Вечная мерзлота Арктики — это уникальная природная среда, которая напоминает гигантский древний холодильник. Жизнь здесь существует в экстремальных условиях: при постоянной отрицательной температуре, которая не дает льду растаять даже летом, нехватке жидкой воды и питательных веществ, а также под слабым, но непрерывным радиоактивным излучением из-за окружающих минералов. Тем не менее в таких слоях скрывается много микроорганизмов. Несмотря на заморозку, которая могла длиться миллионы лет, некоторые микробы не просто уцелели, но и сохранили жизнеспособность и даже признаки обмена веществ. Их вполне можно вернуть к активной жизни, после того как они оттают.
К таким холодолюбивым экстремофилам (психрофилам) относится бактерия Exiguobacterium sibiricum, найденная в вечной мерзлоте на северо-востоке Сибири. Именно этот микроб стал объектом нового исследования лаборатории старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний МФТИ совместно с отделом криологии почв ИФХиБПП РАН, лабораторией инженерии белка и группой масс-спектрометрии ИБХ РАН, биологическим факультетом и НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского (МГУ им. М. В. Ломоносова). Исследование показало ряд адаптаций E. sibiricum к вечной мерзлоте на уровне генов и белков. Работа выполнена при поддержке РНФ (грант №23-14-00160) и опубликована в журнале «Биоорганическая химия».
Ученые выяснили, как меняется состав белков в мембранах клеток у этих бактерий при их выращивании в холоде (10°C) и при нехватке питательных веществ по сравнению с комнатной температурой (25°C). Такие холодные условия имитируют летний период в вечной мерзлоте, когда верхний слой почвы оттаивает и микроорганизмы получают возможность расти и размножаться.
Вечная мерзлота (ее корректнее назвать «многолетнемерзлые породы») подвергает микроорганизмы разнообразному стрессу. В таких условиях выживание затруднено из-за того, что вода становится более вязкой, химические реакции замедляются, а клеточные мембраны теряют гибкость, становясь более жесткими. Кроме того, вторичная структура нуклеиновых кислот становится более прочной, что мешает нормальному использованию генетической информации. Другая опасность — высокая концентрация кислорода, который лучше растворяется при низких температурах: это приводит к накоплению активных форм кислорода (АФК), вызывающих окислительный стресс.
Чтобы изучить только мембранные белки, клетки E. sibiricum вначале разрушали ультразвуком. С помощью центрифуги отделяли фракцию мембран от остального содержимого клетки. Так как целые белки сложно анализировать, их расщепляли ферментом трипсином, который разрезал их на короткие цепочки — пептиды.
Полученную смесь очистили на микроколонках и высушили. Очищенные пептиды разделили на хроматографе и отправили в масс-спектрометр. Этот прибор определил точную массу и структуру каждого фрагмента. Полученные данные сравнили с мировой базой белков, чтобы понять, какой именно это белок. С помощью анализа данных ученые вычислили, содержание каких белков значимо изменилось.
В отличие от аналогичных работ, в этой использовали очень бедную питательными веществами среду. По мнению авторов, именно такие условия дефицита ресурсов точнее отражают реальную обстановку в тающем на теплый период слое вечной мерзлоты, где обитают эти микроорганизмы.
Проведенный ранее транскриптомный анализ показал, что при снижении температуры с 28°С до 10°С у бактерии E. sibiricum меняется активность всего 3,2% генов. Исследователи изучили состав белков в мембранах бактерий E. sibiricum, выращенных в тепле и в холоде. С помощью высокоточного оборудования (масс-спектрометра) они идентифицировали в общей сложности 1604 различных белка. Из них только у 104 содержание заметно зависело от температуры, что указывает на их важную роль в адаптации бактерии к холоду.
Сначала ученые проанализировали мембраны клеток без специальной промывки. Это позволило выявить 1064 белка, но среди них оказалось много лишних «примесей» — цитоплазматических белков, которые просто «прилипли» к мембране. Содержание некоторых белков (например, транспортных систем сахаров и белков защиты от стресса) при 10°C оказалось завышенным в сотни раз. Однако после очистки щелочным буфером эти показатели стали корректными, а число точно идентифицированных белков выросло. Таким образом, авторы доказали, что промывка необходима для получения достоверных результатов и очистки мембран от «посторонних» белков цитоплазмы.
Результаты исследования не только объясняют адаптацию микробов к климатическим условиям, но и могут помочь найти новые уникальные ферменты для биотехнологий, способные работать при низких температурах.
«Огромное внимание уделяется развитию территорий Крайнего Севера, большую часть которых занимает вечная мерзлота. Несмотря на экстремальные условия существования, многолетнемерзлые отложения содержат значительное количество разнообразных микроорганизмов, которые сохраняют жизнеспособность при оттаивании грунта и могут существенно изменять свойства окружающей среды. Комплексное изучение таких микроорганизмов (в том числе с использованием молекулярных подходов) позволяет установить механизмы адаптации к низкотемпературным экосистемам и оценить их вклад в биогеохимические процессы в арктической зоне. Это важно для планирования хозяйственной деятельности в данном регионе в условиях изменения климата», — поделилась Лада Петровская, первый автор публикации и старший научный сотрудник лаборатории старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний МФТИ.