https://biolabmix.ru/catalog/rna-transcription-mrna/?erid=LdtCKWnpq
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Страшный сказ о том, как исчезли все полезные микробы

Страшный сказ о том, как исчезли все полезные микробы

  • 281
  • 0,1
  • 0
  • 0
Добавить в избранное print
Обзор

Всё — микробы, и микробы — наше всё.

Рисунок в полном размере.

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Сегодня я расскажу вам сказку, страшную сказку о том, как исчезли из мира все микробы, главным образом бактерии и грибки. Чего же тут страшного подумаете вы, это же здорово! Нет больше туберкулеза, сепсиса, менингита, сифилиса, коклюша, и сибирской язвы, в конце концов! Но не спешите с выводами: если все микробы исчезнут, то из магазинов исчезнет довольно-таки много товаров, а многие привычные нам процессы остановятся. Если исчезновение патогенов будет только приветствоваться, то какие последствия будет иметь исчезновение полезных микробов? Мы лишимся пива, вина и сыра с плесенью. Знаем, скажете вы, это мы еще со школы помним, в их производстве нужны плесень и дрожжи. Но нет, не только их мы лишимся. Исчезнут хлеб, йогурт, кисломолочная продукция, колбаса, шоколад, квашенная капуста, овощи, фрукты и мясо (да-да, микробы тоже здесь замешаны). Также мы начнем плохо пахнуть и можем оказаться с голой попой. Мы снова вернемся к лечению подорожником и ромашкой. Встанет сельское хозяйство, ибо будет нечем удобрять, коровки перестанут есть травку, и у вас перестанет работать кишечник! Это как так, удивитесь вы. А я сейчас расскажу.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2023/2024

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2023/2024.

BIOCAD

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.


SkyGen

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Кто такие микробы?

Мы привыкли думать о микробах как о врагах и главных виновниках наших болезней. Труд триллионов микробов на нашей планете проходит незамеченным, а их огромный вклад в нашу жизнь остается непризнанным и неоцененным. Чтобы разобраться, как микробы влияют на нашу жизнь и что повлечет за собой полное исчезновение полезных микробов, надо разобраться в том, кто такие микробы.

Представители микробов

Рисунок 1. Представители микробов.

Это очень разношерстная группа, в нее входят бактерии, вирусы, археи, грибы и протисты [1]. Примеры разных микробов см. на рисунке 1. Вдаваться в дебри микробиологии и определений не будем, так что не пугайтесь раньше времени. Бактерии и археи — одноклеточные безъядерные существа. Все остальные микробы могут состоять из одной или нескольких клеток и имеют ядро, в которое плотно укомплектована их ДНК. А вот вирусы, как говорится, ни рыба ни мясо. У них самое простое строение и состоят они лишь из генетического материала, упакованного в протеиновый «пакет». Ученые до сих пор ломают копья, являются ли они живыми существами. У каждого царства имеются свои вирусы, у бактерий свои, у животных свои и т.д. Понятие микроб расплывчато, они бывают очень разные по размеру. Классическое определение «микроб» подразумевает невозможность увидеть микроб невооруженным глазом. Но много удивительного есть в природе, ученые открыли-таки бактерию, которую можно увидеть без какого-либо прибора [2].

Бактерии — это маленькие одноклеточные существа, чья единственная хромосома закольцована и «плавает» в самой клетке. То есть они живут без ядра. Археи похожи на бактерий, но таковыми не являются. Долгое время считалось, что они живут только в экстремальных условиях, но позже их нашли и в обыкновенных местообитаниях, например, в нашем кишечнике живут археи, которые производят метан [3]. Жиры и белки, производимые археями, похожи на те, что есть у многоклеточных ядерных существ, таких как мы с вами. Это заставило ученых сделать предположение, что у архей и ядерных существ был общий предок. А недавно открытая подгруппа архей под названием Асгард [4] вполне может претендовать на роль такого предка.

Грибов огромное разнообразие, от одноклеточных дрожжей до плесени и лисичек с мухоморами. Но лисички же видно невооруженным взглядом, заявите вы — и будете правы, только это не весь гриб, а его часть для распыления спор. Большая и наиважнейшая часть гриба находится под землей, и его тончайшие нити (мицелий) расходятся на километры вокруг. Грибы научились разлагать лигнин и целлюлозу в мертвых деревьях и освобождать питательные вещества в окружающую среду [5].

