В воде, под землёй, в воздухе и даже в жерле вулканов — микроорганизмы окружают нас повсюду. Мы привыкли к тому, что этот удивительный мир микробов существует как бы в параллельной реальности, и мало задумываемся о том, какие процессы в нём происходят. А тем временем микроорганизмы играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, заставляя "крутиться" все циклы элементов на Земле. О загадочной науке — микробиологии — и о чудесных свойствах микробов "Научной России" рассказала микробиолог Елизавета Бонч-Осмоловская.
Елизавета Александровна Бонч-Осмоловская — доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, заведующая кафедрой микробиологии биологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова, заведующая отделом биологии экстремофильных микроорганизмов в Институте микробиологии им.С.Н.Виноградского РАН, президент Межрегионального (Российского) микробиологического общества
Какой вклад в развитие нашей планеты вносят микроорганизмы?
Микроорганизмы, при всей своей очень простой организации и однообразном внешнем виде, обладают невероятным разнообразием химических реакций. Они могут осуществлять химические процессы, которые недоступны высшим организмам, и эти процессы очень важны для нашей биосферы. Например, все растительные остатки на планете разлагаются именно микроорганизмами: древесина разлагается микроскопическими грибами, бактерии и археи могут при отсутствии кислорода разлагать сложные полимерные субстраты, которые образовали растения и животные. То есть сложные органические соединения минерализуются, снова превращаются в углекислоту и воду, и возвращаются в круговорот. И таким образом растениям снова есть чем дышать.
В прошлом году ученые из Вены в своей лаборатории воссоздали условия, аналогичные условиям на спутнике Сатурна под названием Энцелад. Этот опыт показал (на примере архей Methanothermococcus okinawensis), что земные организмы вполне способны выжить на Энцеладе. Какова роль микроорганизмов в космических исследованиях?
Этот микроорганизм устойчив к температуре и к другим факторам среды, которые разрушают клетки. Однако есть ли такие микроорганизмы в действительности на Энцеладе — пока неизвестно. Несколько лет назад сотрудники моего отдела в Институте микробиологии совместно с Институтом медико-биологических проблем РАН экспериментально проверили, могли ли микроорганизмы попасть на Землю вместе с метеоритами. В так называемый искусственный метеорит поместили культуры разных микроорганизмов и прикрепили его снаружи на космическом корабле. Метеорит дважды прошел плотные слои атмосферы и вернулся обратно на Землю. Из всех штаммов выжил один единственный микроорганизм — термофильная споровая бактерия из нашей лаборатории. Таким образом, доказано, что микробы могли в метеоритах прилететь на Землю.
Удивительное свойство микроорганизмов — способность использовать энергию неорганических соединений. В отделе биологии экстремофильных организмов мы как раз занимаемся поиском микроорганизмов с новыми способами получения энергии, при которых используются разнообразные сочетания субстратов и окислителей.
Раньше считалось, что жизнь на Земле впервые зародилась в водах первичного океана. Сейчас же всё чаще говорят о том, что колыбелью жизни были вулканические озёра, либо геотермальные источники на дне океана. Дарвин говорил, что жизнь зародилась в "тёплом мелком пруду". А вам, как микробиологу, какая версия ближе?
Я знаю одну очень интересную работу, в которой участвовали и геологи, и биологи, занимающиеся вопросами эволюции. Оказалось, что в грязевых источниках Камчатки состав воды наиболее близок к составу цитоплазмы клеток: из неорганических ионов преобладает не натрий, как в мировом океане, а калий. Такая среда могла бы быть "колыбелью" первых клеток. Это интересная работа геолога Андрея Юрьевича Бычкова и биохимика и эволюциониста Армена Яковлевича Мулкиджаняна. Однако для нас, микробиологов, и на современной Земле есть очень много интересных вопросов, которые можно исследовать здесь и сейчас.
А среди этих вещей, над которыми вы работаете сейчас, есть какие-то интересные прикладные исследования?
