Микроорганизмы могут выдерживать отсутствие пищи, высокие и низкие температуры, солёность, кислотность, действие антибиотиков и многие другие стрессы. Но для учёных важно не только узнать, где лежит предел их выносливости: понимая механизмы выживания бактерий, можно лучше лечить инфекции, сохранять полезные культуры для биотехнологий и создавать новые продукты. Руководитель лаборатории выживаемости микроорганизмов ФИЦ Биотехнологии РАН Юрий Николаев в интервью объединенной редакции проектов «Индикатор» и InScience.News рассказывает, как лаборатория выросла из нескольких групп, объединившихся в трудные для науки 1990-е, почему коллекция UNIQEM хранит штаммы, которых нет больше нигде, и как бактерии становятся важными союзниками человека.
– Юрий Александрович, с чего начиналась лаборатория выживаемости микроорганизмов? Какие задачи перед ней ставились?
– Про нашу лабораторию можно обстоятельно и долго разговаривать, например в поезде «Москва – Владивосток». Уверен, что её история – одна из самых богатых в нашем Центре, но формат интервью обязывает быть кратким и конкретным.
Лаборатория была создана в 1996 году – ровно 30 лет назад – под названием «Лаборатория классификации и хранения уникальных микроорганизмов». Её организатором и первым заведующим был член-корреспондент РАН Валерий Фёдорович Гальченко. В новую лабораторию вошли несколько исследовательских групп, каждую из которых возглавлял крупный специалист в своей области. Это были группа актиномицетов профессора Владимира Дмитриевича Кузнецова, группа метанотрофных бактерий Валерия Фёдоровича Гальченко, группа микробной ауторегуляции профессора Галины Ивановны Эль-Регистан, группа почвенной микробиологии и олиготрофных бактерий профессора Дениса Ивановича Никитина. Некоторое время в состав лаборатории также входила группа геносистематики микроорганизмов доктора биологических наук Татьяны Павловны Туровой.
Юрий Николаев – студент-исследователь. Источник: ФИЦ Биотехнологии РАН
Девяностые были для российской науки и Института микробиологии временем перемен и выживания при хроническом недостатке финансирования. Когда-нибудь, я думаю, поставят памятник учёным, которые остались в науке в то время. Несколько небольших групп, связанных с классификацией, хранением и физиологией микроорганизмов, тогда, образно говоря, “взялись за руки, чтобы не пропасть поодиночке”.
Изначально лаборатория сосредоточилась на двух задачах, вынесенных в её название: классификации и хранении уникальных микроорганизмов. Мы изучали редкие, малоисследованные и трудно культивируемые культуры, а также разрабатывали способы долго сохранять их жизнеспособность и важные для биотехнологии свойства. Работа с микроорганизмами, которые вынуждены существовать в экстремальных условиях, и сама необходимость длительно хранить культуры быстро подвели нас к главному вопросу: как микробы выживают – и в активно растущем состоянии, и в состоянии покоя?
Одним из важнейших результатов первых лет стало создание современной системы хранения микроорганизмов и Центра коллективного пользования «Коллекция микроорганизмов UNIQEM». В ней собраны уникальные представители микрофлоры; многие штаммы не дублируются в других мировых коллекциях. Для хранения используются низкотемпературное и лиофильное оборудование, работает электронный каталог, база данных UNIQEM и специализированная система поиска штаммов по их свойствам.
– Как менялись состав лаборатории и её задачи? Чем вы занимаетесь сегодня?
– В 2011 году лабораторию переименовали в лабораторию выживаемости микроорганизмов. Это подчёркивало, что именно выживание стало её ключевой объединяющей темой. Кроме того, хранение микроорганизмов постепенно выделялось в специализированное направление, а классификация – слишком широкая область, которой в Институте микробиологии занимаются и другие подразделения.
С 2014 по 2018 годы лабораторией руководил профессор, доктор биологических наук Дмитрий Анатольевич Складнев, а с 2018 года – я.
Лаборатория развивалась как живой организм: менялась, росла, приобретала новые функции. В 2011 году к нам пришёл Дмитрий Анатольевич Складнев и принёс направление, связанное с образованием биогенных нанокристаллов металлов. Такие частицы могут служить индикаторами физиологического состояния разных биологических объектов.
В 2013 году к лаборатории присоединилась кандидат биологических наук Рузалия Владимировна Уланова. Она развивает молочнокислую ферментацию немолочных продуктов - из растительного сырья и биомассы насекомых – новой антропогенной экологической ниши для молочнокислых бактерий.
А в 2019 году к нам пришёл кандидат биологических наук Тимофей Анатольевич Панкратов, который занимается микробными симбиозами: тем, как микроорганизмы взаимодействуют и выживают в составе сложных сообществ. Сейчас основными объектами служат микробы лишайников, но круг объектов будет расширяться.
В том же 2019 году лаборатория существенно выросла благодаря группе биоплёнок профессора, доктора биологических наук Владимира Константиновича Плакунова. Так лаборатория превратилась в «созвездие» исследователей: мы работаем с разными объектами, применяем разные методы, но соединяем всё это вокруг одной большой темы – механизмов выживания, адаптации и взаимодействия микроорганизмов.
