РОЛЬ БЕСКОНЕЧНО МАЛОГО БЕСКОНЕЧНО ВЕЛИКА
Актуальные публикации по вопросам современной биологии. Биотехнологии.
Член-корреспондент РАН Ирина ИВШИНА, заведующая лабораторией алканотрофных микроорганизмов Института экологии и генетики микроорганизмов (ИЭГМ) УрО РАН, профессор кафедры микробиологии и иммунологии Пермского государственного национального исследовательского университета
Микробам - этим бесконечно малым живым существам - принадлежит бесконечно большая роль в природе.
Луи Пастер
Изучение бактерий - древнейших форм земной жизни - и вовлечение их в сферу активной деятельности человека немыслимы на основе лишь документальных описаний. Без сохранения изученных штаммов систематика этих микроорганизмов была бы подобна попытке составить атлас звездного неба по разобщенным наблюдениям мерцаний отдельных далеких светил. Если же сравнить определитель бактерий с картой малоизученного материка, в глубине которого вместо ожидаемых скалистых гряд исследователь нередко обнаруживает волны песчаных барханов, то коллекция живых культур - это освоенное побережье, откуда начинаются путешествия в неизведанные пространства. Об одной из таких коллекций и пойдет речь.
ЛАБОРАТОРНЫЕ РЕЗЕРВАЦИИ
Сегодня происходит серьезный поворот в сознании общества, приходящего к пониманию своей критической зависимости от мира микробов в целом. Игнорирование их разнообразия ведет к нежелательным последствиям в медицине, охране окружающей среды, биотехнологии. Напротив, углубление таких знаний способствует поиску оптимальных путей сохранения генофонда микробных генетических ресурсов планеты, открывает перспективы прогноза и управления экологической обстановкой, разработки и внедрения новейших технологий с использованием живых биологических систем. Не случайно исследование микроорганизмов, и прежде всего тех,
что связаны с деятельностью человека, становится предметом широких международных инициатив.
Один из эффективных способов изучения и сохранения мельчайших организмов - поддержание их в лабораторных резервациях. И на фоне бурного развития мировой биоэкономики коллекционное дело во многих странах переживает ренессанс. Депозитарии приобретают все большую значимость, и даже наблюдается тенденция оценки их в денежных знаках.
В качестве примера приведем историю получения первой термостабильной ДНК-полимеразы (Taq-полимеразы) из экстремально термофильной бактерии Thermus aquaticus. Она обитает в горячих (с температурой выше 55°С) источниках Йеллоустонского национального парка США, знаменитого своими гейзерами, и впервые была выделена доктором Томасом Броком и его студентом Хадсоном Фризом.
Изолированный в чистую культуру и идентифицированный в 1969 г. бактериальный штамм первооткрыватели передали в американскую коллекцию. Биохимик Кэри Мюллис, сотрудник биотехнологической компании, купившей штамм за символическую цену - 35 дол., в 1993 г. получил Нобелевскую премию за то, что выделил из этого микроорганизма способный выдерживать высокие температуры фермент и раскрыл перспективы его использования. Разработанная им же технология полимеразной цепной реакции позволила выборочно копировать обширные участки ДНК, а это означало прорыв в молекулярной биологии, генной инженерии и медицине. Права на технологию и патент на использование Taq-полимеразы уже за 300 млн. дол. приобрела швейцарская корпорация "Ф. Хоффманнля Рош Лтд.". На использовании драгоценного фермента ею создано промышленное производство, приносящее миллиардные прибыли.
Надо отметить, еще в 1930-х годах подобный термофильный микроорганизм (представитель фотосинтезирующих бактерий) выделил в СССР микробиолог Борис Перфильев из горячего источника вблизи поселка Курортное на Керченском полуострове. Автор назвал его тиодендроном (Thiodendron lateens). К сожалению, культура не была сдана в коллекцию на хранение. И хотя в 1980-х годах предпринимались попытки выделить тиодендрон повторно, к тому времени место обитания термофила и биоценоз были непоправимо нарушены, а вместе с культурой были потеряны уникальные гены и ферменты.
