Бактерии-экстремалы из нейтринной обсерватории

Учёные из Объединенного института ядерных исследований совместно с коллегами из Института ядерных исследований РАН нашли в подземных водах в одной из штолен Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН новый вид экстремофильных бактерий, способный выдерживать высокие концентрации тяжёлых металлов. Что это за организмы, как их удалось найти и чем они могут быть полезны, мы расспросили Елену Кравченко, кандидата биологических наук, начальника сектора молекулярной генетики клетки Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.

— Елена, кому пришла в голову идея исследовать подземные воды Баксанской нейтринной обсерватории?

— Дело в том, что до этого мы проводили там совершенно другой эксперимент. Под горой Андырчи на расстоянии четырёх километров от входа в обсерватории есть низкофоновая лаборатория, в которой «отрезана» большая часть естественного радиационного фона, и мы проверяли, оказывает ли влияние на живые организмы снижение естественного радиационного фона, к которому мы все привыкли. Так мы там очутились. А потом выяснилось, что сразу за этой лабораторией находится неиспользуемая часть тоннеля Баксанской нейтринной обсерватории (БНО), которая выглядит просто фантастически.

— Как Новоафонская пещера?

— Даже ещё удивительнее. И оказалось, что в самом конце этого тоннеля находится горячее озеро, из которого вытекает минерализованный источник.

— И вы как биолог не смогли пройти мимо?

— Конечно! Это экстремальное для обитания жизни место, и мы поняли: если жизнь там каким-то чудом есть, то она должна быть очень интересной и необычной. Этому была посвящена следующая наша экспедиция. Мы приехали с множеством приспособлений и в стерильных условиях собрали различные образцы: и из источника, и со стен, и с того, что капало или свисало сверху. Всё это мы заморозили, привезли сюда, в ОИЯИ, и начали делать посевы образцов на специальные питательные среды, чтобы попытаться вырастить то, что могло обитать в источнике БНО. Одна из проб оказалась удачной — нам удалось вырастить такую бактерию. Об этом мы опубликовали работу.

— В чём же прелесть этой бактерии, если вы посвятили ей целую работу?

— Особенность всех микроорганизмов, обитающих в этой подземной экосистеме, в том, что они живут в полной темноте, в очень солёной воде, при высокой температуре. Фотосинтез там невозможен, и пока не вполне понятно, откуда они берут энергию для своей жизнедеятельности, скорее всего это окисление метана и соединений серы. Кругом неорганические отложения, органики нет, но эта бактерия смогла как-то приспособиться и прекрасно живёт.

Неиспользуемая часть тоннеля Баксанской нейтринной обсерватории (БНО), в конце которой находится точка отбора проб подземных вод. Фото предоставлено Еленой Кравченко.

В результате исследования бактерия была отнесена к новому виду Cytobacillus pseudoceanisediminis. В геноме бактерии обнаружено большое количество генов, ответственных за металлорезистентность. Посев на среды, содержащие линейку концентраций четырёх типов металлов — кадмий, цинк, свинец, медь — позволил определить максимальные концентрации этих металлов, при которых бактерия способна жить. Оказалось, что наша живая находка стоит в ряду самых устойчивых к воздействию свинца микроорганизмов, которые известны на сегодняшний день. Помимо этого, в геноме были обнаружены гены ферментов, ответственных за использование в метаболизме С1-соединений. К тому же для обеспечения себя энергией эта бактерия может расщеплять такие ядовитые для многих других живых существ субстраты, как метанол и формальдегид.

— Можно ли это свойство каким-то образом использовать на пользу людям?  

— Да, это может быть полезным для наработки биомассы на дешёвых источниках углерода. Вообще район Приэльбрусья интересен большим количеством солей в воде и почве, например, рядом с обсерваторией находится комбинат по добыче и обогащению вольфрамо-молибденовых руд. Мы сделали анализ воды из источника БНО — в ней содержатся свинец, медь, кадмий и другие тяжёлые металлы. Но изучаемая нами бактерия смогла разработать в себе множество специальных механизмов, которые помогают ей эти металлы выкачивать, адсорбировать, либо превращать в наночастицы.

— Что это за механизмы?

— Это генетически запрограммированные механизмы, в ходе которых бактерия синтезирует специальные белки, например, эффективно выкачивающие ионы кадмия из клетки. Это может стать очень хорошим отправным моментом, для того чтобы сделать на основе этого свойства из бактерии биосенсор. То есть бактерия сможет нам сигнализировать о том, что в той или иной водной среде или почве появился какой-то тяжёлый металл, на который она реагирует. Для этого можно снабдить её флуоресцентным белком, который будет светиться в тот момент, когда опасный элемент обнаружен.

— А можно ли с помощью этой бактерии очищать какие-то среды от тяжёлых металлов?

