофилов (руководитель член-корр. РАН, д.б.н. Е.А. Бонч-Осмоловская). Руководителем лаборатории стал к.б.н. Кубланов Илья Валерьевич. В состав лаборатории на момент её создания входили один доктор наук, 11 кандидатов наук, включая руководителя, 3 аспиранта. Средний возраст лаборатории на 2017 г. составлял 37 лет, средний индекс h для сотрудников был равен 11. В 2023 году руководителем лаборатории стал к.б.н. Фролов Евгений Николаевич.

СОСТАВ ЛАБОРАТОРИИ

ЗНАЧИМЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

2022

• Podosokorskaya OA, Elcheninov AG, Novikov AA, Kublanov IV. Fontivita pretiosa gen. nov., sp. nov., a thermophilic planctomycete of the order Tepidisphaerales from a hot spring of Baikal lake region. Syst Appl Microbiol. 2022 Nov;45(6):126375. doi: 10.1016/j.syapm.2022.126375.
• Kochetkova, T.V., Podosokorskaya, O.A., Elcheninov, A.G. et al. Diversity of Thermophilic Prokaryotes Inhabiting Russian Natural Hot Springs. Microbiology. 2022 91:1–27. doi: 10.1134/S0026261722010064.
• Gavrilov, S.N., Potapov, E.G., Prokof’eva, M.I. et al. Diversity of Novel Uncultured Prokaryotes in Microbial Communities of the Yessentukskoye Underground Mineral Water Deposit. Microbiology. 2022 91:28–44. doi: 10.1134/S0026261722010039.
• Kochetkova TV, Grabarnik IP, Klyukina AA, Zayulina KS, Elizarov IM, Shestakova OO, Gavirova LA, Malysheva AD, Shcherbakova PA, Barkhutova DD, Karnachuk OV, Shestakov AI, Elcheninov AG, Kublanov IV. Microbial Communities of Artisanal Fermented Milk Products from Russia. Microorganisms. 2022 Oct 29;10(11):2140. doi: 10.3390/microorganisms10112140.
• Khomyakova MA, Zavarzina DG, Merkel AY, Klyukina AA, Pikhtereva VA, Gavrilov SN, Slobodkin AI. The first cultivated representatives of the actinobacterial lineage OPB41 isolated from subsurface environments constitute a novel order Anaerosomatales. Front Microbiol. 2022 Nov 10;13:1047580. doi: 10.3389/fmicb.2022.1047580.
• Shulga N, Abramov S, Klyukina A, Ryazantsev K, Gavrilov S. Fast-growing Arctic Fe-Mn deposits from the Kara Sea as the refuges for cosmopolitan marine microorganisms. Sci Rep. 2022 Dec 20;12(1):21967. doi: 10.1038/s41598-022-23449-6.

2021

• Elcheninov AG, Podosokorskaya OA, Kovaleva OL, Novikov AA, Toshchakov SV, Bonch-Osmolovskaya EA, Kublanov IV. Thermogemmata fonticola gen. nov., sp. nov., the first thermophilic planctomycete of the order Gemmatales from a Kamchatka hot spring. Syst Appl Microbiol. 2021 Jan;44(1):126157. doi: 10.1016/j.syapm.2020.126157.
• Frolov EN, Gololobova AV, Klyukina AA, Bonch-Osmolovskaya EA, Pimenov NV, Chernyh NA, Merkel AY. Diversity and Activity of Sulfate-Reducing Prokaryotes in Kamchatka Hot Springs. Microorganisms. 2021 Oct 1;9(10):2072. doi: 10.3390/microorganisms9102072.
• Karaseva, A.I., Elcheninov, A.G., Perevalova, A.A. et al. Fervidicoccus fontis Strain 3639Fd, the First Crenarchaeon Capable of Growth on Lipids. Microbiology 2021 90:435–442. doi: 10.1134/S002626172104007X
• Klaus T., Ninck S., Albersmeier A., Busche T., Wibberg D., Jiang J., Elcheninov A.G., Zayulina K., Kaschani F., Braesen C., Overkleeft H.S., Kalinowski J., Kublanov I.V., Kaiser M., Siebers B. Activity-based protein profiling for the identification of novel CAZymes involved in xylan degradation in the hyperthermophilic Euryarchaeon Thermococcus sp. strain 2319x1E, Front. microbiol. 2021, 3868.
• Gavrilov S.N., Zavarzina D.G., Elizarov I.M., Tikhonova T.V., Dergousova N.I., Popov V.O., Lloyd J.R., Knight D., El-Naggar M.Y., Pirbadian S., Leung K.M., Robb F.T., Zakhartsev M.V., Bretschger O., Bonch-Osmolovskaya E.A. Novel Extracellular Electron Transfer Channels in a Gram-Positive Thermophilic Bacterium. Front Microbiol. 2021 11:597818. doi: 10.3389/fmicb.2020.597818.
• Zayulina, Kseniya S; Elcheninov, Alexander G; Toshchakov, Stepan V; Kochetkova, Tatiana V; Novikov, Andrei A; Blamey, Jenny M; Kublanov, Ilya V; Novel hyperthermophilic crenarchaeon Infirmifilum lucidum gen. nov. sp. nov., reclassification of Thermofilum uzonense as Infirmifilum uzonense comb. nov. and assignment of the family Thermofilaceae to the order Thermofilales ord. nov. Systematic and applied microbiology, 2021, 44, 4, 126230.