Протисты — простые одноклеточные с ядром, и они ни растения, ни животные и не грибы, и обитают во многих местах. Есть и другие подвиды микробов, например, водоросли. Они включают в себя не только то, во что закручивают роллы, но и микроскопические виды. Так как микробы разнообразны и многочисленны, на всех останавливаться не будем. А остановимся на двух рабочих лошадках человечества — бактериях и грибах, а именно — дрожжах и плесени. Ученые научились менять их ДНК так, чтобы они могли производить нужные нам ферменты. А ферменты — это белки (в большинстве своем), которые могут ускорять химические реакции либо объединяя две молекулы, либо ускоряя процесс распада молекулы, либо меняя строение одной молекулы — и еще многими разными способами. Эти плоды трудов бактерий мы используем повсеместно. И к ним мы еще вернемся.

О хлебе насущном

Так куда же денутся фрукты, овощи и зерновые? Надеюсь, все еще помнят, что еда на столе берется не с полок магазинов, а с полей, теплиц, сельхозугодий, рыбных ферм и плантаций и т. д. И независимо от типа диеты, вегетарианец ли человек или мясоед, без растений и те, и те изголодались бы. Ведь прежде, чем коровка дорастет до стейка, она должна что-то кушать. Во-первых, чтобы что-то выросло, нужны удобрения — и в особенности компост. А компост — это «переваренные» бактериями и грибками растения и другая органика для употребления другими растениями. Во-вторых, сельхозкультуры нужно защищать от сорняков и вредителей. Некоторые гербициды производятся в дрожжах [2], а не через химический синтез. В-третьих, микробы дружат с растениями и образуют взаимовыгодные отношения.

У растений тоже есть иммунная система, не такая усовершенствованная, как у животных, но достаточная, чтобы бороться с патогенами. Так вот, полезные микробы могут усилить иммунитет растений, улучшая физический и химический барьер растения-хозяина. Полезные микробы также могут подавлять рост патогенного микроба напрямую [6]. Все, наверное, помнят про микоризу — взаимовыгодное «образование», состоящее из корней растений и грибков. Это сотрудничество стало настолько популярно, что 90% всех растений на Земле состоит в таких отношениях [7]. Растения и грибы обмениваются водой, сахарами и другими питательными веществами.

Корни некоторых растений, особенно бобовых, могут вместе с особыми бактериями (например, бактерии из рода Rhizobium), живущими в корнях, делать из воздуха (а именно — азота) удобрения для растения-хозяина, например, нитраты и нитриты, нужные для производства белков [8]. Пример такого сожительства бактерий и растения см. на рисунке 2. Микробы помогают растениям выживать при засухах и сохранять воду [8]. Некоторые виды почв не могут быть использованы в земледелии, так как почва слишком соленая, но есть растения, которые могут там выживать [9]. И отчасти это происходит благодаря солеустойчивым микробам. Они не только помогают выжить, но и повышают продуктивность культур в условиях солевого стресса [10].

Корни, в которых образовались шарообразные полости, где живут бактерии

Рисунок 2. Корни, в которых образовались шарообразные полости, где живут бактерии.

Без полезных микробов растения были бы более восприимчивы к заболеваниям, урожайность была бы ниже, или же растения совсем бы погибали от засух, затоплений и избытка солей в почве. Понимая, какие микробы помогают растениям и сельскохозяйственным культурам, можно не только выводить сорта для экстремальных сред обитаний, но и помогать им выживать, подсаживая полезные микробы.

Куй железо, пока кисло

Итак, с сельским хозяйством разобрались. Какие еще процессы затронет исчезновение полезных микробов? Ну, например, добычу редких металлов [11]. Добыча металлов — дорогое удовольствие и негативно сказывается на окружающей среде. Многие месторождения не разрабатываются, так как это экономически невыгодно, потому что количества драгоценного металла мало. И тут может прийти на помощь биовымывание, а часть вредной работы выполнят не шахтеры и горнодобытчики, а бактерии. В промышленности уже используют биовымывание для переработки руд меди, никеля, кобальта, цинка и урана [12].

Бактерия извлекает медь из Халькопирита

Рисунок 3. Бактерия извлекает медь из Халькопирита (графическое представление процесса).

