Конкурс «био/мол/текст»-2015

Эта работа опубликована в номинации «Лучший обзор» конкурса «био/мол/текст»-2015.

---

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

---

Спонсоры конкурса: лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

В 1980 году профессор Регенсбургского университета Карл Штеттер не получил финансовую поддержку от властей Баварии для поиска организмов, живущих при высоких температурах, просто потому, что чиновники не поверили, что они могут существовать.

Однако во время отпуска профессору Штеттеру удалось взять пробы воды в термальных источниках, в которых впоследствии были обнаружены микроорганизмы, способные выживать при 100 °С (рис. 1). Оказалось, что существуют микроорганизмы, которые могут обитать практически в любых условиях внешней среды. Эти организмы были названы экстремофилами . Хотя до сих пор не разрешен вопрос, изначально ли они зародились в столь жестких условиях или когда-то нашли там экологическую нишу с пониженной конкуренцией?

Экстремофильные микроорганизмы — желанный объект исследования не только для эволюционного биолога и «структурщика», но и биотехнолога: они уже подарили и наверняка еще подарят науке и медицине исключительно полезные (и популярные) генно-инженерные инструменты. Однако путь от пробирки с термальной водой до коммерческого фермента долог и сложен — хотя бы потому, что экстремофилы капризны и в «человеческих» условиях развиваться частенько отказываются. Но необходимую информацию могут дать их геномы. О том, как эту информацию добыть и что с ней потом делать, рассказал сотрудник центра «Биоинженерия» РАН д.б.н. Андрей Марданов на 21-м семинаре Совета молодых ученых ИБХ: «Геномика экстремофильных микроорганизмов» (видео 1). — Ред.

Биомолекулы, выделенные из экстремофилов, обладают уникальными свойствами и сохраняют свою активность даже в самых жестких условиях, сравнимых с теми, что наблюдаются в индустриальных процессах. В связи с этим изучение экстремофилов, их организации и способов адаптации представляет особый интерес для внедрения биотехнологий в современную промышленность . Однако не только это. Закономерен интерес к выявлению тех или иных генетических характеристик экстремофилов с целью поиска возможных путей к выживанию более высокоорганизованных организмов, в частности человека.

Например, уникальные наноматериалы можно создать, подсмотрев принципы организации биомембран архей, стабильно выполняющих свои функции в самых недружелюбных средах: «Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей» [1]. — Ред.

Конечно, способность микроорганизмов выживать в экстремальных условиях не бесконечна. Например, самая высокая температура, зарегистрированная на Земле, — примерно 2000 °С по данным приборов в жерле активного вулкана — несовместима с жизнью. Считается, что верхний передел этой совместимости должен лежать около 140–150 °С, поскольку при этой температуре начинается разрушение жизненно важных биомолекул, например, АТФ — универсального источника энергии для большинства биохимических процессов.

На сегодняшний день самыми устойчивыми к высоким температурам микроорганизмами являются Pyrolubus fumarii, растущие при 113 °С, и Methanopyrus kandleri, прекрасно себя чувствующие при 122 °С. Они относятся к археям (одному из трех доменов жизни помимо бактерий и эукариот), которые имеют непревзойденную способность выживать в самых суровых условиях. Эти микроорганизмы были найдены в «черных курильщиках» (рис. 2). «Черные курильщики» являются еще одной загадкой нашей планеты: это глубоководные горячие источники, которые под сильнейшим напором извергают из себя воду черного цвета, тем самым напоминая дымящие трубы промышленных районов. Температура «дыма» в таком месте достигает 400 °С [2]!

Об эпохальном для микробиологии (и не только) событии — установлении трех базовых типов организации живых существ Карлом Вёзе — рассказывает статья «Карл Вёзе (1928–2012)» [3]; размышления Вёзе о кризисе биологии XX в. и наметившемся его преодолении приведены в материале «Эволюция между молотом и наковальней, или как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией» [4]. — Ред.

Другими поистине жаркими нишами являются трещины и отверстия в кратере и у подножия вулканов (рис. 3), которые в научной среде принято называть фумаролами (итал. fumarola, от лат. fumo — дым). По сравнению с ними горячие источники (или гейзеры), расположенные на Камчатке, в Новой Зеландии и США, представляют собой довольно «прохладные» места обитания: всего 50–100 °С против 650–1000 °C в фумаролах. Несмотря на более низкую температуру, именно из геотермальных источников была впервые изолирована бактерия Thermus aquaticus, ставшая донором термостабильной ДНК-полимеразы и подарившая молекулярной биологии полимеразную цепную реакцию. Схема данной реакции приведена на рисунке 4.