2020

• Zavarzina DG, Gavrilov SN, Chistyakova NI, Antonova AV, Gracheva MA, Merkel AY, Perevalova AA, Chernov MS, Zhilina TN, Bychkov AY, Bonch-Osmolovskaya EA. Syntrophic growth of alkaliphilic anaerobes controlled by ferric and ferrous minerals transformation coupled to acetogenesis. ISME J. 2020 Feb;14(2):425-436. doi: 10.1038/s41396-019-0527-4.
• Chernyh NA, Neukirchen S, Frolov EN, Sousa FL, Miroshnichenko ML, Merkel AY, Pimenov NV, Sorokin DY, Ciordia S, Mena MC, Ferrer M, Golyshin PN, Lebedinsky AV, Cardoso Pereira IA, Bonch-Osmolovskaya EA. Dissimilatory sulfate reduction in the archaeon ‘Candidatus Vulcanisaeta moutnovskia’ sheds light on the evolution of sulfur metabolism. Nat Microbiol. 2020 Nov;5(11):1428-1438. doi: 10.1038/s41564-020-0776-z.
• Kochetkova TV, Mardanov AV, Sokolova TG, Bonch-Osmolovskaya EA, Kublanov IV, Kevbrin VV, Beletsky AV, Ravin NV, Lebedinsky AV. The first crenarchaeon capable of growth by anaerobic carbon monoxide oxidation coupled with H2 production. Syst Appl Microbiol. 2020 Mar;43(2):126064. doi: 10.1016/j.syapm.2020.126064.
• Podosokorskaya OA, Kochetkova TV, Novikov AA, Toshchakov SV, Elcheninov AG, Kublanov IV. Tenuifilum thalassicum gen. nov., sp. nov., a novel moderate thermophilic anaerobic bacterium from a Kunashir Island shallow hot spring representing a new family Tenuifilaceae fam. nov. in the class Bacteroidia. Syst Appl Microbiol. 2020 Sep;43(5):126126. doi: 10.1016/j.syapm.2020.126126.
• Kochetkova TV, Zayulina KS, Zhigarkov VS, Minaev NV, Chichkov BN, Novikov AA, Toshchakov SV, Elcheninov AG, Kublanov IV. Tepidiforma bonchosmolovskayae gen. nov., sp. nov., a moderately thermophilic Chloroflexi bacterium from a Chukotka hot spring (Arctic, Russia), representing a novel class, Tepidiformia, which includes the previously uncultivated lineage OLB14. Int J Syst Evol Microbiol. 2020 Feb;70(2):1192-1202. doi: 10.1099/ijsem.0.003902.
• Zayulina KS, Kochetkova TV, Piunova UE, Ziganshin RH, Podosokorskaya OA., Kublanov IV. Novel Hyperthermophilic Crenarchaeon Thermofilum adornatum sp. nov. Uses GH1, GH3, and Two Novel Glycosidases for Cellulose Hydrolysis. Front. microbiol. 2020. 10, 2972.
• Kochetkova, T.V.; Toshchakov, S.V.; Zayulina, K.S.; Elcheninov, A.G.; Zavarzina, D.G.; Lavrushin, V.Y.; Bonch-Osmolovskaya, E.A.; Kublanov, I.V. Hot in Cold: Microbial Life in the Hottest Springs in Permafrost. Microorganisms 2020, 8, 1308.
• Zavarzina D.G., Kochetkova T.V., Chistyakova N.I., Gracheva M.A., Antonova A.V., Merkel A.Y., Perevalova A.A., Chernov M.S., Koksharov Y.A., Bonch-Osmolovskaya E.A., Gavrilov S.N., Bychkov A.Y. Siderite-based anaerobic iron cycle driven by autotrophic thermophilic microbial consortium. Sci Rep. 2020 10(1):21661. doi: 10.1038/s41598-020-78605-7.

