Оренбургские ученые обнаружили ранее неизвестные науке микроорганизмы

Ученые всего мира постоянно ведут поиск новых микроорганизмов.  В ходе таких исследований можно обнаружить бактерии, археи и микроводоросли с важными свойствами, которые впоследствии используются в медицине, фармакологии, сельском хозяйстве, пищевой промышленности.   Несколько редких и даже ранее неизвестных науке видов микроорганизмов удалось «вычислить» сотрудникам оренбургского Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН. 

Невидимки в соленой воде

 — 27 лет назад, когда был основан наш институт, мы начали изучение микробиоты соленых водоемов, — говорит директор Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН Андрей Олегович Плотников. — С тех пор, как в Институте внедрили молекулярно-генетические методы исследований, в первую очередь, секвенирование ДНК, возможностей для такой работы стало больше. Например, наш сотрудник  Александр Балкин исследует изменение активности генов сальмонеллы при взаимодействии с отдельно живущими простейшими. Это позволит определить условия сохранения сальмонеллы во внешней среде.  И выяснить, за счет чего она поддерживает свой патогенный потенциал и вызывает многочисленные вспышки заболеваний в Азии и Африке, а также, к счастью, более редкие — в России.

Оренбургские ученые сотрудничают с ведущими научными центрами России — Казанским институтом биохимии и биофизики РАН, Московским и Санкт-Петербургским университетами, Институтом общей и экспериментальной биологии СО РАН в Улан-Удэ. В ходе совместных экспедиций исследуют такие уникальные биосистемы, как пещера Шульган-Таш, озера Белого моря, отличающиеся слоистой структурой. Горизонты этих озер имеют разные физическо-химические свойства и разные микробные сообщества. В одном из слоев, например, массово размножается вид водорослей, который окрашивает воду в ярко-красный цвет. Также уникальные находки можно сделать в пещерах, микробиота которых почти не изучена.

В течение нескольких лет ученые ИКВС УрО РАН с коллегами из Тольятти работали на озере Эльтон в Волгоградской области. Это самое крупное соленое озеро Европы, хотя и почти пересохшее.

— Нас, в первую очередь, интересовали впадающие в него реки, которые имеют высокий градиент солености. В истоках они пресные, а пока текут по воронке, которая образовалась вокруг озера, постепенно набирают соль. Там формируются уникальные сообщества микроорганизмов.  Сейчас ученые Института завершают анализ полученных данных, в 2024 году выйдет монография по результатам изучения соленых водоемов Приэльтонья,  приуроченная к 300-летию Российской академии наук, — отметил Андрей Плотников.

Выделенные  культуры микроорганизмов имеют уникальные метаболические особенности. Их можно использовать, чтобы получить  биоактивные вещества для медицины, фармацевтики, сельского хозяйства, пищевой промышленности. Например, из бактерий, живущих в горячих источниках,  был выделен термостойкий фермент, на основе которого сейчас проводятся все молекулярно-генетические исследования, включая ПЦР.

Древесину разрушают … наноархеи

Ведущий научный сотрудник ИКВС УрО РАН, доцент, к.м.н. Елена Селиванова изучает биоразнообразие соленых водоемов. Результаты её исследований в составе международной команды опубликованы в 2023 году в двух статьях в ведущих мировых журналах. В них рассказывается о микробных ассоциациях, обнаруженных в соленых озерах, с участием нового вида микроорганизмов – наногалоархей.

— Особенности наногалоархей долгое время не были известны, — рассказывает Елена Александровна. – Это симбиотические микроорганизмы с очень маленьким геномом, которые не могут жить сами по себе, а только прикрепившись к клетке хозяина. Впервые мы обнаружили эти микроорганизмы в водоемах Соль-Илецка в 2018 году, а спустя 5 лет усилиями международного коллектива смогли полностью расшифровать их геном и изучить физиологические особенности. Оказалось, что наногалоархеи являются частью микробной ассоциации, которая выделяет разрушающие древесину ферменты. Точнее, они расщепляют входящий в состав древесины ксилан, который в условиях высокой солености обычно плохо разлагается. Поэтому данная ассоциация называется ксиланолитической.