Обратимся теперь к другой крайности. Психрофилы — или, как их еще называют, криофилы — проживают в условиях, близких к точке замерзания воды . Низкие температуры наносят гораздо меньший ущерб клеточным структурам, поэтому к психрофилам относится большое количество представителей из всех трех доменов: археи, бактерии, дрожжи, водоросли и даже рыбы [5]. Эти рыбы синтезируют специальные антифризные белки , которые способствуют снижению точки замерзания воды, что позволяет им выживать при −2,2 °С.

Способность клеток живых организмов справляться с отрицательными температурами (при определенных обстоятельствах) пригодилась человеку в областях, далеких от зоологии и микробиологии. Например, решением проблемы бесплодия мы во многом обязаны криоконсервации, точнее, самому скоростному ее варианту — витрификации: «Витрификация — контролируемая пауза развития в стеклоподобном состоянии» [6]. — Ред.

Если «обычные» белки-антифризы контролируют рост кристаллов льда в тканях: «Установлен механизм действия „белков-антифризов“» [7], — то коварные мембранные белки INA, защищая «внутренности» некоторых бактерий, стимулируют образование льда на бактериальной поверхности. Но что хорошо бактерии, то ее хозяину — растению — беда: клетки рвутся ледяными кристаллами. А с другой стороны, во многом благодаря этим хитрым бактериям почву (а значит, и нас) питает дождь: «О, этот благодатный дождь из бактерий!» [8]. — Ред.

Большинство мест обитания на земле считаются холодными, если температура в них не превышает 5 °С. «Почему?» — спросите вы. Следящие за новостями могут добавить, что согласно отчету НАСА, средняя температура на Земле за 2013 год составила 14,6 °С [9]. Однако не стоит забывать о том, что ~70% поверхности земного шара покрыто океанами, которые имеют постоянную температуру 4 °С на глубине ниже 1000 метров. Еще 15% относятся к полярным зонам, к которым стоит добавить ледниковые и альпийские регионы; помимо прочего, вечная мерзлота занимает более 20% площади суши земного шара.

Формально не определен нижний предел температуры, при которой возможно существование живых организмов, так как большинство видов микроорганизмов могут долгое время находиться в стазисе (состоянии полной остановки метаболических процессов) при низкой температуре, а затем возвращаться к жизни — как только условия станут более подходящими [10]. Было установлено, что в замороженных образцах бактерии могут выживать даже в течение 500 тысяч лет. Столь высокая жизнестойкость связана со способностью к медленному восстановлению молекул ДНК, позволяющему сохранить всю генетическую информацию клетки. В полярных регионах встречаются необычные места обитания (например, пористые камни в сухих долинах Антарктики), населенные микробными сообществами, которые могут существовать при −60 °С. Или, например, в жидких «соленых венах» в кристаллах морского льда обнаружены метаболически активные микроорганизмы при −20 °С. Эти примеры иллюстрируют не только необычайную приспособляемость микроорганизмов к низким температурам, но и то, что психрофилы являются наиболее «богатыми» экстремофилами с точки зрения биомассы, видового разнообразия и распространения.

Но оставим температуру и обратимся к другой интересной проблеме выживания на Земле. Одной из важных характеристик среды является концентрация ионов водорода, которая обозначается символами рН и определяет кислотно-щелочное равновесие. Для каждого микроорганизма существует своя оптимальная концентрация ионов водорода, в пределах которой он может развиваться. Большинство биологических процессов протекает при среднем значении pH около 7,0. Однако значения pH могут достигать 10 (низкая концентрация ионов водорода), как в содовых озерах, или опускаться до 5 и ниже (высокая концентрация), как в кислотных озерах Скандинавии. На рисунке 5 приведены примеры сред с различными значениями pH.

