обновлено: 17:40, 06 апреля 2023
Общество
Бактерии из вечной мерзлоты: Братья наши старшие, всемогущие, вездесущие…
Можно ли излечить язву за пять дней и поставить на ноги всех пациентов реанимации с тяжёлыми повреждениями головного мозга? А можно ли левшу сделать правшой и победить младенческую смертность? Микробиологи считают, что способны на большее, и уже вступили в борьбу с преждевременным износом организма. Их цель — заставить человека жить срок, отведённый природой, а не судьбой-злодейкой. С подопытными мышами такой «фокус» у них уже получился. В основе успеха — открытия, сделанные в процессе изучения уникальных свойств древних бактерий.
Время для чтения ~ 20 минут
Сотрудники Отдела биоресурсов криосферы Тюменского научного центра СО РАН работают с организмами, населявшими планету задолго до появления человека. Можно сказать, что они стоят у истоков возникновения самой жизни на Земле, а потому лучше многих учёных понимают регулирующие её механизмы.
Сколько в нас бактерий?
– Мы с 2006 года изучаем микробиоту вечной мерзлоты, — рассказывает «Северянам» руководитель отдела, доктор медицинских наук, профессор Сергей Петров. — Её слой формировался не в один день, поэтому на разной глубине микроорганизмы различного возраста — чем глубже, тем древнее. По ним можно изучать эволюцию жизни, а это очень важно для понимания, куда и как идёт наше развитие.
По словам собеседника, всего 14 тысяч лет назад на Ямале бродили мамонты. Некоторые учёные считают, что этих мохнатых гигантов можно было встретить на отдельных арктических островах ещё 6 тысяч лет назад. Отчего они вымерли, до сих пор доподлинно неизвестно — версий много. Так же много различных идей об их возрождении. Не надо быть слишком умным, чтобы понимать: древних гигантов окружали микробы, отличающиеся от тех, что сопутствуют их современным родственникам — индийским слонам.
Оказывается, в ледяной тиши и мраке тысячелетиями преспокойненько живут древние бактерии, в глаза не видевшие человека. Вот их свойствами и занялись тюменские учёные. Зачем?
– Человек всегда интересовался вопросами мироздания, а бактерии — это первые живые организмы, появившиеся на Земле. Их изучение — это изучение происхождения жизни и познание сущности самого человека, — поясняет Сергей Анатольевич.
Жутко представить, но человек, в общем-то, представляет собой симбиоз микроорганизмов, ведь в каждом из нас находится от двух с половиной и более килограммов бактерий. Бактериальных клеток в человеке в 2,5 раза больше, чем собственно человеческих, а наш генетический код на 95% — бактериальный. Мир бактерий отличается исключительным разнообразием. Учёные изучили его лишь на два–три процента, хотя некоторые специалисты считают, что истинный результат ещё скромнее — не более 0,3%. И чем больше мы их познаём, тем шире горизонт непознанного. Ещё бы: человек живёт на Земле миллион лет, да ещё пару месяцев. А наши маленькие «старшие братья» — четыре миллиарда, три из которых — эпоха их безраздельного господства на планете! Они без нас прекрасно проживут. Мы без них — ни мгновения!
Доисторические «консервы»
– Последние два столетия учёные шли по пути изучения патогенных форм бактерий — тех, что вызывают болезни человека, животных и растений. Но их свойства и биопотенциал постоянно меняются, они активно адаптируются к современной среде, — продолжает Сергей Петров. — А в мерзлоте бактерии законсервированы и обладают именно теми свойствами, которые были им присущи сто, тысячу, миллион лет назад. Наша задача — изучить эти свойства и умно использовать в современном мире.
Именно — умно. Профессор Петров и его коллеги помнят о социальной ответственности науки перед человечеством. Лекарство в злых руках может стать ядом, ведь и атом не только греет, но и сжигает.
– Оказалось, что обнаруженные нами в вечной мерзлоте палеобактерии (значит — древние) обладают уникальными свойствами. Так, при тестировании на клетках человеческой крови они показали высокие иммуномодулирующие свойства, что позволяет использовать созданные на их основе препараты для улучшения здоровья. А другие штаммы, наоборот, проявили себя как цитостатики (тормозящие деление клеток), что необходимо для лечения раковых и иных опухолей.
По словам учёного, при заживлении ран у лабораторных мышей экспериментальный препарат показал эффективность, в полтора раза превышающую ныне используемый в медицине. Причём заживление раны происходило полностью — без формирования рубца (шрама) и с восстановлением на повреждённом месте волосяного покрова!
– Уникальные результаты нами были получены и при экспериментах на продолжительность жизни, — продолжает профессор Петров. — Образно говоря, любой живой организм запрограммирован на определённый срок жизни, но чаще всего не доживает до него по различным внешним причинам: экологическим, из-за болезней, вредного воздействия окружающей среды. Так, средний срок жизни лабораторных мышей в два с половиной года представляет собой кривую линию: из ста особей контрольной группы до этого срока дотянули лишь десять, остальные девяносто умерли раньше. А в экспериментальной группе под воздействием бактериального препарата — дожили все сто. Мышки не побили рекорд долгожительства, но отведённые природой годы прожили до конца здоровыми и счастливыми.
Старушка с косой не ожидала…
Ещё более сенсационные результаты дали следующие опыты: все люди делятся на правшей и левшей, что определяется преобладанием работы правого или левого полушария головного мозга. От этого зависит психотип человека и его склонности к роду занятий: правое полушарие отвечает за тягу к искусству, левое — к логическому мышлению (кстати, из двенадцати сотрудников отдела четверо — левши. А вот среди шахматистов они редкость). И вдруг оказалось, что один из обнаруженных штаммов бактерий регулирует функцию полушарий мозга, проще говоря, может менять праворуких на леворуких. На людях, конечно, с этим пока не экспериментировали, но...
– Существует проблема в птицеводстве — малообъяснимая смертность цыплят в раннем возрасте, — включается в беседу с «Северянами» ведущий научный сотрудник отдела, кандидат биологических наук, доцент Андрей Субботин. — Цыплята быстро растут, из-за чего морфологическая система не поспевает за организмом. Мы занялись этой проблемой: взяли цыплят из инкубатора и воздействовали на них двумя штаммами, один из которых содержал в пять раз больше серотонина и дофомина.
Оказалось, что под действием этого штамма у цыплят повышается исследовательская активность, проявляется межполушарная асимметрия, активируется вегетативная система и возрастает стрессоустойчивость. Вывод: целесообразность разработки препаратов-психомодуляторов на основе штамма для лечения болезней человека, в том числе депрессии. Ведь бактерии практически управляют человеком, влияя на его психику и даже поведение.
– Или возьмём такую патологию — детский аутизм. Основная теория его возникновения — недостаточность в организме определённых видов бактерий при развитии ребёнка, — говорит профессор Петров. — Сейчас активно развивается направление по созданию психобиотиков для лечения психических нарушений.
А вы знаете, что мы выбираем свою половинку жизни (или просто влюбляемся) по феромонам: у нас в носу есть такой незаметный орган, который их улавливает, оценивает и делает за нас вывод — нравится или не нравится. А самое смешное, что вырабатывают эти феромоны бактерии, находящиеся в кишечнике. Вот и говорят: путь к сердцу мужчины лежит через желудок. Отсюда остаётся один шаг до создания эликсира любви. В виде какого-нибудь дихлофоса...
А ВЫ ЗНАЕТЕ, ЧТО
Несмотря на свою микроскопичность, биомасса бактерий в несколько раз превышает массу всего живого на Земле.
Бактерии — это домен прокариотических микроорганизмов (доядерных организмов, не обладающих типичным клеточным ядром и хромосомным аппаратом). Обычно они достигают несколько микрометров в длину и имеют разную форму: от шарообразной до палочковой и спиралевидной.
С древнегреческого языка слово «бактерия» переводится как «палочка». Это название появилось в связи с тем, что голландский микроскопист Антони ван Левенгук в 1676 году обнаружил протисты в форме палочек. Кстати, после его открытия в течение ста лет никто из учёных бактерий больше разглядеть не смог.
Бактерия — одна из первых форм жизни, ныне обитающая везде: на дне Марианской впадины, в кипящих источниках, в каменистых породах на глубине свыше двух километров. Один грамм почвы в среднем содержит 40 миллионов бактериальных клеток, в миллилитре свежей воды их около миллиона. Они обладают исключительной устойчивостью и были обнаружены даже на стенках ядерного реактора. Такая приспособляемость объясняется быстрым размножением бактерий — примерно один раз в 20 минут, что позволяет адаптироваться к любым условиям.
Бактерии вызывают такие инфекционные болезни, как холера, сифилис, сибирская язва, проказа и бубонная чума. Наибольшее количество смертей вызвано бактериальными респираторными заболеваниями. Только туберкулезная палочка ежегодно уносит 2 миллиона человеческих жизней.
Фармацевтам на заметку
– Одна из наших основных задач — изучение влияния древних микроорганизмов на современный животный и растительный мир, — поясняет Сергей Анатольевич. — Например, при исследовании разных штаммов на иммунную систему оказалось, что из них можно получать препараты направленного действия — активирующие или подавляющие определённую функцию в иммунной системе — иммуномодуляторы.
А вообще, в области медицины отдельные штаммы палеобактерий дали результаты, выходящие за рамки реализма. Так, во время опытов на кроликах снималось 5 мм эпителия роговицы глаза — такая травма значительна даже для человека. Заживление осуществлялось традиционным медицинским препаратом и опытным, сделанным на основе микроорганизмов. «Опытный» глаз зажил через 48 часов, с традиционным лечением — не зажил и через 120 часов.
– Кстати, — по секрету сказал профессор Петров, — этот препарат мы испытали на наших сотрудниках-добровольцах, имевших проблемы со здоровьем. Язва, которую врачи лечили больше четырёх месяцев, зажила на пятый день. Эксперименты с домашними котами показали схожий результат.
А ещё, по словам учёного, лабораторным крысам «устраивали» дозированную черепно-мозговую травму. Нет, совсем не молоточком по черепу! Специальным медприбором делалось искусственное «повреждение целостности головного мозга», после чего опытной группе вводился избранный штамм. В этот раз даже не препарат, сделанный на основе микроорганизмов, а живые бактерии — прямо в брюшину животного. При лечении стандартными в таких случаях лекарствами смертность в тестовой группе составила 56 процентов — вполне приемлемый средний результат. А в опытной — ноль!
– Сначала мы в такие результаты сами не поверили, — вторит Петрову доцент Андрей Субботин. — Эксперимент провели ещё дважды и сумели закрепить смертность на уровне 5,6 процента — ровно в десять раз ниже обычных результатов. Представляете, сколько может спасти такой препарат людей, пострадавших, например, в ДТП!
Диапазон применения такого препарата почти безграничен. Особенно сейчас, в период ведения масштабных боевых действий. Сколько жизней можно было бы спасти в военных госпиталях и медсанбатах! А есть ведь ещё бытовой травматизм и несчастные случаи на производстве. На стройках рабочие регулярно получают черепно-мозговые травмы.
Невидимые строители, экологи, аграрии
Кстати, о строительстве: очередное уникальное открытие учёные отдела биоресурсов криосферы сделали, изучая способы выживания палеобактерий. Например, они живут в мерзлоте — это факт! Но для существования и размножения межбактериальной коммуникации микроорганизмы должны находиться в жидкостной среде. Для этого они научились создавать вокруг себя водную среду — это тоже факт. Но почему вода в мерзлоте не замерзает — вопрос. В ходе исследований были открыты поверхностноактивные вещества, не дающие ей замерзать.
– В зимнее время при использовании бетона в раствор часто добавляют соль, чтобы он не застывал слишком быстро на морозе, — говорит Андрей Михайлович. — Результаты применения такого способа мы видим по белым разводам на стенах зданий. Но, например, при заливке бетонных фундаментов в условиях вечной мерзлоты использовать соль нельзя — она просто растопит лёд в грунте. Мы экспериментировали с веществами, на основе которых была разработана биодобавка в раствор вместо соли.
Эксперимент проводился студентами Тюменского индустриального университета. Были отлиты бетонные кубики, половина из которых с биодобавкой. Оказалось, что при температуре минус 20 градусов через 20 дней прочность экспериментальных кубиков возросла на 25%! Исследования повторили сотрудники Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, которые показали увеличение прочности экспериментального бетона при стандартной температуре через 24 часа на 23%, а через 72 часа — уже на 47%.
Всё это изобретено, проверено-перепроверено, подтверждено в лабораториях, ждёт производственной апробации и практического внедрения. Получено более десятка патентов, связанных с уникальными свойствами палеобактерий. Большинство из них имеют прикладное значение и необходимы российской экономике. Для внедрения части открытий и изобретений тюменских учёных не нужно новейших технологий и производств с нуля. Необходимы только заинтересованность и здоровый предпринимательский азарт.
Так, уже запатентованы штаммы микроорганизмов, повышающих урожайность и устойчивость растений к хлоридному засолению; активирующих фотосинтез и энергию прорастания растений; стимулирующих рост меристемной культуры (ростков), а также средства для повышения холодоустойчивости и продуктивности растений.
– А ещё обработанный экспериментальным препаратом овёс можно высаживать на загрязнённые нефтепродуктами почвы — приживается. И вообще, бактериальные удобрения более экологичны, позволяют снижать дозы применения химических препаратов, уменьшать нагрузку на агроэкосистемы, — утверждает доцент Субботин. — Кроме того, мы определили штаммы, улучшающие размножение рачков артемий, являющихся пищей для озёрных рыб, и повышающие выклев из икры рыб вьюнов в два раза.
Чем древнее, тем лучше
И всё-таки зачем лезть в мерзлоту за древними микроорганизмами, если нас окружают триллионы современных?
– А дело в том, — объясняет профессор Петров, — что палеобактерии обладают набором уникальных свойств. Они жили в более жёстком мире, для выживания в котором были необходимы сильные адаптивные способности. Современные их потомки просто разнежились.
Грядёт потепление. Говорят, что даже Антарктида в конце концов когда-то снова зацветёт. Не сегодня, так завтра или через сто лет все эти древние микроорганизмы вырвутся из ледового плена на волю — в мир, где их никто не ждёт. Какими ещё уникальными свойствами обладают эти малютки, пережившие динозавров и шерстистых носорогов, что они несут современной природе, отвыкшей от жёсткой борьбы за выживание? Чтобы это понять, необходимо уже сегодня изучать свойства палеобактерий.
– У нас в коллекции двести образцов, 70 из них идентифицированы по ДНК. У всех различные свойства. Есть, например, стимулирующие рост клеток, а есть подавляющие. В природе всё уравновешено: добро со злом, плюс с минусом. Перекосов быть не должно. Самые «полезные» бактерии, давшие наибольшее количество новейших технологий, были обнаружены в районе Тарко-Сале. Изучение их свойств продолжается. Кроме ямальских, изучаем еще штаммы из Якутии и Забайкалья.
В поисках живой и мёртвой воды
О, сколько нам открытий чудных готовит просвещенья дух! Есть предположение, что палеобактерии способны восстанавливать клетки, а проще говоря — оживлять организмы. Ряд экспериментов это косвенно подтверждает. Вполне возможно, что Приуральский район ещё наводнят семейства мамонтов. Какой неоценимый вклад палеобактерии могут внести в медицину, трудно предугадать.
На снимке под электронным микроскопом с увеличением в миллион раз, где бактерия уже выглядит на полмонитора, вокруг неё видны микроскопические секреторные пузырьки — визикулы, объединённые в цепочки. Сергей Анатольевич и Андрей Михайлович спорят, что в них: газ или жидкость. В них может содержаться сложная органика, фрагменты ДНК и РНК. Да всё что угодно! Чтобы исследовать, нужно взять образец, но нечем — не изобрели ещё такого микроскопического инструмента. Ещё одна тайна бактерий пока не разгадана…
Сейчас учёные отдела биоресурсов криосферы Тюменского научного центра СО РАН в рамках исследований водных ресурсов суши Земли (реки, озёра, болота) и их экологического состояния изучают микробиотику Западно-Сибирского моря. Не ищите на карте этот водоём, в два раза превышающий Средиземное море по запасам воды. Он начинается на границе Казахстана и России на глубине около 500 метров, под Тюменью уходит уже на полуторакилометровую глубину, а под дном Карского моря залегает на 2,5 км. Свою историю море ведёт со времён палеоцена (около полумиллиона лет назад), поэтому представляет огромный интерес для учёных реликтовыми водами, которые на Крайнем Севере оказываются сокрыты от внешнего мира огромной толщей вечной мерзлоты.
Кстати, многие из наших читателей в водах этого чудо-моря всё же плескались. Речь идёт о горячих источниках на юге Тюменской области, лечащих ревматизм и иные недуги. А «открыли» море геологи, пробурив множество скважин в поисках углеводородов. Нефти не нашли, но сеть уникальных источников после себя оставили. А в них тоже живёт множество уникальных микроорганизмов, которые необходимо изучать.
Текст: Иван Бычков
Журнал «Северяне», №2, 2023 г.
