В сентябре 2021 года микробиологи из Казани и Санкт-Петербурга по договору о научном сотрудничестве с заповедником «Курильский» провели исследования сообществ водных микроорганизмов в термальных источниках и пресных водоемах Кунашира.
Исследования проводили: А.А. Потехин – к.б.н, профессор кафедры микробиологии СПбГУ и Н.Е. Гоголева – к.б.н., сотрудник лаборатории молекулярной биологии Казанского института биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН.
В течение недели специалисты обследовали несколько минерализованных термальных источников: Третьяковские, Столбовские, на Северо-Западном поле вулкана Менделеева, в кальдере вулкана Головнина. В водах этих источников одноклеточные организмы формируют уникальные сложно организованные сообщества – так называемые биоплёнки. Биоплёнки очень стабильны, и каждый участник сообщества выполняет определенные функции.
Объединяясь в сообщество, бактерии выделяют слизистый внеклеточный матрикс, позволяющий им «склеиваться», также обеспечивающий защиту от некоторых стрессовых факторов внешней среды. Автор фото: Ирина Неведомская.
«Интересных находок на Кунашире может быть очень много. Вулканические источники с горячими ручьями, с повышенной кислотностью или, наоборот, с щелочной средой, с отложениями солей, на которые «страшно смотреть», потому что кажется, жить там нельзя. Но мы приходим на экотропу Столбовскую или на фумаролы и видим в этих ручейках своеобразную жизнь. Биоплёнки для обычного человека выглядят как грязь, могут быть желто-серыми, бурыми, выглядеть как прозрачный студень или розовый пудинг с зеленой глазурью. Такое сообщество может включать в себя не только бактерии, но и другие микроорганизмы, и отлично себя чувствует в очень горячей закисленной или, наоборот, щелочной воде. И поневоле задумываешься, а как это сообщество микроорганизмов выживает в таких условиях?» – комментировал Алексей Потехин.
Перед учёными стояли задачи по сбору микроорганизмов, формирующих биоплёнки, для дальнейшего прочтения последовательностей ДНК собранного материала. ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – это очень длинная молекула, в которой закодирована вся информация об организме, можно сказать, вся его жизнь и способности. Прочтение ДНК с использованием современных подходов (секвенирование) позволяет собрать геномы всех участников сообщества, определить способы их кооперации в сообществе, выявить гены, важные в том числе для биотехнологии. Однако одной из сложностей при работе с такими объектами является доставка материала из экстремальных местообитаний в лабораторию. Как только термофильные микроорганизмы изымаются из привычной среды обитания, они начинают погибать, а их ДНК разрушается.
На Курилах у учёных нет возможности использовать для фиксации материала сухой лёд или жидкий азот, чтобы затем в лаборатории выделить ДНК высокого качества из замороженных образцов. Поэтому у исследователей появилась идея: провести уникальный эксперимент по выделению ДНК «на месте», в полевых условиях. Во время этого процесса необходимо добавлять ферменты, каждый из которых работает при своей температуре.
«Когда мы пришли на горячие источники, у меня был с собой набор ферментов, ступка, с помощью которой я растираю материал, фиксаторы, одноразовые наконечники для отбора материала – все необходимое для стерильной работы. Ферменты – это такие белки, которые помогают проведению различных биохимических реакций в организме. В молекулярной биологии мы используем ферменты с этой же целью. Но каждый фермент работает при своей температуре. Поэтому мы нашли в воде рядом с источниками места с температурой, подходящей для работы каждого фермента, используя сам источник, как термостат.
Работа в кальдере вулкана Головнина, на озере Кипящем. Автор фото: Сергей Стефанов.
Например, сначала мы разрушали клеточную стенку бактерий с помощью лизоцима и держали образцы при 37°C. Затем добавили протеиназу, которая помогает разрушить белки, и перенесли образцы в природную ванну с температурой 56°C. Затем добавили РНКазу, которая расщепляет РНК при 37 °C. Полученный в результате всех этих манипуляций содержащий ДНК препарат был уже стабилен, и мы продолжили работу с ним на базе административного комплекса заповедника, поскольку дальнейшие шаги требовали использования специального оборудования (и электричества)», – пояснила Наталья Гоголева.
Сами учёные результатом эксперимента остались довольны. ДНК из образцов удалось выделить много, и, по визуальной оценке, достаточно качественно. Полностью оценить успешность эксперимента еще предстоит в лабораториях.