Как бактериям такое под силу? После того, как руду мелко перемелют, ее поливают кислотным раствором. Кислотная среда идеальна для особых бактерий (род Acidithiobacillus и Leptospirillum), которые окисляют ценные металлы и делают их водорастворимыми. Потом воду можно испарить и получить металл в более чистом виде. Биовымывание — не изобретение человека, оно происходит и естественным путем в природе, на рисунке 3 можно представить, как бактерия это делает. Биовымыванием можно обрабатывать редкие металлы, руду с низким содержанием ценных металлов и остатки руды на месте разработанного месторождения. Правда, времени биовымывание занимает гораздо больше, чем традиционные методы добычи, и может длиться от нескольких дней до нескольких месяцев. Даже несмотря на это, биовымывание все равно используется. Если микробы-шахтеры исчезнут, металлургия, конечно, не встанет, но количество добываемых металлов снизится, и по всему миру будут лежать неразработанные залежи ценных металлов. 20% мировой добычи меди приходится на биовымывание.

В тихом омуте бактерии водятся

В странах, где развито использование очистных сооружений, например, в Финляндии, Нидерландах, США, да и у нас, например, в Москве, сточные воды очищают не только физически или химически, но и с помощью микробов. Когда из воды удаляют большой твердый мусор, сточные воды наполняют пузырьками воздуха для аэрации. В воздухе есть кислород, который бактерии с большим энтузиазмом используют для производства энергии, роста и деления. Это приводит к размножению и росту бактерий в сточных водах. Образуется активный осадок (ил). Бактерии размножаются и поедают органические вещества, и вследствие бескислородных реакций выделяется газообразный азот. Так как сточные воды зачастую содержат азот (нитраты и нитриты) в завышенных количествах, то при попадании в водоемы они провоцируют рост бактерий.

Такой обильный фуршет приводит к «цветению» воды и может быть опасно для людей и животных, так как «цветущие» цианобактерии могут выделять яды. Например, если при купании в такой воде вы случайно ее выпьете. А когда нитраты превращаются в очистных сооружениях в азотный газ, то избыток азота не попадает в природные водоемы, и цветения не происходит. Часть осадка можно превратить в вышеупомянутый компост, а часть можно отдать на корм метаногенным археям. Они его переварят и произведут газ метан, который можно использовать в качестве топлива. Им, например, на водоочистительной станции Викимаки в Хельсинки отапливают и освещают.

Без подобного очищения воды мы будем сливать загрязненные сточные воды в наши водоемы, то есть вернемся в средние века. Все помнят, как тонули лошади в лужах грязи и как часто люди гибли от эпидемий?

Микробов миллионы, и у каждого уникальный набор генов, позволяющий делать всякие крутые и полезные штуки. Так вот, ученые умеют манипулировать генами микробов, внедряя в них гены из других организмов. Создание такого генетически модифицированного организма, в данном случае ГМ (то есть генно-модифицированной) бактерии, позволяет, например, убирать ртуть из сточных вод [13].

Приготовление пищи — удовольствие, к сожалению, ежедневное

Но что, если готовите не вы? В приготовлении некоторых продуктов питания участвуют либо бактерии, либо грибки, либо они вместе. Про участие дрожжей в приготовлении пива и вина и про участие плесени в приготовлении сыров вы вспомнили в самом начале. Молодцы! Но ферментация на этих продуктах не заканчивается. Самый вкусный хлеб — это либо хлеб на закваске, либо на дрожжах, где дрожжи и кисломолочные бактерии производят молекулы, которые так нравятся нашим вкусовым сосочкам. Если не будет полезных микробов, мы распрощаемся не только с вкусным хлебом, но и квасом, квашенной капустой и некоторыми видами колбас, например, салями. Человечество научилось использовать грибки и плесень не только для улучшения вкусовых качеств, но и для защиты продуктов питания от других более опасных грибков и бактерий [14]. Когда в следующий раз будете проходить мимо полки с колбасами, присмотритесь внимательнее к белой оболочке на колбасе — это плесень из семейства пенициллиновых [15]. На страже и постоянной готовности отразить атаку любого вредного микроба.

А еще можно сказать про шоколад! Как к нему причастны микробы-то? О, шоколад — результат работы микробов. Первый этап производства шоколада состоит из естественной семидневной ферментации мягкой массы внутри какао-боба. Во время ферментации они производят кислоты и спирты, которые проникают в семенную оболочку и запускают химические реакции, в результате них образуются первые отголоски шоколадного вкуса [16]. Без этого ключевого шага шоколада не получится.

