Конкурс «Био/Мол/Текст»-2023/2024

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

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

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

---

«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.

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].

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].

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].

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.