Конечно, микробные технологии — это очень важная часть биотехнологий, именно в силу уникальных каталитических способностей микроорганизмов. Здесь, на кафедре микробиологии МГУ, ведутся работы по получению биотоплива из целлюлозосодержащих отходов. Есть у нас еще один интересный новый проект, который проводится совместно с болгарскими учеными и связан с разложением пластика экстремофильными микроорганизмами. Проект пока в начальной стадии, мы проводим широкий скрининг наших штаммов и природных проб на способность разлагать различные виды пластика. Сейчас уже можно сказать, что мы нашли термофильные микроорганизмы, разлагающие поливиниловый спирт. Этот пластик используется для 3D-принтеров и в будущем таких отходов станет намного больше.
То есть существуют микроорганизмы, способные полностью уничтожить пластик?
Пока мы этого не знаем, наша задача состояла в том, чтобы получить хоть какие-то положительные результаты, потому что все мы знаем, что пластики разлагаются очень плохо, если вообще разлагаются. Под электронным микроскопом мы видим, что под действием микроорганизмов меняется поверхность пластика. Конечно, нам хотелось бы не просто разложить пластик, а получить какие-то промежуточные соединения, которые потом можно использовать в новых производствах. В нашем отделе в Институте микробиологии Виноградского сейчас ведётся работа над ещё одним интересным проектом под названием "Энергоносители микробного происхождения". Одна из задач этого проекта — создание энергоносителей из отходов. Мы попробовали с помощью термофильных микроорганизмов разлагать птичьи перья с получением метана, который потом можно будет использовать в том же хозяйстве. Кое-что получается, но конечно очень нужны люди, которые наши, пока чисто научные разработки, превратят в технологию.
"Микроорганизмы можно использовать для получения электричества из органических отходов. Во всём мире эти процессы сейчас активно исследуются и даже уже используются. Например, для получения микробного электричества из донных морских осадков"
Организмы, которые вы изучаете, действительно удивительны. Вы можете выделить какой-то один микроорганизм или сообщество, живущий/живущие в наиболее экстремальных, невероятных условиях?
Мы занимаемся гипертермофильными археями. Они живут при температуре +80 градусов Цельсия и выше, обитают в горячих источниках, например, на Камчатке. Или вот термофильные микроорганизмы, окисляющие CO (угарный газ, окись углерода), который является ядом для остальных живых существ.
Наша работа заключается в том, чтобы искать новые микроорганизмы, то есть мы занимаемся именно микробным разнообразием. Сотрудник нашего Института Виноградского Александр Игоревич Слободкин описал термофильные микроорганизмы, которые могут элементную серу одновременно и окислять, и восстанавливать, а углерод при этом они берут из CO2. Тоже очень хороший кандидат для возможной жизни на других планетах и в древней биосфере.
Вы уже много лет занимаетесь микробиологией. Что поддерживает ваш энтузиазм на протяжении этих лет?
Мне очень повезло попасть в аспирантуру к замечательному человеку — Георгию Александровичу Заварзину, который открыл передо мной фантастический и увлекательный мир, где действительно можно искать и находить абсолютно новое, то, что до тебя никто не знал.
"Эти микроорганизмы живут по соседству с нами, но мы ничего не знаем про них, и вдруг мы их находим, исследуем, и оказывается, что их много, и осуществляемые ими процессы влияют на всю биосферу Земли"
Дочь моего учителя — Дарья Заварзина — сейчас работает в нашей лаборатории, и я очень счастлива, что вот так замечательно продолжается его дело. Когда я училась у Георгия Александровича в аспирантуре, он опубликовал книгу "Фенотипическая систематика бактерий. Пространство логических возможностей". Там была таблица различных сочетаний источников энергии и окислителей, используемых микроорганизмами, и таких, использование которых в то время не было известно. Георгий Александрович своим азартом заражал всех вокруг и я очень надеюсь, что нам удалось сохранить этот дух азартного поиска.
В ходе интервью Елизавета Бонч-Осмоловская рассказала также об актуальных исследованиях на территории Белого моря.
"У МГУ есть замечательная биологическая станция, расположенная в Карелии. Там проходит практика
студентов биологического факультета, в том числе микробиологов. В прошлом году мы попытались сделать их учебные задачи более научными, менее предсказуемыми, и удалось получить некоторые очень интересные результаты. Ведь хотя на Белом море работали известные микробиологи, изучающие отдельные группы микроорганизмов, общей микробиологической картины его воды и осадков, как это ни странно, нет. Это свободная ниша, в исследовании которой смогут участвовать наши студенты", — подытожила Елизавета Александровна.
Беседовала Янина Хужина