2019

• Frolov E. N., Kublanov I. V., Toshchakov S. V., Lunev E. A., Pimenov N. V., Bonch-Osmolovskaya E. A., Lebedinsky A. V., Chernyh N. A. Form III RubisCO-mediated transaldolase variant of the Calvin cycle in a chemolithoatotrophic bacterium. PNAS. 2019. 116 (37), 18638-18646.
• Aleksei A Korzhenkov, Stepan V Toshchakov, Rafael Bargiela, Huw Gibbard, Manuel Ferrer, Alina V Teplyuk, David L Jones, Ilya V Kublanov, Peter N Golyshin, Olga V Golyshina. Archaea dominate the microbial community in an ecosystem with low-to-moderate temperature and extreme acidity. 2019. Microbiome, volume 7. doi:10.1186/s40168-019-0623-8
• Camilla L. Nesbø, Rhianna Charchuk, Stephen M. J. Pollo, Karen Budwill, Ilya V. Kublanov, Thomas H. A. Haverkamp, Julia Foght. Genomic analysis of the mesophilic Thermotogae genus Mesotoga reveals phylogeographic structure and genomic determinants of its distinct metabolism. 2019. Environmental Microbiology, Volume 21, pp 456-470. doi:10.1111/1462-2920.14477

2018

• Dimitry Y. Sorokin, Maria S. Muntyan, Stepan V. Toshchakov, Aleksei Korzhenkov, and Ilya V. Kublanov. Phenotypic and genomic properties of a novel deep-lineage haloalkaliphilic member of the phylum Balneolaeota from soda lakes possessing Na+-translocating proteorhodopsi. Frontiers in microbiolog. 2018. doi:10.3389/fmicb.2018.02672
• Wohlgemuth R., J. Littlechild, D. Monti, K. Schnorr, T. van Rossum, B. Siebers, P. Menzel, I. V. Kublanov, A. G. Rike, G. Skretas, Z. Szabo, X. Peng, M. J. Young. Discovering novel hydrolases from hot environments. Biotechnology Advances. 2018. doi: 10.1016/j.biotechadv.2018.09.004
• Toshchakov SV, Lebedinsky AV, Sokolova TG, Zavarzina DG, Korzhenkov AA, Teplyuk AV, Chistyakova NI, Rusakov VS, Bonch-Osmolovskaya EA, Kublanov IV, Gavrilov SN. Genomic Insights Into Energy Metabolism of Carboxydocella thermautotrophica Coupling Hydrogenogenic CO Oxidation With the Reduction of Fe(III) Minerals. Front Microbiol. 2018. 9:1759. doi:10.3389/fmicb.2018.01759.
• Haverkamp THA, Geslin C, Lossouarn J, Podosokorskaya OA, Kublanov I, Nesbø CL. Thermosipho spp. immune system differences affect variation in genome size and geographical distributions. Genome Biol Evol. 2018. doi:10.1093/gbe/evy202.
• Frolov E.N., K.S. Zayulina, D.S. Kopitsyn, I.V. Kublanov, E.A. Bonch-Osmolovskaya, N.A. Chernyh. Desulfothermobacter acidiphilus gen. nov., sp. nov., a thermoacidophilic sulfate-reducing bacterium isolated from a terrestrial hot spring. 2018 68(3): 871-875. doi: 10.1099/ijsem.0.002599.

Лаборатория сотрудничает с рядом российских и зарубежных лабораторий, работающих во всех сферах исследования экстремофильных (термофильных, ацидофильных и галофильных) микроорганизмов.

Среди них можно выделить:
БФУ им. И. Канта, Калининград, Россия
МГУ им. М.В. Ломоносова: кафедра геохимии, кафедра общей физики, кафедра инженерной геологии, НИИ ФХБ им. А.Н.Белозерского
Институт Общей и Экспериментальной Биологии СО РАН, Улан-Удэ, Россия
РГУ Нефти и Газа им. И.М. Губкина, Москва, Россия
САФУ имени М. В. Ломоносова, Архангельск, Россия
Institute for Marine Coastal Environments, CNR, Italy
Bangor University, UK
University of Duisburg-Essen, Germany
University of the Free State, Bloemfontein, South Africa
University of Heidelberg, Germany
INRA, Nantes, France
University of Lyon, France
University of Münster, Germany