Сюрпризы микрофлоры

Мир бактерий не перестает удивлять ученых. Недавно Томас Битти из Университета Британской Колумбии и Роберт Блейкеншип из Университета Аризоны открыли фотосинтетическую бактерию, которая обитает на дне океана. Это полностью идет вразрез с классическими представлениями о фотосинтезе как процессе превращения зелеными растениями и микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ. Учебники биологии придется подправить, а вновь открываемые свойства микробов постараться использовать в «мирных целях» — медицине, энергетике, экологии и hi-tech.

Бактерия-смутьянка GSB1, фотосинтезирующая на морской глубине 2,4 километра, была найдена в воде горячих источников близ берегов Мексики. Вместо энергии Солнца с помощью малюсеньких антенн она преобразует тусклый свет, испускаемый гидротермальными источниками. «Это потрясающе, в том смысле, что вы не ожидаете найти фотосинтез в абсолютной темноте, — говорит Блейкеншип. — Значит, фотосинтез не ограничен только поверхностью нашей планеты, можно надеяться найти его в других местах как на Земле, так и на других планетах». При этом речь не идет о каких-либо продуктах космического экспорта: анализ ДНК идентифицировал найденный новый организм как обычного члена семейства зеленых серных бактерий, которые в своей жизнедеятельности полагаются исключительно на фотосинтез.

Эти бактерии процветают в воде, выходящей из отверстия в океанском дне с температурой около 300 градусов по Цельсию. Верхним температурным порогом для живых бактерий считается 121 градус, так что GSB1, вероятно, обитает где-то на периферии источника. И все равно, стабилизационные структуры ее белков — это чудо природы, которое тем загадочнее, чем чаще мы наблюдаем свернувшиеся при 100 градусах белок и желток обычного куриного яйца.

Не ждали

Пожалуй, самым неожиданным свойством обладает микроорганизм Geobacter metallreducens, его открыл Дерек Лавли, микробиолог из Университета Массачусетса. Он «откопал» геобактерии в насыщенной железом грязи близ реки Потомак, проделал с ними ряд лабораторных опытов и пришел к выводу, что Geobacter дышат ржавчиной, подобно тому как люди дышат кислородом. Обмен веществ у этих организмов уникален — они используют металлы для извлечения энергии из пищи. Мало того, Geobacter metallreducens вырабатывают электроэнергию, передавая электроны оксиду железа (ржавчине) по тончайшим электрическим проводам, которые сами же и синтезируют. А в результате этого ржавчина превращается в магнетит. Вот, оказывается, кому мы обязаны залежами железной руды на Земле.

«Иногда мы думаем, что совершили последнее из больших открытий, но тут же всплывает что-нибудь еще!» — воскликнул однажды Дерек Лавли, проделав очередную серию экспериментов с геобактериями. Теперь ученый размышляет над возможностью использовать Geobacter в электроэнергетике.

Другой не менее фантастической областью применения бактерий является их использование в экспериментах по продлению жизни. Но ими в реальности уже заняты ученые Института криосферы Земли РАН и НИИ общей и прикладной криологии. Они работают с древними бактериальными культурами, извлеченными из вечной мерзлоты, возраст которой оценивается в 20 млн. лет. Исследователи исходят из того, что законсервированные в ней на сотни тысяч лет и ожившие при размораживании микроорганизмы могут обладать особым метаболизмом, который гарантирует выживание в самых неблагоприятных условиях и способствует долголетию. Может быть, мерзлотные бактерии способны «заразить» этим свойством человека? По крайней мере, японские исследователи уже накормили такой микрофлорой мушек-дрозофил, и те якобы прожили в два раза дольше обычных сородичей.