Термальные источники вызывают интерес у учёных самого разного профиля. До сих пор они далеко не полностью исследованы. Изучение флоры, фауны и микробиоты столь экстремальных для жизни мест – важный процесс как фундаментальной, так и прикладной науки. Неизвестно, в каких областях научного знания пригодятся эти сведения. «Например, всем ставший знакомым ПЦР-тест стал возможен благодаря бактерии, обитающей в очень горячих источниках. Эта бактерия (Thermus aquaticus) может синтезировать свою ДНК при температуре 95 °C. При этой температуре белки, как правило, разрушаются, а эти бактерии выживают, и ферменты у них работают. Выделенный из бактерии фермент Taq-полимераза сейчас рутинно используется в молекулярной биологии. В процессе ПЦР-теста необходимо нагревать периодически реакционную смесь до 94 -95 градусов. Никакой обычный фермент такого не перенесет, а этот фермент справляется» – рассказал Алексей Потехин.
«Я – протистолог*-микробиолог, и занимаюсь не только бактериями, но и пресноводными инфузориями. Инфузорий большое многообразие, оно изучено не до конца. Конечно, интересно посмотреть, кто водится здесь, в водоёмах Кунашира. Поскольку это остров, всегда возникает вопрос, как сюда попадают разные организмы? Большие животные могут прийти по льду. Инфузории по льду не придут, значит, кто-то их должен принести. Кто их приносит на такие расстояния? Это тоже загадка. Такие популяции, изолированные географически, очень интересно изучать, тем более, что на островах могут идти необычные генетические процессы. Здесь могут быть какие-то отличающиеся популяции или даже новые виды.
А еще у инфузорий есть много симбиотических бактерий. По какой-то причине разнообразие этих симбиотических бактерий всегда больше в подсоленной воде. Скорее всего, бактерии вызывают стресс у инфузории, а инфузория в ответ вырабатывает «шоковые» белки, защищающие обычные клеточные молекулы, которые в условиях солёности могут хуже выполнять свои функции. Инфузории, заражённые бактериями, могут жить при более высоких температурах и при более высокой солёности. Это сочетание факторов позволяет надеяться найти здесь, на острове, интересных симбионтов».
Исследования микробиологов на Кунашире будут иметь пролонгированный характер. Также предполагается выполнение школьного индивидуального проекта по химии совместно с Южно-Курильской средней школой по исследованию минерализованных источников в различные сезоны года. Этот проект будут курировать сотрудники заповедника. Полученные результаты позволят собрать больше данных об условиях, в которых обитают термофильные микроорганизмы.
Пожелаем учёным удачи и новых интересных открытий.
Протистология — раздел биологии, посвящённый изучению протист. Протисты - это одноклеточные или (реже) колониальные ядерные организмы (эукариоты) с клеточным уровнем организации (примеры: эвглена зеленая, хламидомонада, амеба обыкновенная, инфузория туфелька, вольвокс). Известно около 30 000 видов протистов, среди которых имеются и паразитические (малярийный плазмодий, дизентерийная амеба, лямблия и др.).
Фото на главной странице: Пузырьки газа, образующегося в результате жизнедеятельности термофильных микроорганизмов. Автор фото: Сергей Стефанов.
20.10.2021
Отобранный материал биоплёнок, собранный из источников на экотропе «Столбовская». Автор фото: Сергей Стефанов.
Работы по выделению ДНК на базе заповедника. Автор фото: Мария Наумова.
Если присмотреться, можно увидеть мутноватые нити в пробирке – это выделенная ДНК. Автор фото: Мария Наумова.
Отбор проб для последующего выявления пресноводной фауны (простейших) в минерализованной реке Озёрная. Автор фото: Сергей Стефанов.
Материал пресных водных объектов с о. Кунашир был изучен в лаборатории. Фото инфузории рода Colpidium под микроскопом. Автор фото: Алексей Потехин.
Dileptus - род инфузорий. Большинство видов Dileptus - агрессивные хищники, оснащенные длинными подвижными хоботками с токсичные экструсомами, которыми они оглушают другие микроорганизмы перед тем, как их поглотить. Автор фото: Алексей Потехин.
Инфузория рода Oxytricha. Автор фото: Алексей Потехин.
Определение кислотности среды в озере Кипящем. Как видно на примере лакмусовой бумажки Ph приблизительно равен 4.5, что соответствует слабокислой среде. Автор фото: Сергей Стефанов.
Проведение одного из этапов выделения ДНК микроорганизмов из материала, собранного на озере Кипящем. Кордон «Озёрный». Автор фото: Сергей Стефанов.
Исследования термального источника в рамках индивидуального школьного проекта. 19.10.2021. Автор фото: Ирина Неведомская.
Отбор проб воды и микроорганизмов в рамках индивидуального школьного проекта совместно с сотрудниками заповедника. 19.10.2021. Автор фото: Ирина Неведомская.
Бактериальные маты в термальном источнике рядом с ручьём Змеиный. 19.10.2021. Автор фото: Ирина Неведомская.