Бактерии животворящие – ПАИ-live с профессором МГУ Елизаветой Бонч-Осмоловской
На волне интереса к биотехнологиям автор и ведущий проекта ПАИ-live Александр Машкарин расспросил о микромире и его макроэкономическом значении заведующую кафедрой микробиологии биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, главного научного специалиста ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук, члена-корреспондента РАН, профессора, доктора биологических наук Елизавету Бонч-Осмоловскую, которая посетила Псков в связи с проведением здесь конгресса микробиологов, сооснователем которого является.
Бактерии животворящие
– Елизавета Александровна, вы как основатель Российского конгресса микробиологов, который в эти дни проходит в Пскове уже не в первый раз (но в первый раз – в Пскове), должны объяснить, чем все-таки занимается микробиология.
– С удовольствием отвечу на этот вопрос. При огромном разнообразии живых существ на Земле множество микроорганизмов. Микроорганизмы – это все, что мы не можем видеть глазом: там есть и вирусы, и микроскопические грибы и водоросли, безъядерные организмы, так называемые археи (это очень древние бактерии), ну и бактерии – очень просто устроенные одноклеточные существа, их клетки к тому же очень маленькие.
В этой безъядерной группе есть так называемые прокариоты, самые простые и при этом автономные (вирусы не могут существовать вне живой клетки). Эти малюсенькие бактерии в сто раз меньше обычных клеток: это клетка, крайне просто устроенная. Бактерий-археев, прокариотов везде очень много, безумное разнообразие, и при таком простом устройстве они все очень похожие, под микроскопе не увидишь особых различий, но существует невероятное различие, разнообразие химических реакций, которые они осуществляют, и эти химические реакции определяют жизнь нашей планеты. И мне очень жалко, что люди об этом не знают. Все вокруг нас – это деятельностью микроорганизмов, в том числе кислород, которым мы дышим. Конечно, позже к его образованию присоединились растения, но создали кислородную атмосферу особые бактерии, так называемые цианобактерии, безъядерные мельчайшие существа, которые насытили нашу атмосферу кислородом.
– И растительный, и животный многоклеточный мир своим существованием обязан простейшим микроорганизмам?
– Конечно. Во-первых, мы от них произошли (но это было очень давно). А главное, они участвуют в нашей жизни, и ученые открывают все новые и новые области, в которых мы с ними соприкасаемся. Вот, к примеру, последние 10-15 лет очень большое внимание уделяется микробиому кишечника человека и животных.
Геномные чтения
– А можно сказать, что микробиологи сейчас знают абсолютно все виды микроорганизмов?
– Нет, совершенно не так: мы знаем очень мало. Это все открылось в конце ХХ века. Я вообще очень рада, что именно во время моей научной жизни произошла совершеннейшая революция в науке: научились читать геномные последовательности. Эта техника стала развиваться очень быстро, на это были брошены большие силы, все поняли, что это очень важная вещь. Сначала это было очень дорого и сложно, но все совершенствовалось и совершенствовалось – и в какой-то момент уже стало доступным секвенирование, чтение последовательностей генов.
И в этот момент обнаружилось, что микроорганизмы, которые существуют в природе, – это совершенно не те микроорганизмы, которые мы имеем на лабораторных столах. Раньше мы могли вырастить какое-то количество клеток в своей пробирке или чашке Петри и исследовать их как единый организм, потому что они должны быть для этого все одинаковые (так называемая чистая культура). Но выяснилось, что в чистой культуре далеко не все микробы могут расти, даже не то что не все, а практически никто. Нужно, видимо, подбирать особые условия.
Открылось огромное поле неизвестных микробов. Причем с помощью этих же методов можно их оценить количественно, узнать, что их очень много, они играют какую-то важную роль, какую – неизвестно. И вот это теперь вызов.
– По большому счету пока это такая tabula rasa?
– Да, но все силы брошены на то, чтобы все это узнать. По крайней мере, мы теперь, во-первых, знаем, что не знаем, во-вторых, мы имеем орудия для узнавания, в-третьих, они все время совершенствуются, все время появляется что-то новое. Микробиология стала очень быстро развиваться.
Разложить неразлагаемое
– Когда говорят о науке, обычно говорят не о теоретической науке, а пытаются вспомнить, каким образом та или иная наука может быть применена в быту. Микробиология в быту – это что?
– Микробиология как раз используется очень широко. На нашем конгрессе есть отдельная сессия, «Микробные технологии» называется...
– Звучит как биологическое оружие.
– Микробные технологии?
