Матвей Колесник во время поиска бактериофагов в кальдере вулкана Головнина (экспериментальный метод), 31.05.2023. Автор фото: Карина Корнеева.
По договору о научном сотрудничестве с заповедником «Курильский» сотрудники Сколковского института науки и технологий во время экспедиции на Кунашир (29.05.23-5.06.23) провели исследования в рамках проекта «Атлас микробных сообществ». В ходе лабораторных испытаний отобранных проб ими были получены интересные результаты.
Трое аспирантов: Корнеева Карина, Колесник Матвей и Гилеп Константин в течение недели отбирали пробы воды и почвы. Всего было собрано 6 образцов почв различных биотопов и 30 образцов воды.
Были взяты образцы воды из горячих источников на мысе Горячем, в районе поселка Третьяково, на Столбовских источниках, на ручье Кислый, на Северо-Западном сольфатарном поле вулкана Менделеева и на трёх сольфатарных полях вокруг оз. Горячее в кальдере вулкана Головнина. Учёных интересовали кислые и нейтральные по уровню pH источники, где температура воды выше 60 °C.
В лаборатории из проб кислых источников исследователи пытаются выделить - гипертермоацидофильных архей (живущих при экстремальных температурах и высокой кислотности), из нейтральных источников – определенные гипертермофильные бактерии.
Также одна из научных задач – поиск бактериофагов (вирусов, которые заражаю бактериальные клетки) и вирусов, заражающих археи. Делают это на основе модельных организмов, т.е. достаточно хорошо изученных и поддающихся культивации в лабораторных условиях. Модельными организмами по «выращиванию» бактериофагов были выбраны термофильные бактерии Thermus thermophilus; для поиска вирусов архей – археи рода Sulfolobus.
Первые результаты исследований были получены уже в кальдере вулкана Головнина. Взяв с собой культуры бактерий T. thermophilus, ученые добавили к ним пробы воды и оставили инкубироваться, используя горячий песок на берегу озера Кипящее как термостат. В пробирках был заметен рост числа бактерий, а в некоторых пробирках предположительно пошел процесс лизиса (разрушения клеток) под действием бактериофагов. Эти результаты первичны и, конечно, будут перепроверяться в лаборатории. Но уже второй раз микробиологи использует термальные источники как лабораторию для исследований. (См. Статья – Ученые-микробиологи продемонстрировали: «Курилы – природная лаборатория»).
В четырех образцах воды исследователями уже были найдены бактериальные вирусы. Для выделения бактериофагов ученые создают благоприятную среду на основе агара для роста модельных бактерий T. thermophilus, и затем добавляют воду отобранного образца. Если вирусы, способные к заражению клеток, попали в созданный бактериальный «газон», они внедряют свой генетический материал клетку бактерии и запускают процесс инфекции, который заканчивается разрушением клетки и выходом сотен новых вирусных частиц. Из-за разрушения клеток на чашке становятся видны прозрачные пятнышки, которые соответствуют тем местам, в которые попали вирусные частицы. В дальнейшем вирусы из этих зон будут наработаны в большом количестве, из них выделят препараты ДНК и определят вирусные геномные последовательности.
В ходе поиска бактериофагов обнаружилось еще одно необычное явление – оказалось, что в пробах воды содержались термофильные бактерии, продуцирующие антибактериальные вещества.
«На одной чашке в слое мягкого агара, в который мы добавили воду из горячего источника, выросли колонии каких-то бактерий. Вокруг этих колоний на газоне нашего тестового штамма T. thermophilus образовались светлые ореолы. Выглядит так, будто эти неизвестные бактерии выделяют в среду какие-то антибиотики, убивающие клетки T. thermophilus. Среди бацилл есть довольно много термофильных организмов, и некоторые из них действительно выделяют антибиотики. Возможно, на нашей чашке вырос как раз кто-то из подобных организмов. Выглядит очень интересно, будем разбираться дальше» – прокомментировали исследователи в своем Telegram-канале.
Сейчас внимание науки обращено на новые методы борьбы с бактериями, патогенными для человеческого организма. Применение антибиотиков осложняется тем, что бактерии мутируют, приспосабливаются и становятся устойчивы к ним, и это большая общемировая проблема. Исследования бактериофагов открывают новые возможности в области борьбы с болезнетворными бактериями.
Матвей рассказал, что часть их исследований микроорганизмов направлена на поиск новых белков с потенциально интересными свойствами: «Такие белки при помощи специальной “направляющей молекулы” можно “запрограммировать” на узнавание и расщепление определенной последовательности ДНК, и при помощи таких инструментов можно, к примеру, заменить в геноме “сломанный” ген на “рабочий”. Несмотря на то, что сейчас известно большое количество таких белков, во всем мире активно ведутся работы по поиску новых - ученые стараются найти как можно более компактные (чтобы их было удобнее доставлять в клетки) и точные (чтобы белок не разрезал ДНК там, где не надо) белки.
Изучение микромира рисует поистине впечатляющие перспективы. Возможно бактериофаги из горячих источников на Кунашире еще сыграют свою роль в медицине и не только. А пока следим за ходом исследований в Telegram-канале. Там аспиранты ждут всех, кому интересен мир бактерий и микробиология в целом. Там они рассказывают о экспедициях, размещают научные заметки, информацию о исследованиях и, проводимых на базе Сколтеха, мероприятиях.
«Атлас микробных сообществ» – проект Лаборатории анализа метагеномов Сколковского института науки и технологий, поддержанный грантом Министерства науки и высшего образования РФ. Цель проекта – исследование разнообразия микробных сообществ на территории России, поиск бактерий, производящих новые антибиотики, и поиск новых инструментов для геномного редактирования.
