Для человека горячие источники, солёные щелочные озёра и бескислородные глубины – экстремальная среда, а для некоторых микроорганизмов – привычный дом. В лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН изучают, как устроена жизнь в таких условиях. Руководитель лаборатории Евгений Фролов в интервью объединённой редакции проектов «Индикатор» и InScience. News рассказывает о научной школе Елизаветы Бонч-Осмоловской, экспедициях к меняющимся источникам Камчатки и новом исследовании микробов пещеры Шульган-Таш, знаменитой палеолитической живописью. А ещё объясняет, почему с точки зрения его подопечных, экстремофилы – скорее мы сами.
– Как доступным языком, например школьнику, объяснить, кто такие «экстремофильные прокариоты»?
– В названии нашей лаборатории всего три слова, и каждое из них может вызвать затруднения у человека, далёкого от биологии.
Давайте разберём их смысл, двигаясь с конца. Слово «прокариоты» объединяет огромное разнообразие микроорганизмов, которых часто называют доядерными. Их главное отличие от нас – план строения клетки: у них нет оформленного клеточного ядра (молекула ДНК находится прямо в цитоплазме), а также отсутствуют внутренние мембранные органеллы. К прокариотам относятся две важнейшие, фундаментальные ветви на древе жизни – бактерии и археи.
Второе слово – «экстремофильные» – указывает на то, что эти организмы живут в условиях, где человек или другие привычные нам существа мгновенно бы погибли. В зависимости от их «предпочтений» учёные делят их на группы. Тех, кто любит жару, называют термофилами, холод – психрофилами, кислоту – ацидофилами, щёлочь – алкалофилами, высокую солёность – галофилами, а колоссальное давление – пьезофилами (или барофилами).
Более того, зачастую мы имеем дело с полиэкстремофилами, которые умудряются выдерживать комбинацию сразу нескольких жёстких факторов. Например, термоацидофилы живут в кипящей кислоте, а галоалкалофилы – в очень солёных и щелочных озёрах.
Ну, а под первым словом – «метаболизм» – мы понимаем совокупность всех биохимических реакций, которые ежесекундно протекают внутри клетки. Это то, как клетка питается, дышит, запасает энергию и строит саму себя для поддержания жизни.
Если сложить всё вместе, то наша лаборатория изучает, как устроена внутренняя химическая кухня у древнейших безъядерных микроорганизмов, выбравших своим домом самые суровые и опасные уголки планеты.
– Экстремофильную микробиологию часто представляют как науку об «инопланетной» жизни на Земле: горячие источники, вулканические районы, бескислородные глубины. Насколько этот образ соответствует реальной работе вашей лаборатории?
– Несмотря на то, что наши микробы живут в совершенно непривычных для человека условиях, они вполне себе «земные» – ничего инопланетного в них нет. Правильнее сказать, что среда их обитания может напоминать жизнь на других планетах, но это не отменяет их общего происхождения со всем живым на Земле.
В конце концов, экстремофилами их назвал человек, ориентируясь исключительно на себя. Если же посмотреть на ситуацию глазами самих микроорганизмов, то это мы с вами – экстремофилы, выживающие в странной прохладной среде, полной агрессивного кислорода. И с точки зрения эволюции такой взгляд даже более обоснован. Согласно современным научным представлениям, первые живые организмы на нашей планете были как раз термофилами и обитали в бескислородных условиях горячих источников. Так что это они здесь коренные жители.
Что же касается наших экспедиций, то места работы действительно поражают воображение и порой напоминают ландшафты других планет или облик древней Земли. Это вулканы и кальдеры Курило-Камчатского региона, термальные источники Чукотки, Байкала, Северного Кавказа, глубокие скважины – «окна» в подземную биосферу, пещеры и морское дно.
| – Какие экспедиции или находки лично вам особенно запомнились?
