Светящиеся бактерии помогли найти в морях Лаптевых, Баренцевом и Карском токсины, провоцирующие рак

❋ 4.8

Коллектив российских ученых в экспедиционных условиях провел испытания lux-биосенсоров. С их помощью они исследовали грунт и ткани донных обитателей северных морей: Баренцева, Карского и Лаптевых. Ученые обнаружили на дне этих морей канцерогены, провоцирующие рак. Результаты работы будут полезны для изучения закономерностей аккумуляции токсичных веществ в донных отложениях.

ФизТех

# Баренцево море

# канцерогены

# Карское море

# море Лаптевых

# раковые заболевания

Анабарский залив. Море Лаптевых / © Vladdislav, ru.wikipedia.org

Донные отложения представляют собой рыхлый органоминеральный слой на дне водоема. В их состав входят обломки горных пород, останки обитателей водной среды и осадки, выпавшие вследствие химических реакций, инициированных природными явлениями либо деятельностью человека. Донные отложения — своего рода хранилище, по содержимому которого можно судить о текущих изменениях состояния водоема и вероятных в будущем. Результаты анализов донных отложений на токсичные соединения являются важными прогностическими показателями.

Для изучения грунта северных морей: Баренцева, Карского, Лаптевых — и населяющих его организмов, то есть бентоса, сотрудники шести ведущих научных организаций России отправились в экспедицию. Ученые производили пробоотбор на глубине от 35 до 300 метров с помощью дночерпателя «Океан-0,25» объемом 100 литров и площадью 0,25 м², спуск и подъем которого осуществляли лебедкой. Полученные пробы состояли из обводненного ила с включениями песка и представителей бентоса. При обнаружении донных обитателей ученые отделяли их от других компонентов пробы путем промывания. Материал проб измельчали и центрифугировали. По результатам анализа супернатанта — жидкости, выделившейся над осадком, — ученые оценивали содержание вредных веществ в грунте и тканях членистоногих.

Рисунок 1. Коэффициент индукции люминесценции биосенсора на основе сенной палочки (лат. Bacillus subtilis) при взаимодействии с супернатантом донных отложений. Номера станций и их координаты (северная широта, восточная долгота): 5 (70,53959°, 58,22493°) 23 (73,35283°, 59,64791°); 29 (75,80513°, 69,9099°); 31 (76,0552°, 73,97658°) / ©
Volkov G.V. et al, Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology

Для обнаружения токсикантов ученые использовали lux-биосенсоры. Составляющими биосенсора являются чувствительный элемент или биорецептор, преобразователь сигналов и микроэлектронный блок. В данной работе биорецепторами выступали модифицированные бактериальные клетки, которые испускали свечение в ответ на действие раздражителя либо токсиканта. Измерение интенсивности светового сигнала и его представление в цифровой форме осуществлялось высокочувствительным люминометром «Биотокс-7BM» отечественного производства.

Методами генной инженерии ученые интегрировали lux-гены в ДНК грамположительных и грамотрицательных бактерий: сенной палочки (лат. Bacillus subtilis) и кишечной палочки (лат. Escherichia coli) соответственно. Благодаря этому штаммы стали способными люминесцировать, то есть испускать кванты сине-зеленого света с длиной волны около 490 нм. Lux-гены сшиты с промоторами — участками молекулы ДНК, выполняющими функцию регуляторных элементов. Они отвечают за проявление lux-генов следующим образом: конкретное вещество или стрессовый фактор, действуя на бактериальные клетки, вызывает активацию промотора, что, в свою очередь, усиливает свечение клеток. Использование грамположительных и грамотрицательных бактерий комплексно оправдано, так как проницаемость их клеточных стенок разная, соответственно, влияние токсикантов на них тоже будет отличаться.

«Ранее никто не исследовал возможность обнаружения токсичных соединений в морских донных отложениях с помощью lux-биосенсоров, — сообщил Илья Манухов, заведующий лабораторией молекулярной генетики МФТИ. — Мы продемонстрировали их успешную применимость».

Ученые использовали биосенсоры, детектирующие окислительный стресс, автоиндукторы и повреждения ДНК, в том числе ее алкилирование. Следует пояснить, что под окислительным стрессом понимают разрушительное воздействие свободных радикалов на клетки. Алкилирующими называют соединения, которые вызывают введение в органические молекулы алкильной группы. Автоиндукторы — это сигнальные молекулы системы Quorum sensing, именуемой также «чувством кворума», благодаря которому бактерии могут общаться между собой.

Рисунок 2. Коэффициент индукции люминесценции биосенсора на основе сенной палочки (лат. Bacillus subtilis) при взаимодействии с жидкой фракцией тканей донных беспозвоночных. Номера станций и их координаты (северная широта, восточная долгота): 3 (70,37155°, 58,01313°); 59 (79,92821°, 78,51835°); 64 (80,25011°, 83,99403°); 102 (77,36283°, 98,07886667°); 107 (70,62193°, 58,29235°); 113 (77,80872°, 107,5658833°) / © Volkov G.V. et al, Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology

За время экспедиции на четырех станциях был отобран морской грунт и проанализирована его жидкая фракция. В пробах обнаружены алкилирющие агенты (Рисунок 1). Необходимо подчеркнуть, что эти вещества обладают мутагенным и канцерогенным потенциалом, иными словами, могут вызывать у живых существ мутации и онкологические заболевания. В связи с этим обнаружение указанных соединений и оценка их накопления в водоемах — важный экологический показатель. Ученые установили, что самое высокое содержание алкилирующих веществ в грунте со станции № 5.

«Мы заметили, что алкилирующая активность проб морского грунта связана с концентрацией азота, — пояснил Илья Манухов. — Однако для подтверждения найденной зависимости требуется больше опытных данных».

На других шести станциях научная группа изучала ткани морских обитателей в донных отложениях. Анализ показал, что в этих пробах, как и в супернатанте, тоже присутствуют алкилирующие вещества (Рисунок 2). В тканях морского таракана и морского паука, обнаруженных в пробах со станций № 107 и 113, соответственно, алкилирующий потенциал почти в два раза больше, чем у гаммарусов — ракообразных. Данный факт указывает на прямую зависимость между продолжительностью жизни донных членистоногих и их способностью аккумулировать токсичные соединения.

Дальнейшая работа в этом направлении позволит ученым расширить сферу применения lux-биосенсоров в экологических исследованиях и при изучении токсических свойств впервые синтезированных соединений. В частности, в следующих экспедициях будут изучены закономерности накопления токсичных соединений в морских грунтах и организмах донных обитателей.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ. Исследование опубликовано в журнале Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.