В почвах и болотах живут бактерии, которых не удаётся вырастить на привычных питательных средах: фрагменты их ДНК обнаруживаются, а сами микробы годами не даются ученым в руки. В лаборатории молекулярной экологии и филогеномики бактерий ФИЦ Биотехнологии РАН ищут способы «приручить» таких обитателей экосистем и понять их роль в природе. Руководитель лаборатории Светлана Дедыш в интервью объединенной редакции проектов «Индикатор» и InScience.News рассказывает, как удалось разгадать столетнюю загадку планктомицета, про историю создания лаборатории и каково это — подарить свое имя микробу.
| – Светлана Николаевна, совсем недавно в честь Вас был назван новый род бактерий филума Acidobacteriota — Dedyshia acidiphila. Как Вы узнали об этом, что для вас лично значит такое «именное» таксономическое признание, и чем именно этот род Вам кажется интересным как микробиологу?
– С представителями филума Acidobacteriota – ацидобактериями – работают единицы научных коллективов в мире. Мы входим в их число. Несколько лет назад я была приглашена оппонировать диссертационную работу из ЮАР, посвященную идентификации и культивированию ацидобактерий почв. В этой стране, как и во многих других, практикуется международное оппонирование, с приглашением зарубежных ведущих экспертов по тематике исследования. О планах назвать полученный в той работе изолят бактерий моим именем мне позднее сообщила автор этой диссертации (собственно, мое согласие тоже для этого было необходимо). Подготовка статьи заняла несколько лет, так что я уже забыла об этой истории. Получилось что-то вроде сюрприза. Приятно, конечно! Тем более, что я сама всегда считала свою фамилию мало подходящей для целей дизайна имен бактерий.
|
 Дедыш Светлана Николаевна, 2021 год |
– Этот новый род бактерий живёт в кислых почвах и любит высокий уровень кислотности. Если объяснять простыми словами, что это за микробы: как они устроены, что умеют делать в почвенном сообществе?
– Боюсь, что ответить на эти вопросы пока сложно – особенно простыми словами. Эти бактерии – многочисленные аборигены почв саванн, отлично приспособленные к условиям обитания в этих экосистемах. В опубликованной таксономической статье пока только приведены некоторые стандартные характеристики физиологии этих бактерий. Расшифровка их метаболического, кодируемого геномом потенциала потребует существенного времени и усилий. Не забывайте, что даже просто культивировать их в лаборатории большинству микробиологов не удается.
– Авторы статьи отмечают, что дальнейшее изучение Dedyshia acidiphila может дать ферменты и метаболические пути, важные для биотехнологии и агроэкологии. Какие направления Вы сами видите здесь как наиболее перспективные: это биопрепараты для почв, новые ферменты для промышленности, маркеры состояния экосистем? Почему в целом важно изучать ацидобактерии?
– Самый весомый аргумент в пользу необходимости изучения ацидобактерий – это то, что они представляют численное большинство, которое как раз и является основой для большинства биосферно важных процессов. Медленно, но стабильно они осуществляют превращение различных биополимеров растительной и микробной природы в почвах. В этом году японскими микробиологами была опубликована прорывная работа по открытию у ряда ацидобактерий способности фиксировать атмосферный азот. Однозначно, они могут выступать чувствительными индикаторами состояния экосистем. Вовлечение экосистем в хозяйственную деятельность человека приводит к быстрой элиминации ацидобактерий из состава микробного сообщества. Они очень быстро реагируют на нарушение природного баланса. В качестве биопрепаратов ацидобактерии точно не годятся. Их довольно сложно культивировать, и растут они медленно.
– В пресс-релизе ФИЦ Биотехнологии РАН член-корреспондент РАН Елизавета Бонч-Осмоловская сказала, что Вы и Ваша группа «фактически создали основу современных знаний об ацидобактериях». Какой путь привёл Вас к ацидобактериям: когда Вы впервые с ними столкнулись и почему они стали одной из центральных тем исследований лаборатории?
– Первый выполненный нами глубокий анализ микробного разнообразия в образце торфа из болота Западной Сибири, результаты которого были опубликованы в 2006 году, показал, что только 10–15% всех последовательностей генов 16S рРНК принадлежат известным микроорганизмам. То есть остальные 85-90% были микробиологами не изучены! А самыми многочисленными из них были именно ацидобактерии, составлявшие до трети всех бактерий в кислых болотах. В то время уже было известно, что это одна из доминирующих, но сложно культивируемых групп почвенных бактерий. Конечно же, мы сразу инициировали работы по их выделению из торфяных почв, в чем нам очень помогло владение методом флуоресцентной гибридизации in situ (in situ – «на месте», в месте нахождения, в естественной сред – прим. ред.).