У нас есть глубокая научная родословная. Группы, которые сегодня входят в лабораторию, продолжают направления, созданные крупными отечественными микробиологами. Среди них – член-корреспондент АН СССР Николай Александрович Красильников, изучавший актиномицеты и почвенные микроорганизмы; академик Владимир Николаевич Шапошников; академик АН СССР Николай Дмитриевич Иерусалимский; академик Георгий Константинович Скрябин. Я сам формировался как учёный в лаборатории регуляции микробного метаболизма под руководством Владимира Константиновича Плакунова.
Отдел Н.А.Красильникова. Источник: ФИЦ Биотехнологии РАН
Сегодня можно выделить шесть крупных направлений работы.
1) Мы изучаем базовые механизмы адаптации и выживания бактерий при стрессах: от состояния покоя и клеток-персистеров до ауторегуляции, гетерогенности популяций и действия стрессовых факторов на растущие культуры.
2) Исследуем устойчивость микроорганизмов к антибиотикам и биоцидам в одно- и многовидовых биоплёнках, в том числе роль состава сообщества, архитектуры матрикса и факторов организма-хозяина.
3) Анализируем почвенные микробные сообщества, связанные с круговоротами углерода и азота, а также взаимодействия фитостимулирующих бактерий с сельскохозяйственными растениями.
4) Изучаем микробные симбиозы: их таксономическую структуру, молекулы-регуляторы и формирование консорциумов.
5) Исследуем образование биогенных наночастиц металлов бактериями, другими микроорганизмами и клетками растений и животных; ищем возможности использовать этот феномен в экспресс-оценке физиологического состояния клеток и диагностике.
6) Развиваем основы молочнокислой ферментации немолочной продукции из растительного сырья и биомассы личинок насекомых.
– Для неспециалиста «выживаемость микроорганизмов» звучит как сюжет фильма-катастрофы. Простыми словами, что вы изучаете – и зачем это людям?
– Да, звучит похоже. Но в фильмах показывают выживание людей – для нас это драматичнее. А у бактерий стресс часто выглядит как довольно банальная экспоненциальная кривая снижения численности. Но вопросы «как?» и «как долго?» микробы выживают, действительно принципиальны для человека.
Наша жизнь без микроорганизмов невозможна. В кишечнике человека содержится несколько килограммов микробной массы; большая часть этих микробов полезны. Но есть и патогены, которые вызывают тяжёлые болезни. Микроорганизмы – важнейшая часть природных сообществ и множества производств. Поэтому надо уметь управлять ими: где-то сдерживать рост или уничтожать опасные формы, где-то поддерживать и культивировать полезные. А для этого необходимо понимать механизмы их гибели и сопротивления гибели.
Микробы чрезвычайно разнообразны. Некоторые способны жить при температурах до 122 °C, без кислорода, в насыщенных солевых растворах, при очень низких или высоких значениях pH. Этим занимаются микробиологи-«экстремофильщики», в том числе наши коллеги в Институте.
Но тут ведь как: одному хорошо, другому – карачун. Микроб, которому привычны 100°C или pH 2, в условиях нашего кишечника окажется в экстремальном стрессе. Мы же, прежде всего, изучаем обычных обитателей почвы, микробиома человека и биотехнологических процессов – то есть то, как они переживают условия, неблагоприятные именно для них.
Есть и очень практические примеры. Понимая механизмы устойчивости, можно во много раз усиливать действие антибиотиков с помощью веществ-адъювантов. А чтобы полезные бактерии в биопрепаратах – молочнокислые, нефтеокисляющие, применяемые для силосования и многие другие – не теряли активность при хранении, нужно замедлять их отмирание. Мы умеем повышать выживаемость, переводя клетки в состояние покоя или применяя специальные стабилизаторы, например гелевые системы.
– Какие результаты последних лет о пределах выживаемости бактерий и грибов кажутся вам самыми впечатляющими?
– Лично меня особенно впечатляет способность микробов не просто выживать, а именно жить, размножаться при 122 °C на морской глубине.
Было удивительно узнать, что микроорганизмы способны переживать падение небесных тел. Это делает возможной гипотезу панспермии – переноса микробной жизни между космическими телами. В этом году мы сами убедились в такой возможности, повторив более ранние эксперименты на моделях спускаемых модулей космических аппаратов и добавив количественные оценки.
Самым масштабным по последствиям для экологии, физиологии и геохимии микроорганизмов я считаю открытие глубинной микробной биосферы. Впечатляют и её расчётные масштабы, и необычайно медленный рост микробов в таких условиях.
Для нас важным стало и недавнее наблюдение: бактерии могут очень долго сохраняться при сверхмедленном метаболизме в гелях. Это можно рассматривать как особую форму выживания.
– Как сложился ваш личный путь в микробиологию выживания и как вы стали заведующим лабораторией?
– Тут всё просто. Сначала я пришёл в микробиологию. В последних классах школы я осознал, что бактерии имеют размер всего около микрона, но умеют очень многое! Мне жутко захотелось понять, как у них получается размножаться, двигаться, общаться, выживать и делать ещё массу вещей.
Юрий Николаев – стажер в лаборатории. Источник: ФИЦ Биотехнологии РАН
По мере изучения стало ясно, насколько микроорганизмы важны для человека. Захотелось научиться ими управлять, «дрессировать». А для этого нужно понимать, как они выживают в разных условиях и как общаются друг с другом и с внешним миром, включая нас.
Становиться заведующим я, честно говоря, не собирался: слишком много сил уходит на организационные вопросы, а не на исследования. Моим пределом планов было руководить группой и изучать взаимодействия и управление микробами. Но освободилось место заведующего, и я оказался в нужное время в нужном месте.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