Связь местообитания и микроорганизмов очевидна, и последние, прежде всего стенобионтные (локальные, существующие в узких экологических условиях) виды, нуждаются в охране, ибо с исчезновением их "мест проживания" они могут исчезнуть с лица Земли: в этом случае уникальные гены становятся недоступными для изучения.
Вот почему уже давно в научной гонке за конкурентными преимуществами для своих национальных экономик многие страны создают и пополняют коллекции микробных культур. В соответствии с концепцией, инициированной Организацией экономического сотрудничества и развития, догеномные коллекции реформируются в биологические ресурсные центры - современные хранилища и поставщики высококачественного биологического материала, ценных сведений о нем. Этот переход отражает эволюцию депозитариев микроорганизмов вслед за научно-техническим прогрессом и под давлением событий, происходящих в социально-экономической, правовой и политической сферах.
При этом предпочтение отдается формированию, укреплению и развитию специализированных коллекций, взаимодействующих по единым правилам и
Родококки, выращенные на мясопептонном агаре (b-d) и минеральной среде в присутствии пропана (а):
а - х 44000; b - х 8000;
с - х 10000; d - x 12000.
отвечающим потребностям пользователей. Специфика таких собраний в том, что они являются не только центрами хранения микробных культур, но и всеобъемлющей информации по их свойствам, перспективам использования, а в коллекциях широкого профиля это в принципе невозможно обеспечить. Крупномасштабное выявление и введение в культуру все новых групп микроорганизмов ведет к неимоверному разрастанию объемов фондов, что усложняет работу, а потому образование многопрофильных коллекций-гигантов во всем мире затормозилось, массовое же развитие получает сеть децентрализованных собраний микробных культур.
На настоящий момент во Всемирном центре данных о микроорганизмах (The World Data Centre for Microorganisms - WDCM, http://wdcm.nig.ac.jp) зарегистрировано 592 коллекции из 68 стран мира. Общий объем поддерживаемых культур - около 2 млн. Следует отметить, что свыше 50% этих депозитариев получают постоянную государственную поддержку. Во Всемирном справочнике коллекций культур (World Directory of Collections of Cultures of Microorganisms) Россия представлена 16 коллекциями (для сравнения: Франция - 35, Бразилия - 52, Шри-Ланка - 4). По этой статистике можно косвенно судить об уровне внимания к национальным генетическим ресурсам в той или иной стране, о степени ее готовности к решению проблем биоразнообразия и, в конечном итоге, биотехнологии.
Российские коллекции микроорганизмов функционируют в качестве структурных подразделений госбюджетных учреждений, относящихся к различным ведомствам. Эти собрания можно подразделить на три категории. Первая - коллекции широкого профиля, где поддерживаются эталонные культуры известных видов микроорганизмов с целью систематики и разработки классификационных схем и методов их идентификации. Они же выполняют функции патентного депонирования и экспертных центров в области таксономии микроорганизмов. Вторая категория - специализированные (коллекции при учреждениях, академические), предназначенные для изучения и сохранения микроорганизмов конкретных таксономических групп, выделенных из природных экосистем и обладающих потенциально ценными свойствами. Третья - исследовательские (частные, чаще всего монографические), формируемые отдельными учеными для использования штаммов в узкоспециальных научно-поисковых проектах.
УРАЛЬСКОЕ СОБРАНИЕ АЛКАНОТРОФОВ
Один из специализированных узлов интенсивно развивающейся сети микробных депозитариев - действующая на Урале Региональная профилированная коллекция алканотрофных микроорганизмов* (официальный акроним коллекции ИЭГМ,
*Алканотрофы - микроорганизмы, образующие органическое вещество за счет углеводородов (прим. ред.).
www.iegm.ru/iegmcol). Она входит в состав лаборатории нашего Института. Основой же ее послужило авторское собрание углеводородокисляющих культур, начатое в 1975 г. в связи с попытками использования их в качестве биоиндикаторов нефтегазоносности и экологических загрязнений. Коллекция специализируется на поддержании актинобактерий, ведущих окисление природных и антропогенных углеводородов и таким образом участвующих в биогеохимических процессах биосферы, формировании безуглеводородной атмосферы Земли.
При разработке концепции профиля нашего собрания учитывалось то, что Пермский край - один из перспективных нефтегазопромысловых районов Российской Федерации, а добыча природных углеводородов сопряжена с экологическими проблемами. И главная из них - нефтяные загрязнения: борьба с ними актуальна для всех территорий, где добывают "черное золото". Но и на Урале, и к востоку от него вплоть до тихоокеанского побережья аналоги подобные нашему депозитарию отсутствуют (правда, в Сибири действует коллекция светящихся бактерий Института биофизики СО РАН (Красноярск), а на Дальнем Востоке - морских микроорганизмов Тихоокеанского института биоорганической химии ДВО РАН (Владивосток).
В настоящее время объем собранного коллекционного генофонда составляют более 2 тыс. чистых, идентифицированных, детально охарактеризованных непатогенных штаммов, выделенных в результате многолетних экспедиций и полевых исследований из многих тысяч образцов почв, ризосферы, поверхностных и пластовых вод, снега, воздуха, керна, отобранных из контрастных эколого-географических регионов, в том числе Пермского Предуралья и Восточной Сибири, части Поволжья (Ульяновская область) и Красноярского края. Последнее особенно важно, ибо экологическое положение и источник выделения микробных культур определяют не только разнообразие их фенотипов, но и наличие таких форм изменчивости, которые могут указывать на несхожесть в генотипах. На мой взгляд, ценность этого собрания в том, что многие виды бактерий представлены в нем не единичными (зачастую только типовыми) штаммами, а многочисленными природными изолятами из различных ареалов их обитания с охватом основных географических зон СНГ, что позволяет изучать экологическую пластичность бактериальных видов, целенаправленно проводить отбор активных биопродуцентов ценных веществ и биодеструкторов органических загрязнителей.
Среди имеющихся культур широко представлены экстремотолерантные (способные жить в экстремальных условиях) формы с высокой активностью оксигеназ*, перспективные для промышленной эксплуатации, штаммы-продуценты незаменимых аминокислот, витаминов, биосурфактантов**, а также штаммы-деструкторы экополлютантов (загрязнителей), в том числе сырой нефти и нефтепродуктов. Здесь следует пояснить, что в последние годы именно экстремотолерантные микроорганизмы приобретают все большую экологическую значимость и служат предметом интенсивного изучения, ибо лавинообразно увеличивается число местообитаний, в которых организмы находятся в экстремальных условиях.
НА ЧТО СПОСОБНЫ РОДОКОККИ?
Сердце коллекции алканотрофов - бактерии рода Rhodococcus, принадлежащие к актиномицетной линии эволюции прокариот, новому классу Actinobacteria. В ИЭГМ собран самый полный в стране и за рубежом фонд непатогенных штаммов родококков. Каждый из них детально изучен с привлечением современных методов. А ведь еще недавно они вызывали лишь умеренный интерес исследователей.
* Оксигеназы - ферменты, катализирующие активирование молекулярного кислорода и последующее включение одного или двух его атомов в молекулы различных субстратов (прим. ред.).
** Биосурфактанты - поверхностно-активные вещества биогенного происхождения, имеющие существенные преимущества перед применяемыми синтетическими детергентами и перспективные для очистки биотопов от углеводородных скоплений (прим. авт.).
