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. 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 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. 

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 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.