– Каждая такая поездка уникальна, и выделить какую-то одну я просто не смогу. Более того, даже разные экспедиции в одно и то же место никогда не похожи друг на друга. Каждый раз мы сталкиваемся с чем-то новым, ведь меняются и сами природные объекты.
Например, в знаменитой кальдере вулкана Узон на Камчатке бьёт множество самых разных горячих источников, но лишь часть из них постоянны. Остальные то появляются, то исчезают, и время их жизни может быть совсем коротким. Именно поэтому гидротермы Узона изучаются уже не одно десятилетие, и исследовательский интерес к ним никогда не угасает. |
Экспедиция на полуострове Камчатка. Кальдера Узон. 2019 год. |
– Лаборатория метаболизма экстремофильных прокариот выросла из лаборатории гипертермофильных микробных сообществ и с 2017 года входит в отдел биологии экстремофильных микроорганизмов под руководством Елизаветы Александровны Бонч-Осмоловской. С чего начиналась эта научная история и как менялись её главные вопросы?
– Наша научная линия неразрывно связана с именем члена-корреспондента РАН Елизаветы Александровны Бонч-Осмоловской – выдающегося микробиолога, которая создала отечественную школу изучения микробного разнообразия термальных экосистем. Под её руководством были заложены фундаментальные подходы к исследованию труднокультивируемых термофилов, а сама школа получила широкое международное признание благодаря открытию десятков новых таксонов экстремофильных прокариот. Сегодня мы продолжаем эти традиции, сочетая классические методы с современными омиксными технологиями для раскрытия биотехнологического потенциала микроорганизмов горячих источников.
30-летний юбилей лаборатории гипертермофильных |
В 2017 году созданная ею в институте микробиологии им. С.Н. Виноградского лаборатория гипертермофильных микробных сообществ переросла в целый отдел, где наше подразделение, лабораторию метаболизма экстремофильных прокариот, возглавил Илья Валерьевич Кубланов.
Тогда в лаборатории начали проводить исследования по нескольким основным направлениям. Это микробная экология экстремальных мест обитания, выделение и характеристика новых таксонов экстремофильных прокариот, а также исследование некультивируемых микроорганизмов с применением метагеномных и биоинформатических методов. Работы также велись еще по направлениям, связанным с выявлением новых, ранее неизвестных метаболических путей и процессов у экстремофильных микроорганизмов, а также характеристикой экстремозимов – ферментов экстремофильных микроорганизмов.
В конце 2022 года Илья Валерьевич перешёл на новое место работы, и руководство лабораторией принял я. Со временем указанные направления оформились в шесть тем, каждая из которых сегодня имеет свою грантовую поддержку. |
– Что это за темы? Насколько далеко ваши исследования вышли за пределы изучения горячих источников?
– Мы изучаем экологию, разнообразие и метаболизм экстремофильных микроорганизмов-гидролитиков из разнообразных термальных мест обитания, холодных северных морей, содовых озёр и подземной биосферы. Важнейшей частью этой темы является выделение и характеристика разнообразных гидролаз, обладающих высокой термостабильностью, кислото- и щелочеустойчивостью, а также способностью работать при высоких концентрациях соли.
Другая тема – исследования экологии, разнообразия и метаболизма термоацидофильных архей. В ходе этой работы ранее некультивируемые, широко распространённые и многочисленные в микробных сообществах термальных источников таксоны архей переходят в разряд культивируемых.
| Мы исследуем взаимосвязь микробиологических и геологических факторов в формировании подземных минеральных вод Северного Кавказа. Занимаемся всесторонним изучением микроорганизмов цикла железа подземной биосферы, горячих источников, содовых озёр и северных морей. Ещё одна тема – разработка микробных топливных элементов.
Наконец, изучаем экологию, разнообразие и метаболизм термофильных автотрофных микроорганизмов с основным упором на исследование новых механизмов запасания энергии у ацетогенных бактерий. В рамках этой темы у нас в лаборатории активно развиваются методы генетической инженерии и синтетической биологии. Для наших уникальных штаммов ацетогенных бактерий мы разрабатываем новые генетические инструменты, позволяющие модифицировать их метаболизм для получения штаммов-продуцентов биотехнологически значимых соединений.
