"Naked Science": Фантастические микробы-экстремофилы из шахт Баксанской нейтринной обсерватории
Уже несколько десятков лет Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований Российской академии наук (БНО ИЯИ РАН), расположенная в одном из ущелий Кавказского горного хребта, изучает одни из самых загадочных и неуловимых элементарных частиц — нейтрино. Большая их часть образуется в термоядерных реакциях на Солнце, а некоторые прилетают к нам издалека, даже из других галактик. Через каждый квадратный сантиметр нашего тела ежесекундно проходят около 60 миллиардов нейтрино, но мы этого никак не замечаем — настолько слабо взаимодействуют они с обычным веществом.
На Земле нейтрино очень сложно обнаружить. Мало того что они почти ни с чем не взаимодействуют, так еще их нужно как-то выделить из потока других космических частиц. Чтобы решить эту задачу, ученые решили спрятаться под землей, установив нейтринные детекторы в тоннеле под горой. Так была построена Баксанская нейтринная обсерватория, которая размещается в двух параллельных горизонтальных тоннелях (высота Андырчи свыше 4 км, длина штолен около 4 км). Сейчас там работают два нейтринных детектора и лаборатория низкофоновых исследований.
Низкофоновая лаборатория глубокого залегания DULB-4900 — единственная российская физическая низкофоновая лаборатория и одна из самых глубоких подземных лабораторий мира. Она расположена в самой дальней точке горизонтального тоннеля, на расстоянии 3700 м от главного входа в БНО ИЯИ РАН. DULB-4900 представляет собой зал размерами 6 м х 6 м х 40 м. Здесь толщина экранирующего горного массива позволяет сократить плотность потока космических лучей до минимума. Внутри лаборатории — восемь отдельных камер. Их стены, полы, потолки и двери покрыты несколькими защитными слоями из полиэтилена, кадмия и высокочистого свинца.
Биологи попали в подземное царство физиков именно благодаря этой низкофоновой лаборатории. Три года назад биологи из ОИЯИ совместно с физиками из БНО ИЯИ РАН провели первый в России эксперимент по воздействию низкого уровня радиации на живые организмы. В ходе исследования на дрозофилах ученые обнаружили, что снижение уровня радиационного фона не оказывает существенного влияния на живой организм. Это открытие дало новый толчок научной дискуссии о влиянии радиации.
Ученые — народ очень любопытный. И когда они побывали в заброшенных частях шахты БНО ИЯИ РАН, там, где царит абсолютная тьма, очень мало кислорода (нет принудительной вентиляции, как в основных помещениях БНО ИЯИ РАН), и шахта заполнена зловонные испарениями, то, стоя по колено в воде, пробивающейся из горячего соляного источника, они задумались: а есть ли здесь вообще жизнь?
Вопрос про жизнь в экстремальных условиях отнюдь не праздный: часто живые организмы вполне успешно справляются с агрессивной средой. Последнее время внимание исследователей все больше привлекают представители бактериальных сообществ, которые обитают в таких агрессивных средах (их называют экстремофилами, «любителями» экстремальных условий).
Механизмы, которые экстремофилы используют для выживания, уже пригодились людям при производстве новых лекарств, в лабораторной диагностике, криминалистике и тому подобном. Для диагностики многих инфекций используют метод ПЦР (полимеразной цепной реакции). Главный компонент ПЦР — фермент ДНК-полимераза. Он копирует несколько исходных молекул ДНК до миллиардов копий, которые легко детектировать и анализировать. В ходе этого копирования (30-40 раз, в зависимости от числа циклов) происходит нагревание реакционной смеси до 95 градусов Цельсия. Выдержать такую температуру без денатурации и сохранить активность могут только ферменты бактерий, живущих в экстремальных горячих условиях. Например в горячих источниках Йеллоустонского национального парка была открыта бактерия Thermus aquaticus, из которой выделили термостабильную полимеразу. Благодаря этому ферменту врачи во всем мире сегодня диагностируют коронавирусную инфекцию.
Елена Владимировна Кравченко, кандидат биологических наук, руководитель сектора молекулярной генетики клетки лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, рассказала корреспонденту Naked Science, что «даже в стиральных порошках у нас используется специальный фермент — липаза, который был выделен из экстремальных бактерий и используется при стирке на 60 градусах для удаления жирных пятен».
Тогда, в сентябре 2020 года, сотрудники сектора, которым руководит Елена Владимировна, провели в дальней части шахты БНО ИЯИ РАН настоящую полевую экспедицию.
«Там жарко, душно, плохо пахнет, идти приходится по колено в горячей соленой воде. Картинка как будто из фильмов Тарковского: оборванные рельсы, заросшие сталактитами и сталагмитами, уходят в черное никуда… Пробы мы брали отовсюду: собирали взвеси из озера, отбивали от стен куски грунта, а также куски сталактитов и сталагмитов…» — вспоминает свою поездку на Баксан Елена Кравченко.
Затем эти пробы ученые заморозили и перевезли в специальных контейнерах в лабораторию в Дубну, где началась самая трудоемкая часть исследования — анализ образцов.