Ацидофилы («любители кислоты») «процветают» при низких pH. Если задаться целью найти «чемпионов» среди любителей кислых сред, то стоит забыть о рыбах и цианобактериях, которые живут только при pH выше 4, и даже о растениях и насекомых с их нижними границами pH 2–3. Самыми экстремальными ацидофилами являются одноклеточные эукариоты, которые обитают при pH ниже 1. Среди них лучше всего охарактеризованы красная и зеленая водоросли Cyanidium caldarium и Dunaliella acidophila, способные выживать при pH 0–0,5. Несмотря на разрушительное воздействие кислых сред, ацидофилы смогли разработать несколько механизмов приспособления, основанных на «пассивной» (не требующей затрат энергии) и «активной» (расходующей энергию) регуляциях. Пассивная регуляция основана на работе клеточной мембраны, которая препятствует прохождению нежелательных молекул в клеточную среду. При помощи активной регуляции клетки способны «выкачивать» наружу ионы водорода, повышая тем самым pH внутри клетки. Изучение ацидофилов имеет первостепенное значение для человека, поскольку некоторые микробы обладают специальной системой кислотного сопротивления, которая позволяет им выживать при низких значениях pH в наших желудках и вызывать различные заболевания.

Однако встречаются и очень высокие значения pH. Интересно, что, посетив однажды озеро Моно (рис. 6), известный писатель Марк Твен отметил: «Этот щелок отстирает даже безнадежно грязную одежду». И добавил, что «в озере ничего такого, что скрашивает человеку жизнь», то есть отсутствует какая-либо флора и фауна.

И без того известное озеро время от времени становится героем сенсационных историй. Не так давно таблоиды находили там внеземные формы жизни, на поверку — то есть при адекватном прочтении пресс-релиза НАСА — оказавшиеся гало- и алкалифильными, но вполне земными, бактериями Halomonadaceae GFAJ-1. Ну да, мышьяк вместо фосфора в ДНК может позволить себе не каждый, но если фосфора нет, надо же как-то размножаться?! И вообще, кажущиеся экстравагантными сейчас, GFAJ-1 могли бы слыть самыми заурядными микробами в прошлом: «Почти детективная история о том, как элемент-убийца помог возникнуть жизни» [11]. — Ред.

Только спустя 125 лет ученые показали, что озеро на самом деле изобилует разнообразием микробной жизни. Что же помогает микроорганизмам приспосабливаться к чрезвычайно высоким значениям pH среды? Для клетки большую роль играет способность поддерживать внутреннюю концентрацию ионов водорода близкой к нейтральной. Особое место в адаптации микроорганизмов к высокощелочным средам занимают ферменты, способные сохранять активность при высоких значениях рН [12], [13]. Эти ферменты нашли широкое применение в промышленности: протеазы в качестве основного компонента моющих средств, пектиназы для получения высококачественной бумаги и вторичной переработки отходов и т.д.

Теперь вернемся к тому, о чем мы говорили в самом начале. Изучение экстремофилов формирует новое направление научных исследований в биотехнологии. Выносливость, высокая приспосабливаемость делает эти организмы особенно привлекательными. Они открывают огромные перспективы не только в науке, но и в медицине, промышленности и даже в области освоения космоса как самой экстремальной из известных сред. Будем надеяться, что эти исследования приведут к новым успехам в познании жизни, путей ее зарождения и возможном ее распространении в далекие пространства!

Остроумные эксперименты Майка Рассела, призванные воссоздать ситуацию на Земле в «момент» зарождения жизни, описаны в статье «К вопросу о происхождении жизни» [14]. — Ред.

Литература

1. Чугунов А. (2014). Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей. Сайт ИБХ РАН;
2. «Черные курильщики»: гидротермальные источники в бездне. (2013). Сайт Русской службы BBC;
3. Карл Вёзе (1928–2012);
4. Эволюция между молотом и наковальней, или Как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией;
5. Возможна ли жизнь без гемоглобина?;
6. Витрификация — контролируемая пауза развития в стеклоподобном состоянии;
7. Установлен механизм действия «белков-антифризов»;
8. О, этот благодатный дождь из бактерий!;
9. NASA finds 2013 sustained long-term climate warming trend. (2014). Отчет НАСА;
10. От живого к неживому и обратно;
11. Почти детективная история о том, как элемент-убийца помог возникнуть жизни;
12. Feller G. (2010). Protein stability and enzyme activity at extreme biological temperatures. J. Phys. Condens. Matter. 22 (32), 323101;
13. Protein adaptation in extremophiles (molecular anatomy and physiology of proteins) / ed. by Siddiqui K.S. and Thomas T. NY: Nova Science Publishers Inc., 2008. — 250 p.;
14. К вопросу о происхождении жизни.