Но что жизнь маленьких насекомых на фоне глобального изменения климата! Именно выявлением роли бактерий в этом грозном планетарном процессе занят Винсент Гаучи, ученый из Британского Открытого университета. Было известно, что извержения вулканов способствуют охлаждению климата из-за выбросов в атмосферу частиц пепла и дыма, которые отражают солнечный свет. Но Гаучи нашел прелюбопытную трофическую цепочку, косвенно связывающую вулканы, похолодание и… бактерии. Дело в том, что в природе микроорганизмы, которые в своем метаболизме используют серу, живут бок о бок с бактериями, преобразующими всякую неорганику до метана. Диоксид серы от вулканов, падая кислотными дождями, кормит первых, а те вытесняют в неравной конкурентной борьбе вторых. Так уменьшается количество метана, попадающего в атмосферу. А между тем он является парниковым газом, причем более сильным, чем двуокись углерода. Недаром академик Георгий Заварзин любит повторять: «Бактерии сформировали химический состав атмосферы». И неустанно продолжают формировать. Осталось посчитать, кто кого переборет — вулканы с антипарниковым эффектом от бактерий или промышленные выбросы с парниковым.

Спартанские привычки

Бактерии и их свойства используют в самых разных областях жизни. Например, в лечебной медицине безумно популярна полимеразная цепная реакция, известная более как ПЦР. Ее открыл Кэри Б. Мюллис в 1983 году, за что он и был удостоен Нобелевской премии. С ее помощью чего только не определяют: и отцовство, и принадлежность останков к королевским домам Европы, и возбудителей всяких болезней. Для успешного проведения ПЦР (расщепление и достраивание молекул ДНК при нагревании) нужен термоустойчивый фермент полимераза, который извлекают из необычных бактерий, живущих в термоисточниках. Кстати, добычу полимеразы из микроорганизмов придумали российские ученые еще до Мюллиса, но открытие свое не запатентовали, Нобелевской премии не получили и остались неизвестны широкой научной общественности.

Но все же самым востребованным свойством бактерий является их неразборчивость в источниках питания. Любое промышленное предприятие заинтересовано в том, чтобы привлечь эти всеядные существа к очистке своих отходов. «Если бы в свое время советские начальники знали об очистке бумаги от полисахаридов ксиланов с помощью бактериальных ферментов, они бы не стали строить ЦБК на Байкале, а в воды «славного моря» не сливались бы тонны серной кислоты», — считает заведующая лабораторией гипертермофильных микробных сообществ Института микробиологии РАН Елизавета Бонч-Осмоловская.

Но полисахариды — это хотя бы натуральная органика. А ведь бактерии даже тяжелые металлы потребляют с превеликим удовольствием. Группа ученых из Института биохимии им. А.Н. Баха РАН «привлекла» цианобактерии Nostoc muskorum, которые питаются растворенными в воде солями кадмия — тяжелого металла, ядовитого для живых организмов, — к очистке от него сточных вод. При этом ностоки не гибнут от передозировки кадмия, потому что не пропускают его внутрь, а накапливают в виде нерастворимых сульфидов на поверхности клетки. Периодически ностоки сбрасывают ядовитую шубку, но в таком кристаллическом виде она уже не опасна ни растениям, ни животным, ни человеку.

На сегодняшний день сотрудниками Мичиганского университета найдена бактерия, разлагающая токсичный промышленный растворитель трихлорэтан, а исследователи из Калифорнийского университета создают генетически модифицированные организмы, которые будут питаться химическими и сельскохозяйственными отходами: органофосфатами, пестицидами и гербицидами.

Оригинальный метод борьбы с нефтяными разливами на воде разработали японские специалисты. Они поселили бактерии-нефтежорки на пенопластовые кубики и пустили их плавать в нефтяное пятно. Кубики стали качаться и переворачиваться на волнах, сматывая нефтяную пленку, которой тем временем сытно пообедали бактерии.

Но самую большую жертву человечеству бактерии принесут в будущем, когда будут созданы ГМ-микроорганизмы, способные обеззараживать радиоактивную местность. Американские генетики уже закончили расшифровку генетического кода таких бактерий и теперь надеются воспроизвести их в лаборатории. Министерство энергетики США предоставило американским ученым $103 млн. на исследования так называемых экстремофилов — бактерий, которые способны нормально выживать в условиях, немыслимых для любого другого организма. В проекте участвуют такие известные научные учреждения, как Гарвардский университет и Массачусетский технологический институт. Есть надежда, что за такими большими деньгами и амбициями последуют не меньший научный результат и польза для всего мира.

Анастасия Аскоченская, http://www.profile.ru