– Да.
– Нет-нет, это абсолютно мирная специальность. Микроорганизмы – это колоссальное разнообразие химических реакций, у них есть ферменты – белки, которые помогают им осуществить реакции, которые химическим путем либо невозможно осуществить, либо можно, но это будет очень-очень дорого.
Вот, например, азотное удобрение. Азот в атмосфере – это газ, который очень трудно мобилизуется. И чтобы получить из него аммоний, который можно поместить в землю, я из школьного учебника помню, что там нужно сколько-то атмосфер и какая-то температура – в общем, это энергозатратный процесс. А микроорганизмы умеют это делать: они берут азот из атмосферы, и, собственно, весь связанный азот – это микробный азот, а потом он уже идет к растениям и к животным. Но это как раз не прикладная наука, а то, что происходит в природе.
Очень микроорганизмы могут осуществить много процессов, которые используются, и причем человек их использовал всегда, не зная, что это микробы: например, те же молочнокислые продукты. И молочнокислые бактерии, кстати, образуют антибиотики и витамины, поэтому молочнокислые продукты так полезны. Но раньше все это использовалось эмпирически, а теперь это все контролируется, все это можно с помощью новых геномных технологий прочитать и усовершенствовать. Но это самый простой пример.
Очень важная функция микроорганизмов – это разложение ксенобиотиков. Ксенобиотики – это вещества, которых не существует в природе: это всякие сложные молекулы, те же моющие средства, пластики (это особая статья). С пластиками, конечно, тяжело, но этим тоже занимаются: ищут биологические способы разрушения пластиков. Нефтяные загрязнения, например: они постоянно происходят, и в природе есть микробы, которые разлагают нефть, и делаются специальные микробные препараты, которые помещаются на эти нефтяные пятна, чтобы они их поедали.
Очень много самых разнообразных возможностей применения микроорганизмов. Синтез всяких лекарственных стероидов, веществ. Вообще микробный синтез несравним по цене с химическим синтезом сложных веществ, и получаются очень чистые препараты. Тут тоже ведется очень большая работа, есть масса биотехнологических компаний, работающих с ферментами микроорганизмов, которые используются для улучшения свойств кормов, для детергентов: все пользуются стиральными биопорошками…
– Там это тоже есть?
– Да, это все микробного происхождения. Представляете, это крошечная клеточка. Размер микробной клетки – это микрон, это тысячная доля миллиметра. И вот такие крошечные клеточки не только живут – они противостоят окружающей среде и ее преобразуют.
«Кустистая» родословная
– Когда в лабораториях ставят опыты над белыми мышами, некоторые им дают имена. А у вас у групп микросуществ есть какие-то позывные, имена? Как-то их ласково называете?
– Это совершенно необходимо. Мозг человека так устроен, что ему нужно обязательно давать названия. Существует таксономия микроорганизмов, область микробиологии: это классификация микроорганизмов. Каждый микроорганизм занимает некое местечко на дереве (филогенетическое дерево – это кто от кого произошел). Для микробов это всегда было очень сложно. У высших организмов мы видим: чем сложнее – тем позже. У микробов мы не знаем, какой вес придать какому признаку. Поэтому дерево микробов – это был такой куст, даже не куст, а сетка : непонятно было, кто от кого произошел и кто кому более близкий родственник.
Но когда стали читать геномные последовательности, смогли выстроить такую систему, где понятно, кто как с кем соотносится. Построили дерево жизни, и на каждой его веточке сидит микроб, у которого есть имя, оно двойное, как имя и отчество: это род и вид. Род – это более крупная группа, а внутри рода есть виды. Кроме этого, есть еще семейства, порядки, классы, филумы – это, можно сказать, спорт: описать какую-нибудь глубокую линию или группу, новый филум или новый класс – это высший пилотаж. Ты входишь в историю.
Некоторые любят погорячее
– Вы сейчас вспомнили про направления, которые могут стать прорывными, и вспомнили, что, например, идут исследования микроорганизмов, которые уничтожали бы пластик. Я, готовясь к разговору с вами, видел рекламу, что можно заказать контейнер с микроорганизмами: завел дома, кидаешь туда пластиковые пакеты – они там перерабатываются. Пока это фантастика ?
