• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
3 июля
Елена Дубовик
22 424

Фантастические микробы-экстремофилы из шахт Баксанской нейтринной обсерватории

4.1

Необычный телескоп Баксанской нейтринной обсерватории (БНО ИЯИ РАН) на Кавказе находится под четырехкилометровой горой Андырчи, в глубоких штольнях. Туда никогда не попадают солнечные лучи, что не мешает телескопу «видеть» далекие звезды. Толща горной породы защищает детекторы от внешнего мира, позволяя регистрировать нейтрино — загадочные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом. Кроме космического потока неуловимых нейтрино, ученые обнаруживают в дальних уголках шахт этого телескопа и... необычную жизнь: там ранее неизвестные науке микроорганизмы приспособились к экстремальным условиям. В будущем эти микробы могут оказаться полезными для медицинских и биотехнологических исследований.

Транспортная штольня Баксанской нейтринной обсерватории / ©Wikimedia Commons

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. 

Общий вид поселка ученых Нейтрино, расположенного рядом со входом в подгорную Баксанскую обсерваторию / © Фонд «АССИЯ»

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. 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 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 любопытный. И когда они побывали в заброшенных частях шахты БНО, там, где царит абсолютная тьма, мало кислорода (нет принудительной вентиляции, как в основных помещениях БНО), а шахта заполнена зловонными испарениями, то, стоя по колено в воде, пробивающейся из горячего соляного источника, они задумались: а есть ли здесь вообще жизнь?

Вопрос о жизни 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 Кравченко / © Дарья Конова

​​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 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. 

Неиспользуемая часть тоннеля БНО ОИЯИ РАН, где проводились исследования, 4200 метров от входа / © 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.

В Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ / © Дарья Конова

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.

Фото одной из эндемичных бактерий, выделенной из экстремофильного микробного сообщества БНО / © ОИЯИ

«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 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 бактерий и продолжая регистрировать нейтрино, ученые устремляют свои взоры в далекий космос и пытаются познать тайны Вселенной.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 10:57
Сергей Васильев

Напряженная мыслительная деятельность приводит к накоплению нейромедиаторов в синапсах префронтальной коры. Это усложняет их работу и может повреждать нейроны, заставляя мозг сигнализировать об опасности.

Вчера, 16:56
Василий Парфенов

В конце июля многие СМИ опубликовали новости с заголовками вида «Земля стала вращаться быстрее — и ученые не знают почему». К концу первой недели августа тема добралась и до русскоязычного сегмента Сети. На поверку этот инфоповод пусть и без негативных последствий, но демонстрирует основные пороки современной (не только научно-популярной) журналистики. Рассказываем, как в действительности изменяется скорость вращения нашей планеты, насколько хорошо известны причины таких осцилляций, а также почему ученые никогда ничего не знают наверняка (и это нормально).

10 августа
Мария Азарова

Команда австралийских исследователей нашла доказательство того, как формировались и развивались зарождающиеся континенты нашей планеты.

10 августа
Мария Азарова

Команда австралийских исследователей нашла доказательство того, как формировались и развивались зарождающиеся континенты нашей планеты.

10 августа
Анна Новиковская

Быть «кошатником» — вовсе не грех, но, согласно данным нового исследования, такие люди не всегда знают, что лучше для самих кошек. Напротив, хозяева, которые имеют небольшой опыт общения с домашними животными, могут оказаться внимательнее к потребностям питомца и максимизировать его удовольствие от общения с человеком.

10 августа
Василий Парфенов

Изначально выглядевшая многообещающе ракета-носитель Antares в последние годы стала довольно проблемной. Для ее создания требовалась кооперация США, Украины и России, которая в свете сложившейся геополитической обстановки практически невозможна. Решением проблемы станет переход с российских двигателей на созданные в Америке. И ключевую роль в нем сыграет частично украинская компания Firefly Aerospace.

2 августа
Александр Березин

Если западным странам удастся «лишить Кремль нефтяных доходов», то мир ждет геополитическое землетрясение. Только не обязательно в ту сторону, о которой вы сейчас подумали. На фоне того, что последует за «лишением», шок 1973 года может показаться детской игрой. Naked Science попробует оценить размах «потолочного катаклизма» заранее.

31 июля
Александр Березин

Саудовский принц одобрил строительство гигантского «лежачего небоскреба», который должен стать крупнейшим зданием в истории. Причем еще и самым экологичным в мире. Пресса и соцсети полны возмущенных оценок: «это антиутопия!», «проект сырой!» и тому подобным. Однако чисто технически это не так: «Зеркальную линию» на пять миллионов жителей вполне можно построить. И такое здание в самом деле будет энергоэффективным (и формально безуглеродным). Но у проекта есть другие слабые места, лежащие скорее в сфере науки, нежели техники. Naked Science попробовал разобраться в деталях.

27 июля
Алиса Гаджиева

Новое исследование показало, что появившаяся у человека способность переваривать молочный сахар никак не сказалась на распространенности потребления продуктов молочного животноводства.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: