В любой почве живут микроорганизмы. И каждый из них не только влияет на нее определенным образом, но и может использоваться людьми для решения различных научных и практических задач. Например, одни микроорганизмы превращают труднодоступные для растений вещества в легкодоступные и могут служить биоудобрением, другие содержат ферменты, востребованные в генетических и биотехнологиях, третьи могут быть носителями бактериофагов — перспективных противомикробных агентов, а есть и такие, которые вырабатывают полезные для медицины антибиотики. В рамках проекта «Всероссийский атлас почвенных микроорганизмов как основа для поиска новых противомикробных продуцентов и ферментов с уникальными свойствами» исследованы тысячи новых микроорганизмов для выявления полезных свойств и создания биотехнологических препаратов на их основе.
«За время проекта мы собрали образцы почвы от Калининграда до Владивостока. Для этого мы привлекли гражданских ученых, которыми могут быть люди любой профессии», — рассказывает руководитель проекта заведующий лабораторией генетических технологий Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН доктор химических наук Никита Александрович Кузнецов.
Гражданская наука — это подход работы, когда ученые привлекают всех желающих для проведения исследований. Это может быть сбор образцов, обработка или создание снимков с определенных мест и многое другое.
«Почва — это понятный объект для неспециалистов, поэтому любому человеку можно выдать инструкцию, в которой будет описан порядок сбора этого образца. И независимо от того, в каком месте нашей страны находится гражданский ученый, он выполнит эту процедуру одинаково. А такая унификация сбора образцов важна при выполнении массовых экспериментов», — поделился Никита Кузнецов.
Участниками проекта стали школьники и их наставники (педагоги и учителя). Команды регистрировались в системе, а после каждой группе высылали исследовательские наборы с инструкцией, реактивами и материалами для сбора почвы. Совместно с фондом «Поддержка проектов в области образования» наставникам команд давали вводную информацию по основам микробиологии, объясняли, какие микроорганизмы содержатся в почве и как с ними работать, а во время самих исследований команды получали обратную связь от ученых через чат-каналы.
Образец почвы
С помощью наборов команды собирали образцы почвы, а после могли сразу провести тесты на микроорганизмы, которые производят антибиотики или ферменты. Помимо этого, искали и микробные консорциумы (группы микроорганизмов), которые могут служить удобрением для растений. Получившийся результат команды вносили в единую интерактивную базу данных, где указывали время и место сбора почвы, а также результаты скрининга. Сами образцы команды высылали ученым. Так специалисты из научных организаций — участников проекта смогли получить более полные сведения о собранных образцах.
«Это для ученых важно. Например, группа, которая занимается поиском антибиотиков, еще на уровне места сбора и первичного скрининга может понять, перспективно ли их искать в данном месте. Например, почва с сельхозугодий в этом случае неперспективна, потому что антибиотики — это оружие одних микроорганизмов против других в борьбе за питание. А в среде, где питания достаточно, микроорганизмам незачем конкурировать. Здесь интереснее будет рассмотреть образцы, например, со свалки. В таком же ключе поиск термостабильных ферментов целесообразно проводить в образцах из горячих природных источников», — объясняет Никита Кузнецов.
Ограничений по территории и местам сбора образцов почвы нет. Это могут быть сельскохозяйственные угодья, свалки с промышленными отходами, области сточных вод, заповедники, соленые озера, гейзеры — всё, куда может дойти человек. Независимо от мест сбора, образец поступает в Новосибирск и дальше — в микробиологические лаборатории, которые культивируют из этой почвы микроорганизмы.
Проверка влияния микробных консорциумов на рост
Смыв из образца почвы ученые помещают в чашку Петри с питательной средой. Как правило, там они видят смесь почвенных организмов разного цвета и формы, которые могут принадлежать к разным видам. Затем микробиологическими методами получают отдельные изоляты (на каждой чашке — один вид). А дальше методом секвенирования (с помощью определения нуклеотидной последовательности ДНК) определяют вид этого микроорганизма. После этого уже можно приступать к изучению его свойств. Ученые распределяют микроорганизмы между отдельными исследовательскими группами, каждая из которых специализируется на поиске определенных полезных качеств. Таким образом, каждый образец исследуется не только микробиологическими, но и молекулярно-биологическими и генетическими методами.
Так, одна из групп занималась поиском микроорганизмов, вырабатывающих ферменты. Их поиск осуществляли двумя подходами. Первый — экспериментальный скрининг микроорганизмов. Исследователи тестировали культуры на различные виды активности. Это позволило обнаружить микроорганизмы, которые продуцируют ферменты, интересные для изучения. Второй подход — биоинформатический анализ. С помощью него можно точечно определять, в каких именно образцах могут содержаться интересующие ферменты.
«Ферменты, найденные в рамках проекта, обладают свойствами, которые позволяют манипулировать молекулами ДНК, что применяется в науке и медицине, например при проведении ПЦР. Поэтому ученые используют различные подходы для улучшения ферментов. Один из них — работа с библиотеками генов, кодирующих ферменты. На молекулярном уровне исследователи выбирают наиболее удачные фрагменты разных ферментов и соединяют их. Получается химерный белок, которого в природе не существует, но его свойства суммарно лучше по сравнению с исходными природными вариантами», — дополнил ученый.
Полученные исследователями термостабильные ферменты превосходят по свойствам те, что сейчас используют коммерческие компании в своих диагностикумах. Они отличаются высокой точностью и позволяют манипулировать большими фрагментами ДНК, что очень важно для решения задач синтетической биологии.
Еще одна задача — поиск новых продуцентов антибиотиков. Устойчивые к антибиотикам микроорганизмы вызывают инфекционные заболевания, которые всё сложнее поддаются лечению. Поэтому необходимо постоянно расширять список работающих препаратов.
Около 15 тысяч почвенных микроорганизмов протестировали на способность производить антибиотики. В результате обнаружили 951 штамм, где действительно образуются вещества, подавляющие другие микроорганизмы. И, несмотря на то, что среди них были уже известные антибиотики, был создан список неидентифицированных молекул. В дальнейшем из них возможно получить новые антибиотики.
Проверка ферментативной активности эндолизина LysAP45 термофильного бактериофага относительно стафилококковых биопленок
Ученым предстоит установить их структуру, проверить на токсичность и эффективность, оценить, как они действуют против определенных патогенных микроорганизмов.
Но даже если ни один антибиотик не может подавить рост какого-либо микроорганизма, есть запасные пути. Один из них — это использование бактериофагов, вирусов, которые заражают и разрушают микроорганизмы. Важное преимущество бактериофагов заключается в их высокой избирательности. В отличие от антибиотиков, которые воздействуют на широкий спектр бактерий, бактериофаги крайне специфичны к своим мишеням. Если в некоей бактериальной популяции присутствует десять различных видов микроорганизмов, из которых один патогенный, а девять — нет, то применение определенного бактериофага приведет к гибели только патогенного вида. За время проекта ученые обнаружили 95 новых бактериофагов. Так, например, найденные бактериофаги можно использовать для борьбы с аэромонадами — бактериями, способными вызывать острые инфекции, например тяжелые болезни рыб, особенно лососевых пород, нанося существенный ущерб рыбным хозяйствам.
Ученые работают над созданием коктейлей из бактериофагов, которые можно использовать для подавления определенных инфекций. Кроме того, получили фаговый фермент — эндолизин, способный разрушать клеточные стенки стафилококка и палочковидных бактерий, обладающих чувствительностью к антибиотикам. Эндолизин сохраняет свою активность при нагревании до 80 °С, а это важное технологическое преимущество. В 2024 году начато использование препарата на основе фагового эндолизина для лечения мастита у крупного рогатого скота.
Некоторые микроорганизмы способны улучшать плодородие почвы. В рамках проекта ученые собрали более тысячи таких штаммов. Эти микроорганизмы обладают рядом полезных для растений свойств. Многие из них способны растворять нерастворимые органические фосфаты, переводя их в доступную для растений форму. Другие могут фиксировать атмосферный азот, производя аммоний — соединение, которое легко усваивается растениями. Кроме того, некоторые штаммы могут синтезировать фитогормоны, сидерофоры (вещества, помогающие растениям усваивать железо) и обладать противогрибковой активностью.
«Вся эта коллекция делится на две группы. Первая отвечает за питание растений, а вторая — за их устойчивость к различным негативным факторам. В ходе полевых экспериментов мы проверили различные консорциумы, сформированные из микробов обеих групп. И на примере пшеницы увидели, что обработка ими позволяет получить значительный прирост биомассы даже в условиях засухи и солевого стресса. Их использование может уменьшить потери урожая при дефиците осадков», — отметил Никита Кузнецов.
Исследователи вносят данные в большую интерактивную базу, где уже находятся сведения о месте сбора образца и результатах первичного скрининга, полученные гражданскими учеными. Таким образом, формируется второй уровень данных, описывающих свойства изученных микроорганизмов. Теперь в этой базе можно не только увидеть, откуда был взят каждый образец, но и узнать, какие микроорганизмы в нем обитают. Причем для каждого из них указываются полезные свойства. Чтобы эти данные было еще проще изучать, ученые создали карту — Всероссийский атлас почвенных микроорганизмов. На ней отмечены все точки, где брались пробы почвы. Рядом с каждой точкой можно увидеть, какие именно микроорганизмы были найдены в том или ином образце.
Ученые уже создали коллекции и образцов почвы, и микроорганизмов. Следующая задача — внедрить полученные результаты. К настоящему моменту разработано 11 типов научно-технологической продукции, которые в 2024 году будут доведены до состояния готовых биотехнологических препаратов и/или прототипов лекарственных средств.
Работа проводится при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (соглашение № 075-15-2021-1085, программа «Всероссийский атлас почвенных микроорганизмов как основа для поиска новых противомикробных продуцентов и ферментов с уникальными свойствами») в рамках реализации Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019—2027 гг. национального проекта «Наука и университеты».
Ирина Баранова
Фото предоставлены исследователем