Из каждого образца выделяется огромный массив информации. Без детективной реконструкции отдельных геномов с помощью биоинформатики абсолютно невозможно понять и разобраться в нем. Сначала биологи выделяют в пробе тотальную ДНК и полностью ее секвенируют (устанавливают последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК), а затем за дело берутся биоинформатики, которые из этой гигантской груды информации собирают геномы отдельных организмов. Получается, что стоять по колено в горячей воде, дышать зловонными испарениями, собирая образцы отложений со стен шахт, перевозить пробы в лабораторию, выделять из них ДНК и подготавливать их для секвенирования — не самое трудное в этом исследовании. Самое сложное — сделать биоинформатический анализ.
«Для человеческого мозга это вообще абсолютно нереальная задача», — замечает Елена Владимировна. Анализ данных проводится на центральном вычислительном комплексе ОИЯИ на базе кластеров и компьютерных ферм. Из массива данных, полученных в результате секвенирования, биоинформатики вытаскивают информацию, которую уже потом анализируют микробиологи и генетики. Они хотят узнать, что же в этих геномах закодировано, какие метаболические пути могут оказаться интересными, важными, нужными и какие гены уникальными. Дальше начинается описание полученных результатов. В привезенных с Баксана пробах ученые обнаружили микробиологическое сообщество, содержащее еще не описанные ранее виды бактерий, а также новый вид бактериофага.
«Мы провели первичный метагеномный анализ и увидели, что в этом огромном наборе данных есть новые роды бактерий. Как раз сейчас мы разбираемся в их метаболизме. Мы взяли из этих образцов биологическую массу и попытались культивировать ее в лаборатории: вырастить эти микробы по отдельности. В одном случае нам это удалось. И эту бактерию уже проанализировали, отсеквенировали. Есть ее геном. Вот он уже очень хорошо исследован», — продолжает свой рассказ Елена Владимировна.
Оказалось, что у открытой бактерии есть свой, особенный бактериофаг. Бактериофаги — вирусы бактерий. Задача любого бактериофага незамысловата: найти подходящую клетку, проникнуть в нее и наплодить новые вирусы, тем самым уничтожив клетку. Чтобы защититься от таких непрошеных гостей, бактерии сформировали многочисленные механизмы устойчивости и сопротивления. Один из таких механизмов — система защиты бактерий от чужеродного генетического материала под названием CRISPR-Cas. В хромосому бактерии встроены участки с фрагментами ДНК фагов. Эти участки служат матрицей для синтеза CRISP-РНК, которые связываются с ферментами Cas, и, когда РНК распознает ДНК фага, фермент Cas «разрезает» ее, тем самым избавляя бактерию от захватчика.
С некоторых пор эта замечательная система лежит в основе одного из самых эффективных инструментов редактирования генома. Сейчас молекулярные биологи из ОИЯИ анализируют компоненты такой системы у открытых ими новых видов бактерий, чтобы в дальнейшем использовать в задачах по генетическому редактированию (а у разных бактерий эти системы могут немного отличаться, и есть шанс обнаружить у «новичков» что-то уникальное).
«Бактерии содержат не только огромную кольцевую молекулу ДНК, но и разные вспомогательные кольцевые молекулы ДНК, которые называются плазмидами. Они тоже кодируют что-нибудь крайне важное для выживания бактерий. У этой новой бактерии такая плазмида есть, и она кодирует целый пул очень интересных генов, которые ответственны за выведение из клетки тяжелых металлов, потому что в той воде, где они живут, растворена половина таблицы Менделеева, в том числе и то, от чего бактерия хочет избавиться. Сейчас мы тоже этим занимаемся: идентификацией этого пути, разбором генов, уже провели ряд важных тестов на устойчивость этой бактерии к свинцу, кадмию и меди. Вполне возможно, что эта информация будет использована для создания систем биоремедиации почв и очистки сточных вод», — продолжает свой рассказ Елена Владимировна.
«Условия ранней Земли в чем-то похожи на условия, которые есть в неиспользуемой дальней части тоннеля Баксанской нейтринной обсерватории: там тоже очень жарко, есть горячие источники и присутствуют только неорганические субстраты. Какие-то способы адаптации микробиологических сообществ к условиям БНО ИЯИ РАН могут отражать и то, как древняя жизнь могла приспосабливаться к условиям ранней Земли. Проводя такие параллели, можно говорить о том, как очень давно эволюционировали наши предки», — замечает Елена Кравченко.
Интересно, что астробиологи, изучающие Марс, считают условия в подземных лабораториях, пещерах и шахтах на Земле наиболее близкими к жестким условиям окружающей среды на Красной планете, где жизнь может существовать только глубоко под поверхностью.
Так, изучая жизнь недавно открытых в шахтах БНО ИЯИ РАН бактерий и продолжая регистрировать нейтрино, ученые устремляют свои взоры в далекий космос и пытаются познать тайны Вселенной.
Елена Дубовик
Статья опубликована в сетевом издании Naked Science Фантастические микробы-экстремофилы из шахт Баксанской нейтринной обсерватории