Лаборатория не стоит на месте, и мы постоянно ищем новые экстремальные экологические ниши. Например, в этом году у нас стартовал потрясающий проект по исследованию микробных сообществ пещеры Шульган-Таш (Капова пещера). Это объект всемирного наследия ЮНЕСКО, знаменитый своими наскальными рисунками эпохи палеолита. Наша задача – понять, как микроорганизмы живут в этой уникальной экосистеме и как они могут влиять на сохранность древней живописи. |
Экспедиция сотрудников лаборатории в пещеру Слева направо: Сергей Гаврилов, Валерия Малеванник, |
– Как сложился ваш собственный путь в это направление и в науку в целом? Кого вы считаете своими наставниками?
– Мой путь в науку начался в самом раннем детстве. Меня всегда интересовал окружающий мир, в особенности живая природа. Как только я научился читать, сразу обзавёлся множеством биологических энциклопедий, так что мой выбор профессии был предопределён ещё тогда.
После школы я поступил на биолого-почвенный факультет Воронежского государственного университета, где после второго курса выбрал специализацию на кафедре биохимии и физиологии клетки под руководством Маргариты Юрьевны Грабович.
На Беломорской биологической станции Галина Алексеевна Дубинина (вторая слева) и |
Выбор микробиологии во многом был обусловлен тем, что эта наука позволяет гармонично сочетать экспедиционные выезды с лабораторными исследованиями, избавляя от мучительного выбора между полевыми и лабораторными дисциплинами.
Во время учёбы в университете я побывал в первых экспедициях, освоил культивирование микроорганизмов, методы очистки и характеристики ферментов. При этом довольно много времени проводил на стажировках в институтах Пущинского научного центра. В студенческие годы произошло и моё первое знакомство с Институтом микробиологии имени С. Н. Виноградского, поскольку исследования бесцветных серных бактерий мы осуществляли совместно с Галиной Алексеевной Дубининой.
В 2012 году я поступил в аспирантуру института микробиологии в лабораторию гипертермофильных микробных сообществ, которой руководила Елизавета Александровна Бонч-Осмоловская. Моим научным руководителем стал Николай Алексеевич Черных. Под его наставничеством я выполнял работу по изучению термоацидофильных сульфатредуцирующих прокариот из горячих источников Камчатки. В 2017 году я успешно защитил кандидатскую диссертацию, после чего расширил круг своих научных интересов. |
Когда в том же году на базе нашего подразделения сформировался отдел биологии экстремофильных микроорганизмов, я перешёл во вновь созданную лабораторию метаболизма экстремофильных прокариот. Здесь я продолжил свои исследования, прошёл путь от научного сотрудника до руководителя и в итоге возглавил этот замечательный коллектив.
– Как привлечь студентов и аспирантов в область, где нужно одновременно быть микробиологом, биохимиком, биоинформатиком, а иногда ещё и экспедиционным исследователем?
– Сразу скажу, что с молодыми кадрами у нас в лаборатории проблем нет. К нам приходит очень много студентов и аспирантов, и некоторым, к сожалению, даже приходится отказывать. Однако такой конкурс позволяет нам выбирать лучших из лучших.
В основе всего лежит искренний интерес и желание узнать то, чего до тебя не знал абсолютно никто в мире. И здесь не имеет значения, связаны ли амбиции молодого учёного с фундаментальной наукой или с практико-ориентированными исследованиями.
Именно жажда нового знания позволяет преодолевать любые преграды на научном пути, будь то освоение биоинформатики или суровые условия экспедиций. Поэтому слово «привлекать» мне не очень нравится. Если человек действительно горит своим делом, у него горят глаза, то он всегда сам найдёт дорогу в лабораторию – и никуда от науки уже не денется.