С помощью этого метода мы могли различать их в общем пуле бактериальных клеток и контролировать правильность подбора условий для культивирования. Через некоторое время мы достигли успеха в «выращивании» представителей этой группы и описании их функций в природных экосистемах. В совместных работах с коллегами из других стран были открыты уникальные липиды, синтезируемые ацидобактериями, а также сформирована таксономическая структура этого филума. Так что, да, наши исследования внесли очень существенный вклад в формирование знаний об этой группе бактерий.
– Расскажите историю создания Лаборатории молекулярной экологии и филогеномики бактерий. Как она возникла, какие задачи стояли в начале и как менялись её направления исследований со временем?
 В ущелье гор Северной Осетии за образцами торфаиз горных болот, 2023. Слева направо: с.н.с. Данилова О.В., с.н.с. Белова С.Э., с.н.с.. Ошкин И.Ю. |
– Лаборатория была создана в 2008 году на базе новой молодежной группы, сформированной в Институте микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН (сейчас входит в состав ФИЦ Биотехнологии РАН). Изначально она называлась Лабораторией микробиологии болотных экосистем, так как в фокусе проводимых исследований были микробные сообщества северных болот – одной из доминирующих наземных экосистем России. Эти экосистемы выполняют целый ряд важнейших биосферных функций: служат крупнейшим хранилищем органического углерода, являются ключевым компонентом глобальных циклов парниковых газов СН4 и СО2, а также крупнейшим резервуаром ультрапресных вод.
Микроорганизмы, населяющие северные болота, были исследованы крайне слабо, так как микробиологам не удавалось их культивировать на стандартных питательных средах. Путем модификации сред и условий культивирования, а также применения молекулярных подходов сотрудникам лаборатории удалось не только получить картину микробного разнообразия в этих экосистемах, но и описать десятки новых родов болотных микроорганизмов, в том числе из групп, которые ранее считались «некультивируемыми». Исследуя биологию и функциональный потенциал бактерий этих групп, лаборатория расширила спектр объектов исследований; в него вошли почвы тундры и леса бореальной зоны, пресноводные озера и поймы северных рек. |
Так как главными инструментами идентификации микроорганизмов в этих экосистемах стали методы молекулярной экологии, а сравнительный анализ геномов превратился в ключевой инструмент получения новых знаний об изолятах бактерий из исследуемых экосистем, в 2021 году наша лаборатория была переименована в Лабораторию молекулярной экологии и филогеномики бактерий.
– Какие, на Ваш взгляд, самые яркие и значимые исследования и проекты были или есть у лаборатории?
| – Самым ярким и креативным был проект РФФИ, в ходе которого мы пытались разгадать вековую загадку типового рода очень необычной группы бактерий – планктомицетов. Первый представитель этой группы бактерий – Planctomyces bekefii – был описан в 1924 году. Этот микроорганизм выглядит просто фантастически, как букет из шаровидных клеток на тонких длинных стебельках. Его наблюдали и даже фотографировали многие микробиологи при микроскопическом анализе образцов воды из различных водоемов. Никому, однако, не удалось культивировать его в лаборатории или хотя бы идентифицировать с помощью молекулярных методов.
В поисках этой бактерии мы проанализировали воду десятков озер, пока не нашли заветное труднодоступное озеро, в воде которого мы увидели цель наших поисков. Далее был задействован целый спектр методов, включающих использование клеточного сортера, высокопроизводительное секвенирование, метагеномный анализ, флуоресцентную гибридизацию in situ. Проблем было множество, но желаемый результат в итоге был достигнут. Идентичность этой бактерии была установлена, равно как и ее функция в природе – утилизация продуктов лизиса цианобактерий после периодов цветения водоемов. Статья с изложением результатов этого исследования так и называлась – «100-year-old enigma solved: identification, genomic characterization and biogeography of the yet uncultured Planctomyces bekefii». |
Лаборатория молекулярной экологии и Слева направо: с.н.с. Данилова О.В., н.с. Сулейманов Р.З., |
Если же говорить о приобретении нового опыта, я бы упомянула работу в рамках исследовательской программы «Развитие технологий геномного редактирования для решения инновационных задач промышленных и пищевых технологий». Нашим объектом для геномного редактирования были метанотрофные бактерии, использующие метан в качестве ростового субстрата и являющиеся продуцентами в технологиях производства кормового белка на метане. В силу особенностей биологии метанотрофов, генетические манипуляции с ними намного сложнее, чем работа с микроорганизмами-гетеротрофами. Ранее опыта работы по геномному редактированию у нас не было, однако дорогу осилит идущий. Сотрудники лаборатории не только освоили новый метод, но и получили интересные результаты по увеличению содержания белка в клетках метанотрофов путем делеции генов, кодирующих синтез запасного соединения – гликогена. Сейчас мы продолжаем использовать приобретенный опыт для других исследований.