Таким образом древесина и остатки растений включаются в круговорот веществ и служат источником питания для других организмов. Кроме того, новые ферменты, возможно, найдут применение в разложении целлюлозы, поскольку они устойчивы к высокой солености, а значит, могут работать в экстремальных условиях, объясняет Елена Селиванова. Она подчеркивает, что Nanohalococcus occultus (в переводе – загадочный наногалококк) — всего лишь четвертый в мире культивируемый представитель очень мелких (восемь тысячных кубического микрона) галоархей, отнесенных к новому классу.   Это минимальный возможный размер микробной клетки.

Кроме того, Елена Александровна изучает галофильные микроводоросли рода Dunaliella из озера Развал – источник бета-каротина, важного антиоксиданта.

— Мы посмотрели, как сопутствующие микроорганизмы могут влиять на рост водорослей. Нас заинтересовало, что один из ассоциантов обладает вирусом. То есть это многоуровневая симбиотическая система, которая включает водоросль, археи и вирус.  Недавно расшифровали геном археи-ассоцианта, обнаружив гены, кодирующие пигменты с антиоксидантной активностью. Эта находка позволит разработать комбинированный препарат, содержащий биомассу водорослей и архей для усиления антиоксидантного эффекта, — рассказала Елена Селиванова.

Водоросли под электронным микроскопом

Жизнь водоемов напрямую зависит от водорослей.  Под воздействием солнечного света и воды невидимая невооруженным глазом водоросль синтезирует кислород и органику, которой питаются остальные организмы. Насыщение водоема кислородом, его самоочищение тоже зависит от водорослей.  Ведущие научные сотрудники к.б.н. Марина Евгеньевна Игнатенко и д.б.н Татьяна Николаевна Яценко-Степанова идентифицировали  новые виды золотистых водорослей и кокколитофорид под сканирующим электронным микроскопом. Ведь даже под световым микроскопом их не разглядеть!

-Нам удалось впервые зарегистрировать представителей кокколитофорид в Оренбургской области, — подчеркивает Татьяна Николаевна. —  Благодаря электронному микроскопу, приобретенному правительством Оренбуржья для Центра выявления и поддержки одаренных детей «Гагарин», мы получили новую методику изучения водорослей.  Я уже 42 года изучаю водоросли в водоемах области, но такая техника позволила нам выйти на мировой уровень.

Кокколитофориды — специфическая группа микроводорослей, клетки которых покрыты кальцифицированными чешуйками. Предположительно, появились они около 220–225 млн. лет назад, а в меловом периоде их массово отмирающие клетки сформировали мировые запасы меловых отложений. Оренбургским ученым впервые в России удалось обнаружить эти микроводоросли в водоемах Оренбургской области, расположенных на значительном удалении от моря, и при солености существенно ниже морской: в озере Жетыколь и Ащисайском пруду. Кроме того, в реке Урал обнаружен и описан новый для науки вид, Hymenomonas uralensis (Гименомонас уральский) – второй представитель кокколитофорид, найденный в пресных водах.

Другая группа водорослей, определение которых возможно только с помощью сканирующей электронной микроскопии – золотистые водоросли. Среди них есть виды, клетки которых покрыты кремниевыми чешуйками, щетинками, шипами. Некоторые виды золотистых водорослей, обнаруженных в водоемах Оренбуржья, являются первыми такими находками в России. Новым для науки видом является Mallomonas baturinae (Малломонас Батуриной), названный так в честь оренбургского ученого Веры Николаевны Батуриной (1927-2007), изучавшей водоросли Уральского региона.

Золотистые водоросли в ответ на неблагоприятные условия окружающей среды формируют своеобразный скафандр – стоматоцисту.  Если говорить о возможностях практического применения подобных находок, то Татьяна Николаенва приводит такой пример.  Стоматоцисты являются индикатором изменения климата, рН воды, минерализации, трофического статуса водоема, глубины залегания грунтовых вод. На территории Оренбуржья обнаружены 7 новых для науки морфотипов стоматоцист, а 12 – впервые зарегистрированы на территории России.

Валентина СОКОЛОВА

Фото предоставлено ИКВС УрО РАН