Казалось бы, медленный рост, сложности выделения и идентификации, отсутствие выраженных патогенных свойств не способствовали вовлечению этой группы микроорганизмов в круг объектов фундаментальных исследований. Однако по мере накопления данных становилось ясно: они обладают экстраординарным разнообразием свойств и функций, круг которых пока не очерчен даже примерно.
Обнаружение у родококков способности аккумулировать молекулярный азот в присутствии n-алканов дает основание предположить древнее происхождение азотфиксаторов, усваивающих углеводороды, и их полезную роль в поддержании азотного и углеродного баланса в природе. Кстати, "умением" утилизировать N2 наделены далеко не все микроорганизмы.
Родококки - постоянные и доминирующие компоненты естественного биоценоза экстремальных местообитаний, в том числе биотопов районов нефтяных загрязнений и нефтепромыслов, биотопов с повышенным содержанием минеральных солей и пр. Особое место среди алканотрофных родококков занимают представители, биохимическая уникальность которых - способность ассимилировать, наряду с жидкими n-алканами, высшие газообразные гомологи метана (С2-С4). Одно уже это свойство делает их наименее зависимыми от внешней среды и позволяет существовать в условиях, неблагоприятных для других микроорганизмов.
В современной биотехнологии родококки - одна из самых разрабатываемых бактериальных групп, у них широкие перспективы промышленного применения и потому в последние годы существенно возросло количество публикаций и патентов с их использованием. Но вместе с тем коллекционные фонды представителей данного таксона по всему миру весьма ограничены: Всероссийская коллекция микроорганизмов располагает 38 штаммами, японская - 92, Институт Пастера (Франция) - 66, национальная коллекция культур Великобритании - 88, немецкая коллекция микроорганизмов - 217, американская коллекция типовых культур - 77 штаммами родококков.
Комплексное исследование этой группы актинобактерий выявило высокую приспособляемость природных изолятов. В основе исключительной экологической и биологической их пластичности - комплекс приемов выживания в естественных биотопах, характеризующихся экстремальными внешними условиями. В их числе алкано- и олиготрофный образ жизни; диауксотрофия (возможность переходить с углеводородного субстрата на углеводный); способность к синтезу и аккумуляции эндогенных резервных веществ в качестве дополнительных энергетических источников, что обеспечивает преимущество в условиях лимитированного роста в неблагоприятных условиях, гарантирует высокую выживаемость при исчерпании ресурсов. А еще - способность расти при низких (4- 10°С) температурах (родококки выделяются из образцов арктической, субарктической, таежно-лесной почв), в широком диапазоне активной кислотности (т.е. при рН 5 - 8) и др. Наконец, наличие сложного морфогенетического цикла развития; склонность к высокой клеточной дифференциации, адгезии и колонизации поверхностей, а также способность к агрегации, что позволяет популяции расти в условиях, при которых одиночные клетки не способны к размножению.
По нашим данным, родококки синтезируют в присутствии n-алканов внеклеточные аминокислоты, в том числе такие незаменимые* для человека, как аргинин, валин, лизин, гистидин и др. Важно отметить, что сверхсинтез аминокислот выше у тех представителей, которые культивируются в присутствии пропана. Коллекционные штаммы, способные к активному продуцированию аминокислот, могут быть востребованы в качестве исходного материала для селекции перспективных форм, синтезирующих преимущественно одну аминокислоту в количествах, достаточных для производства.
Далее. Реально применение коллекционных культур родококков при поисках залежей нефти и газа. Так, нами установлена приуроченность отдельных видов-
* Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться в организме и поступают только с пищей (прим. ред.).
доминантов пропан- и бутанокисляющих актинобактерий (R. rhodochorus и R. ruber) к контуру нефтеносных структур. Подтверждена их информативность и разработан экспресс-метод обнаружения индикаторных видов родококков с использованием видоспецифических поликлональных иммунных сывороток.