— Как раз сейчас мы проводим серию таких экспериментов. Существуют механизмы очищения, основанные на адсорбции. Бактериальная клетка, для того чтобы выжить в условиях загрязнения тяжёлыми металлами, адсорбирует на своей внешней оболочке вредные вещества, например, соли меди. Соответственно они не попадают внутрь клетки, и она продолжает нормально функционировать. В итоге бактерии, которые, как фильтр, собрали на себя всю эту неорганику, можно осадить на дно резервуара или контейнера, и такая вода будет неплохо очищена.

Подобным методом очистки сейчас пользуются на очистных станциях, применяя различные бактерии, но баксанская экстремофильная бактерия хороша тем, что высоко устойчива к тяжёлым металлам, соответственно её потенциал по очистке сильно загрязнённых промышленных вод тоже намного выше, чем у ранее известных.

— Эта бактерия — эндемик или такие водятся где-то ещё?

— Конкретно эта бактерия не эндемик. Мы видим, что она может встречаться и в других местах. Но мы провели метагеномный анализ всего микробного сообщества из источника БНО, и в пробах обнаружили, что там есть новые эндемичные бактерии, причём не только на уровне вида, но и на уровне рода. Никто нигде их больше не видел, не описывал, ни в каких базах данных они не встречаются. Сейчас мы с большим интересом описываем всё это удивительное микробное сообщество.

Елена Кравченко, кандидат биологических наук, начальник сектора молекулярной генетики клетки Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. Фото из личного архива.

— Учёные с каждым годом всё больше расширяют диапазон возможностей для существования жизни. Не так давно считалось, что в жерлах действующих вулканов или ледниках никто жить не может, но сейчас очевидно, что это не так. Как вы думаете, возможны ли условия, где жизни нет и не может быть?     

— Вы совершено правы — жизнь находят буквально повсюду. На дне Марианской впадины, в грязевых вулканах Гренландии, а у NASA есть специальный самолёт, который летает на высоте нескольких тысяч метров над Землей и вылавливает там бактерии и споры грибов. Найти на Земле стерильное место — очень непростая задача. Думаю, к таким средам, где жизни совсем нет, можно отнести расплавы горных пород и специально созданные учёными стерильные помещения с различными степенями биобезопасности.

— Да, там только люди водятся. А как вы думаете, такие бактерии, как обнаруженные вами, возможны только на Земле, или, например, они могут встретиться где-нибудь на Венере?

— Не знаю насчёт Венеры, но что касается Марса, то здесь я сказала бы с большей определённостью: условия подземной баксанской штольни, где мы нашли новые бактерии, могут быть похожи на условия, которые могли бы быть на Марсе глубоко под землёй. Там, возможно, есть остаточное тепло, вода, и те механизмы адаптации, которые мы видим у бактерий из-под горы Андырчи, могли бы реализоваться и в глубине Красной планеты. А есть ведь ещё спутники планет-гигантов, и если жизнь смогла приспособиться к таким непростым условиям на Земле, то почему бы ей не сделать это и в других местах.

Вообще организмы-экстремофилы — модельные объекты для астробиологии: учёные ищут на Земле условия, похожие на инопланетные, и изучают живущие в них организмы, чтобы понять, как могла бы быть устроена жизнь на других планетах.

— В фантастическом фильме «Живое» учёные находят в марсианских полярных шапках бактерию, размораживают её в условиях космической станции, после чего она начинает бурно расти и всех людей убивает. Как думаете, не может ли нас ожидать какая-то опасность, например, эпидемия новой неизвестной болезни, ведь мы потревожили микроорганизмы, которые жили в этих пещерах тысячелетиями, и никто не пытался вынести их наружу?

— Как правило, отношения патогенный микроорганизм—хозяин довольно специфичны, поэтому маловероятно, чтобы в ходе эволюции какая-либо бактерия, не соприкасаясь с человеческим сообществом в течение длительного времени, смогла бы разработать эффективные способы внедрения в человеческий организм и использования его в своих целях. Вероятность найти что-то патогенное гораздо выше в тех местах, где уже жили и умирали люди.

А в нашем случае мы имеем дело с микробным сообществом, которое ориентировано на совсем другие условия обитания, в которых человеку просто нет места. Более того, экстремофильные бактерии очень сложно вырастить где-то ещё, кроме места их обитания, даже в идеальных лабораторных условиях, настолько сильно они зависимы от множества факторов их экосистемы. Например, из всего баксанского микробного сообщества нам пока удалось вырастить в лаборатории всего один вид бактерий, и то он довольно капризен. Но мы надеемся, что в дальнейшем мы сможем подобрать нужные условия и для других не менее интересных экстремофильных бактерий из БНО, и это действительно принесёт людям много пользы.