Еда — не единственное, что мы потребляем из «лапок» микробов. При первом рассмотрении связи между кислотами из рыбьего жира и микробами нет. Если микробы исчезнут, то лосось ведь останется? Да, лосось пока никуда не денется, а вот рыбий жир с полок пропадет. Современные рыбьи жиры давно проходят через бактерий и грибки, прежде чем попасть к нам в рацион [17]. Липазы — ферменты со способностью расщеплять триглицериды на свободные жирные кислоты. Для БАДов (биологически активных добавок) жиры обрабатывают липазами, полученными из микробов! Получается, микробы частично переваривают нашу еду за нас. Как в том мультике про «Вовку в Тридевятом царстве», где двое из ларца за него пирожные и конфеты ели. Правда, в нашем случае, частично «переваренные» свободные жирные кислоты все-таки до нас доходят в виде БАДов.

Липазы, произведенные микробами, используются не только для расщепления рыбьего жира, а также в производстве молочных продуктов (для улучшения вкуса), моющих средств, лекарственных препаратов (ибупрофена и напроксена), химических веществ и много где еще [18]. Рыбий жир — не единственное, что обрабатывают для нас микробы. Люди с лактозной непереносимостью, выпивая безлактозный йогурт или молоко, тоже потребляют уже «переваренную» микробами пищу. β-галактозидаза — еще один фермент, расщепляющий лактозу на два сахара: галактозу и глюкозу, спасая тем самым людей от расстроенного кишечника и конфузов. Этот фермент тоже производят микробы, которым потом обрабатывают молоко для удаления лактозы [19].

А почему кишечник перестанет работать?

Наш кишечник — самый густонаселенный бактериями орган. Бактерии, проживающие в нем, не нахлебники, а полноправные участники вашей жизнедеятельности. Они и витамины вырабатывают, и от патогенов защищают, и иммунную систему обучают, и непереваренную вами пищу переваривают, и создают для вас короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК). Эти КЖК регулируют физиологические функции кишечника, в том числе подвижность, секрецию и могут как гасить воспаление, так и провоцировать его [20]. У коровок, как и у некоторых других травоядных, есть желудок-рубец, который содержит бактерии, археи и другие микробы, переваривающие ту травку, что коровка щиплет [21]. Не будь его, не было бы и коровки, со всеми вытекающими из нее продуктами.

Хорошо, это понятно, а при чем здесь голая попа?

С голой попой вы можете оказаться в прямом смысле, если любите носить джинсы с эффектом каменной стирки, как на рисунке 4. Уже давно никто не добивается такого изящного эффекта поношенности путем стирки джинс с камнями. Этого результата добиваются все теми же ферментами, а именно — ферментом целлюлаза. И да, он тоже производится бактериями. Если бактерии исчезнут, нам придется вернуться к «камням» в производстве сей модной части нашего гардероба. Как мы уже поняли, микробы производят множество ферментов, как и для продуктов питания, легкой промышленности, так и для моющих средств и стиральных порошков [22].

Джинсы с эффектом «стирки камнями»

Рисунок 4. Джинсы с эффектом «стирки камнями».

Вышеперечисленное — это лишь капля в море того, что микробы делают для нас. Ученые по всему миру пытаются придумать новые методы и способы использования микробов, их генетически модифицируют, чтобы они производили ту или иную молекулу. Вот такой каламбур: невидимые микробы создают видимые результаты. А теперь представьте, что маленькие помощники исчезли. Страшно стало?

