Термофильные микроорганизмы — это микроорганизмы, которые живут при высоких температурах, в горячих источниках и почвах, вулканических местообитаниях и подводных вулканах. Они могут расти при температурах, превышающих точку кипения воды, если она при этом не кипит. Это может происходить в глубоководных горячих источниках, например. Там за счет давления поддерживается очень высокая температура воды, но отсутствует кипение. Микроорганизмы, которые там обитают, имеют особые структурные элементы клетки и особые ферменты. Для всех остальных живых существ высокая температура опасна: она полностью дезактивирует и разлагает все важнейшие жизненные компоненты клеток. С термофильными микроорганизмами этого не происходит.
Исследование термофильных микроорганизмов
Наша лаборатория (ФИЦ биотехнологии РАН) уже двадцать лет занимается поиском новых термофильных микроорганизмов и изучением их разнообразия. Особое внимание мы уделяем термостабильным ферментам, которые работают при высоких температурах, так как они используются в различных областях жизнедеятельности человека и производстве лекарственных веществ.
Профессор Дженнифер Литтлчаилд из Эксетерского университета занимается исследованием этих ферментов, их структуры и способов их применения. Наша лаборатория обладает большой коллекцией микробов, которую мы сами собрали. Поэтому мы были заинтересованы друг в друге: у нас нет такого опыта в исследовании ферментов и белков, а у них нет такой обширной коллекции. В рамках программы Европейского союза мы получили большой грант и создали альянс с лабораторией профессора Литтлчаилд. Наша роль в исследовании заключалась в сборе материала, поэтому мы организовали экспедиции в термальные местообитания — на Камчатку, Курильские острова, озеро Байкал — и брали оттуда пробы. За время сотрудничества мы нашли много новых, ранее неизвестных микробов, которые живут в горячих источниках, и проанализировали их геномы. Лаборатория Эксетерского университета клонировала эти гены и осуществила продукцию этих белков в больших количествах. В результате они получили очень ценный фермент — эстеразу, разрушающую эфирные связи и имеющую различные применения.
Кроме того, мы работали с определенным типом ферментов — гидролазой, которая разрушает биополимеры. Наша микробиологическая работа заключалась в получении чистой культуры — культуры, у которой все клетки одинаковые. Тогда их можно исследовать, описать и охарактеризовать как единый организм. Добытые нами новые штаммы переходили в руки наших партнеров из лаборатории Дженнифер Литтлчаилд, где их исследовали на предмет использования в разных областях деятельности человека.
Наши команды встречались несколько раз в год, обменивались материалами, делали доклады и делились опытом. С профессором Литтлчаилд я была знакома давно, с 2003 года, потому что люди, которые занимаются исследованием термофилов и микробов, живущих в экстремальных условиях, знают друг друга, встречаются на конференциях и поддерживают связь. Это очень ценные и продуктивные знакомства, которые сильно дополняют наши возможности.
Роль термофилов в исследовании эволюции жизни на Земле
Изучение термофильных организмов помогает лучше понять эволюцию жизни на Земле в том смысле, что дает новый материал для размышления. Конечно, проверить любые гипотезы очень трудно, потому что никаких материальных остатков от микроорганизмов невозможно найти. Поэтому мы можем только предполагать, какие процессы происходили в то время.
Тем не менее мы знаем геологическую историю Земли, с которой мы можем сопоставить наши находки. Например, мы знаем, что 4 миллиарда лет назад не было кислорода. Земля была горячая (около 78 градусов), бескислородная и состоящая из камней и газов — органических субстратов не было вообще. Кроме того, было много жесткого ультрафиолета, который препятствовал развитию живых существ, потому что он разлагал ДНК.
Термофильные микробы живут в глубине, питаются неорганическими субстратами и выдерживают высокую температуру. Теоретически они очень хорошие кандидаты для жителей такой негостеприимной планеты, какой была Земля в начале своего существования. Но все это только предположения.
Считается, что термофильные микробы способствовали образованию биосферы, так как они синтезируют свое органическое вещество и дают субстрат для других микроорганизмов, которые используют его. Термофильные микробы называют первичными продуцентами: они производят органические молекулы из неорганических. Этот процесс происходит и сейчас. Мы наблюдаем это в горячих источниках, где такую органику видно в большом количестве (например, микроорганизмы используют сероводород глубинного происхождения).
Практическое применение результатов исследования термофилов
Дженнифер Литтлчаилд занимается поиском практического применения особой стабильности ферментов этих микроорганизмов для пользы людей. Нашей лаборатории, к сожалению, не удается найти применения нашим микробам.
В целом существует множество применений этих ферментов в медицине. Например, чтение генетического кода невозможно без термостабильного фермента — ДНК-полимеразы, которая собирает цепочку ДНК. Для анализа ДНК нужно размножить фрагмент цепочки так, чтобы она вся была идентична, была такого же состава, как первичное небольшое количество ДНК. Это делается при помощи фермента из термофильных микроорганизмов.
Кроме того, из-за их стабильности по отношению к высоким температурам и другим факторам ферменты термофильных микроорганизмов достаточно часто используются в пищевой промышленности.