Одно из биотехнологически ценных качеств родококков - способность синтезировать в присутствии жидких n-алканов сурфактанты, снижающие поверхностное и межфазное (до 26 - 28 и 2 - 5 мН/м соответственно) натяжение воды, обладающие высокой эмульгирующей и нефтеотмывающей активностью и проявляющих широкий спектр биологической активности, в частности, выраженное иммуномодулирующее и противовоспалительное действие. Продуцируемые родококками биосурфактанты используются при биоремедиации* нефтезагрязненных почв. На их основе разработана и запатентована экологически безопасная технология восстановления нефтезагрязненных почв и грунтов, адаптированная к применению в регионах умеренного и холодного климата и обеспечивающая в течение семи недель 90%-ную эффективность очистки почвы с изначально высоким уровнем загрязнения**.
Нами получены новые сведения, касающиеся способности коллекционных культур родококков к активной аккумуляции цезия в присутствии n-алканов. Имеющиеся опытные данные и отобранные штаммы можно использовать при разработке биотехнологического способа очистки промышленных вод, загрязненных радионуклидами и нефтепродуктами.
Подчеркнем, практическое использование алканотрофных родококков в различных областях биотехнологии требует надежных методов сохранения жизнеспособности и первоначальных свойств данных культур. Поэтому для каждой конкретной таксономической группы микроорганизмов необходим индивидуальный подбор методов хранения. И важно то, что в ИЭГМ разработаны оптимальные режимы криоконсервации бактериальных культур. Прогнозируемая длительность их жизнеспособности определяется в границах от 20 до 40 лет.
Следует отметить, что для дифференциации столь сложной в таксономическом отношении группы актинобактерий у специалистов нет единого "золотого" стандарта. А идентификация их по схемам современных определителей, включающих огромное количество признаков, технически крайне сложна. Вот почему нами предложена оптимизированная схема видовой дифференциации, основанная на использовании ограниченного числа признаков. Сегодня она успешно применяется в крупномасштабных таксономических исследованиях бактериальных культур.
НЕ ТОЛЬКО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР
Наш депозитарий микроорганизмов ведет и прикладные работы с использованием коллекционного генофонда алканотрофов. В частности, уже предложены носитель иммобилизованных клеток углеводородокисляющих бактерий, биопрепарат нового состава и формы, пригодный для очистки нефтезагрязненных грунтов в регионах с экстремальными климатическими условиями и др.
Реализация имеющегося биотехнологического потенциала требует кооперативного взаимодействия специалистов разного профиля. На базе коллекции ИЭГМ проводятся совместные исследования с Институтом технической химии Пермского научного центра УрО РАН - по проблемам биотрансформации природных органических соединений; Научным центром порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета - по биокоррекции фазового состава разрабатываемых высокопористых полифазных керамических материалов с целью улучшения их эксплуатационных характеристик; Напиер университетом (Эдинбург, Великобритания) - по синтезу биосурфактантов; филиалом "ПермНИПИнефть" ООО "Лукойл-инжиниринг", Исследовательским центром оценки загрязненных земель Эдинбургского университета. Шотландской сетью технологий окру-
* Биоремедиация - комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов - растений, грибов, насекомых, червей и других организмов (прим. ред.).
** За разработку и внедрение научно обоснованной системы оценки и реабилитации нарушенных и загрязненных природных территорий в условиях северных регионов нашей страны возглавляемый Ириной Ившиной авторский коллектив удостоен премии Правительства РФ в области науки и техники за 2008 г. (прим. ред.).
жающей среды (Университет Стратклайда, Глазго, Великобритания) - по биоремедиации нефтезагрязненных почв и грунтов.
По своей концепции коллекция - не только научно-исследовательский, но и своего рода научно-образовательный центр. На ее базе выполняют научные работы учащиеся городского биологического лицея, которые, как правило, поступают на биологический факультет Пермского государственного национального исследовательского университета, а наиболее одаренные из них, пройдя позднее аспирантуру в ИЭГМ УрО РАН, защищают диссертации.