– Пока фантастика. Мы на кафедре микробиологии в московском университете занимаемся разложением пластиков. Конечно, они разлагаются, но очень медленно. И причем они разлагаются простыми микробами, не особенными какими-то, а теми, которых много, которые вообще умеют разлагать полимерные субстраты. Ведь микроорганизмы разлагают целлюлозу: это опорный элемент высших растений, благодаря которому растения смогли выйти на сушу, и очень сложно устроенный полимер, очень укрепленный. Но микроорганизмы эти цепочки рубят, разлагают и другие биополимеры, на которых вообще держится наша жизнь. Это ферменты (необязательно целлюлаза, есть и другие ферменты), которые они используют для разложения природных соединений, например воска, ведь листья растений покрыты воском – вот есть фермент кутиназа. И оказалось, что этот фермент кутиназа разлагает полиэтилентерефталат: это бутылки, которыми мы все пользуемся, которые валяются в наших лесах. Кутиназа медленно, но разлагает этот полиэтилентерефталат. Японские исследователи тут достигли большого успеха, и даже уже довольно быстро это происходит с помощью этих ферментов.
– А когда ждать прорыва? Когда появится такая технология, когда действительно бросаешь пластиковую бутылку – и через час ее нет?
– Я думаю, что тут идет движение с двух концов. Конечно, все в ужасе от того, что мы сотворили: в океане плавают острова пластика и замусорено вообще все что можно, страдают морские организмы. Микропластик тоже большая проблема, потому что эти мелкие частицы забивают морские организмы. И поэтому с двух сторон идет работа. С одной стороны, люди пытаются найти ферменты для разложения мусора, но ясно, что это только на будущее: невозможно будет поливать океан этими ферментами, это совершенно нерентабельно. Но, с другой стороны (и я думаю, что, скорее, здесь будет успех), биоразлагаемые пластики – это то, что в будущем, скорее всего, будет повсеместно использоваться. Куда девать то, что уже наделали, не совсем понятно.
Мы тоже присоединились к этому и собираемся эту тему развивать. У нас такая идея: я всю свою жизнь в науке занималась микроорганизмами, которые живут в горячих источниках на Камчатке, на Байкале. Как ни странно, в стране довольно много таких мест. И в этих горячих источниках при температуре почти 100 градусов живут бактерии и археи, у них очень стабильные белки, ферменты, они работают при этой температуре. И мы пробуем посмотреть, не будут ли пластики разлагаться при такой высокой температуре лучше, потому что ясно, что они будут мягче, их структура будет нарушаться, и, может быть, здесь как раз эти ферменты будут активно действовать.
– Разогреть еду для бактерий.
– Ну типа того, да. Но пока не могу сказать. Я, конечно, ожидала, что у нас лучше пойдут дела, но какие-то успехи есть.
– Я хочу про пищевую промышленность спросить, где микробиология занимает особую роль. Все опасаются есть дрожжевой хлеб из магазина, когда его выпекают в булочной – и тут же на продажу. Он очень пышный и недорогой. А есть такой миф, что якобы дрожжи из этого выпеченного хлеба потом поселяются в человеке и провоцируют у него какие-то заболевания. Так это или не так?
– Нет, я думаю, что это не так. Они погибают при выпечке, не выдерживают такой температуры. Это точно.
О сверхпродуцентах замолвите слово…
– Есть ли в «кисломолочке» длительного хранения живые бактерии? Кефир, который можно поставить в холодильник на месяц, – он мертвый или живой?
– Я думаю, что там есть консерванты. Но вот я, к сожалению, не могу вам квалифицированно ответить на этот вопрос, меня он саму интересует. Надо будет мне заняться этим. Консерванты должны предотвратить рост других микробов, но они, наверно, подействуют и на молочнокислые бактерии. Там присутствуют продукты их обмена, витамины и антибиотики, но нет самих живых бактерий. Так что, может быть, они так же полезны, как живые.
– А есть какие-то искусственно выведенные бактерии, которые применяются в химии, в пищевой промышленности?
– Конечно, и не надо этого бояться. Дело в том, что микроорганизмы, у которых ценные ферменты, медленно растут, медленно и плохо. И никогда никакое производство не оправдает себя. Поэтому делается так: нужный ген, который производит нужное вещество, пересаживается в обычную бактерию, которая быстро растет, хорошо размножается и производит.
Еще есть такие методы, чтобы сделать сверхпродуцента, который будет работать (вот издеваются над бедными бактериями), чтоб клетка только этот белок нарабатывала и нарабатывала, как безумная, в огромном количестве. Это все очень хорошо отработано, и это уже повседневная практика. Фраза «создание штамма-продуцента» как раз имеет в виду, что это будет быстрорастущий микроб, который очень активно нарабатывает нужное вещество. Только так это и можно использовать.