Литература

  1. Brock, T.D., et al. Brock biology of microorganisms. Upper Saddle River (NJ): Prentice-Hall, 2003;
  2. Jean-Marie Volland, Silvina Gonzalez-Rizzo, Olivier Gros, Tomáš Tyml, Natalia Ivanova, et. al.. (2022). A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science. 376, 1453-1458;
  3. Nadia Gaci, Guillaume Borrel, William Tottey, Paul William O’Toole, Jean-François Brugère. (2014). Archaea and the human gut: New beginning of an old story. WJG. 20, 16062;
  4. Nadia Gaci, Guillaume Borrel, William Tottey, Paul William O’Toole, Jean-François Brugère. (2014). Archaea and the human gut: New beginning of an old story. WJG. 20, 16062;
  5. Yang Liu, Kira S. Makarova, Wen-Cong Huang, Yuri I. Wolf, Anastasia N. Nikolskaya, et. al.. (2021). Expanded diversity of Asgard archaea and their relationships with eukaryotes. Nature. 593, 553-557;
  6. D. Floudas, M. Binder, R. Riley, K. Barry, R. A. Blanchette, et. al.. (2012). The Paleozoic Origin of Enzymatic Lignin Decomposition Reconstructed from 31 Fungal Genomes. Science. 336, 1715-1719;
  7. Connor R. Fitzpatrick, Isai Salas-González, Jonathan M. Conway, Omri M. Finkel, Sarah Gilbert, et. al.. (2020). The Plant Microbiome: From Ecology to Reductionism and Beyond. Annu. Rev. Microbiol.. 74, 81-100;
  8. Louis Berrios, Michael E. Van Nuland, Julieta Alvarez Manjarrez, Jay Yeam, Geetha Saarunya Clarke, et. al.. (2023). Underground Heroes: Plants and Microbes Partner to Shape Our World. Front. Young Minds. 11;
  9. Hannah Giauque, Elise W. Connor, Christine V. Hawkes. (2019). Endophyte traits relevant to stress tolerance, resource use and habitat of origin predict effects on host plants. New Phytologist. 221, 2239-2249;
  10. Catherine Espinoza, Yan Liang, Gary Stacey. (2017). Chitin receptor CERK1 links salt stress and chitin‐triggered innate immunity in Arabidopsis. The Plant Journal. 89, 984-995;
  11. Kailash Chand KUMAWAT, Sharon NAGPAL, Poonam SHARMA. (2022). Potential of plant growth-promoting rhizobacteria-plant interactions in mitigating salt stress for sustainable agriculture: A review. Pedosphere. 32, 223-245;
  12. Wei Chen, Shenghua Yin, I. M. S. K. Ilankoon. (2022). Effects of forced aeration on community dynamics of free and attached bacteria in copper sulphide ore bioleaching. Int J Miner Metall Mater. 29, 59-69;
  13. Dresher, W.H. Producing copper nature’s way: Bioleaching. Copper Development Association Inc., 2004;
  14. W.-D. Deckwer, F. U. Becker, S. Ledakowicz, I. Wagner-Döbler. (2004). Microbial Removal of Ionic Mercury in a Three-Phase Fluidized Bed Reactor. Environ. Sci. Technol.. 38, 1858-1865;
  15. Maria J. Andrade, Line Thorsen, Alicia Rodríguez, Juan J. Córdoba, Lene Jespersen. (2014). Inhibition of ochratoxigenic moulds by Debaryomyces hansenii strains for biopreservation of dry-cured meat products. International Journal of Food Microbiology. 170, 70-77;
  16. Renato Chávez, Francisco Fierro, Ramón O. García-Rico, Federico Laich. (2011). Mold-Fermented Foods: Penicillium spp. as Ripening Agents in the Elaboration of Cheese and Meat Products. Mycofactories. 73-98;
  17. Rosane F. Schwan, Alan E. Wheals. (2004). The Microbiology of Cocoa Fermentation and its Role in Chocolate Quality. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 44, 205-221;
  18. Tushar Ranjan Moharana, Avinesh R. Byreddy, Munish Puri, Colin Barrow, Nalam Madhusudhana Rao. (2016). Selective Enrichment of Omega-3 Fatty Acids in Oils by Phospholipase A1. PLoS ONE. 11, e0151370;
  19. Hong hai Wang, Qiang Zhang, Xiong Yu, Jun Liang, Yu Zhang, et. al.. (2023). Application of Lipase B from Candida antarctica in the Pharmaceutical Industry. Ind. Eng. Chem. Res.. 62, 15733-15751;
  20. Asraf, S.S., Gunasekaran P. Current trends of ß-galactosidase research and application. In: Current research, technology and education topics in applied microbiology and microbial biotechnology / ed. by A. Méndez-Vilas. Formatex Research Center, 2010. P. 880–890;
  21. Kara G. Margolis, John F. Cryan, Emeran A. Mayer. (2021). The Microbiota-Gut-Brain Axis: From Motility to Mood. Gastroenterology. 160, 1486-1501;
  22. M.Y. Xue, H.Z. Sun, X.H. Wu, L.L. Guan, J.X. Liu. (2019). Assessment of rumen bacteria in dairy cows with varied milk protein yield. Journal of Dairy Science. 102, 5031-5041;
  23. Uttam Chand Banerjee, Rajesh Kumar Sani, Wamik Azmi, Raman Soni. (1999). Thermostable alkaline protease from Bacillus brevis and its characterization as a laundry detergent additive. Process Biochemistry. 35, 213-219.

Комментарии