Все биоресурсы депозитария открыты для пользователей. Он входит в мировой фонд микробных коллекций, является членом Всемирной федерации коллекций культур и аналогичной европейской организации, располагает компьютерной базой данных. Информация о поддерживаемых штаммах представлена в систематически издаваемых каталогах. Возможности нашего собрания активно востребуются в рамках региональных, федеральных и международных программ, в том числе в проекте 7-й Европейской рамочной программы, выполняемой совместно с коллегами из Бельгии, Италии, Швейцарии. Среди наших пользователей коллективы отечественных и зарубежных вузов и исследовательских учреждений, специалисты в области микробиологии, биотехнологии, экологии и медицины, инженерно-технические работники промышленных предприятий. На базе коллекции ИЭГМ работают краткосрочные обучающие курсы по выделению, культивированию и идентификации алканотрофных микроорганизмов.
Позиции, занимаемые нашим научным коллективом, могли бы быть еще выше, если бы в России действовали конкурсы на получение источников финансирования сугубо коллекционной работы. Увы, ее важная роль в развитии биотехнологий пока недооценена, ибо, как следует из недавно проведенного анализа состояния коллекций микроорганизмов в РФ, из-за отсутствия адекватной государственной поддержки отдельные собрания находятся на грани прекращения своей деятельности или уже необратимо утрачены. Россия - единственная страна в мире, имеющая с 1995 г. отрицательную динамику единиц хранения микробиологических ресурсов. На наш взгляд, для преодоления критического этапа необходимо формирование широкой сети микробиологических ресурсных центров с приданием им статуса национальных с целевым долгосрочным финансированием. Помимо национальных центров, организованных на базе общепризнанных Всероссийской коллекции микроорганизмов и Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов, целесообразно формировать специализированные национальные центры по территориальному признаку, например Дальневосточный - морских микроорганизмов. Сибирский - светящихся бактерий, Уральский - микробных генетических ресурсов и др.
Для обеспечения эффективной работы, длительной и стабильной безопасности существования коллекций нового поколения потребуется система их объективной идентификации и оценок, в том числе степени полезности специализированной деятельности для научного сообщества и сообщества пользователей с последующим определением перечня коллекций национального значения, формирование официального координирующего органа, осуществляющего надзор над коллекциями и принятие Закона о микробных генетических ресурсах. Наконец, необходимы законодательные акты, регулирующие и защищающие тех, кто создает коллекционные ценности и сохраняет их. Формирование национального коллекционного фонда микробиологических ресурсов для биотехнологии потребует совершенствования нормотворческой базы в таких разделах, как доступ к микробным генетическим ресурсам, защита прав интеллектуальной собственности и справедливое распределение прибылей от использования ресурсов в ходе биотехнологических разработок, успех которых зависит от правильного выбора того или иного микроорганизма.
В заключение отметим: надежду на подъем коллекционного дела в России вселяет не только накопленный и сохранившийся потенциал в институтах биологического профиля РАН, возрождающаяся сильная научно-исследовательская база в университетах, но недавно состоявшееся долгожданное утверждение государственной координационной программы развития биотехнологии на период до 2020 г. - "БИО-2020".
ССЫЛКИ ДЛЯ СПИСКА ЛИТЕРАТУРЫ
Стандарт используется в белорусских учебных заведениях различного типа.
Для образовательных и научно-исследовательских учреждений РФ
Прямой URL на данную страницу для блога или сайта
Предполагаемый источник
Полностью готовые для научного цитирования ссылки. Вставьте их в статью, исследование, реферат, курсой или дипломный проект, чтобы сослаться на данную публикацию №1664105882 в базе LIBRARY.BY.
Добавить статью
Обнародовать свои произведения
Редактировать работы
Для действующих авторов
Зарегистрироваться
Доступ к модулю публикаций