Об интересной и загадочной науке под названием «микробиология» — наш разговор с членом-корреспондентом РАН Елизаветой Александровной Бонч-Осмоловской, заведующей кафедрой микробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующей отделом биологии экстремофильных микроорганизмов Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, президентом Межрегионального (Российского) микробиологического общества.

Член-корреспондент РАН Е.А. Бонч-Осмоловская

— Елизавета Александровна, правда ли, что мы знаем лишь ничтожно малый процент из всего разнообразия существующих на планете микроорганизмов? С чем связан такой дефицит знания в этой области?

— Это связано с тем, что объекты нашего изучения невидимы, мы не можем обнаружить их невооруженным глазом, и даже под микроскопом микробы мало отличаются друг от друга по своему внешнему виду. При этом они крайне разнообразны по производимым ими химическим процессам.

С момента открытия микробов Антони ван Левенгуком микробиология активно развивалась и пыталась изучить эти невидимые глазу объекты, объяснить, с какой стороны к ним подобраться, ставились всяческие ловушки, чтобы микроорганизмы раскрыли свои свойства.

В первой половине XX в. начался золотой век микробиологии. Основным подходом в то время было культивирование микроорганизмов в лабораторных условиях. Ученые выращивали популяции микробов, заставляя их размножаться, подбирали оптимальные для них виды среды и в итоге получали чистую культуру, то есть популяцию, состоящую из совершенно идентичных микроорганизмов, которые произошли от одной и той же клетки.

Лабораторное культивирование стало важнейшим достижением микробиологии. Благодаря этому методу ученые смогли исследовать чистые культуры как единый организм и таким образом описывать множество их самых разных свойств. В этот период считалось, что мы знаем о микробах если не все, то очень многое. Но с появлением молекулярных методов исследования, когда стало возможным выделять ДНК из природных мест обитания, выяснилась страшная истина: в лабораторных культурах получен только 1% от всех микроорганизмов, существующих в природе! Мало того: есть многочисленные массовые группы микроорганизмов, которые, возможно, осуществляют важные природные процессы, но мы и о них ничего не знаем. Эта новость поставила под сомнение многие выводы, сделанные ранее, став настоящим ударом для микробиологов. Тем не менее наука бурно развивалась, и теперь мы изучаем микр¬организмы самыми разнообразными методами, в том числе собирая их полные геномы из природ¬ной ДНК. С помощью такого анализа можно узнать свойства того или иного организма, минуя лабораторное культивирование.

—А работа с ДНК упрощает задачу микробиологу или усложняет?

—В изучаемых геномах новых микробов очень много генов с неизвестными функциями. И даже у микроорганизма, который ты научился растить в лабораторных условиях, может быть чуть ли не треть генов с совершенно непонятными функциями, и это при том, что природа очень экономна и не создает абсолютно ненужных генов. В этом, конечно, заключается сложность.

Объем получаемой информации такой огромный, что этого хватит на многие годы вперед, можно даже не ездить в экспедиции, а изучать то, что уже есть на руках. Новейшие методы в области микробиологии, с одной стороны, очень мощные и быстрые, но есть и другая сторона — ученые не успевают освоить этот огромный объем информации, так что работы у нас действительно много.

—Можно ли сегодня назвать микробиологию редкой специальностью?

—Нет, она не такая уж редкая — в отличие от классической биологии, зоологии, ботаники, чьи представители концентрируются в основном в университетах. Все-таки микробиология крепко связана с прикладной деятельностью. Микробы испокон веков использовались и в пищевой промышленности, и в домашнем хозяйстве, а сегодня активно применяются для получения биотоплива, разложения отходов и т.д.

—Какие еще примеры использования микроорганизмов мы можем вспомнить?

—Микробов используют в очистных сооружениях, при биоремедиации водоемов и земель, в различных областях промышленности. Вот, например, отбеливание бумаги, которой мы все постоянно пользуемся. Традиционно это делалось с помощью химических реакций, но с точки зрения охраны окружающей среды биологические процессы гораздо предпочтительнее, и теперь отбеливание бумаги производится с помощью термостабильной ксиланазы — фермента, разлагающего биополимер ксилан, который придает бумаге коричневый цвет. Новые ферменты нужны всегда, потому что ферментативные реакции часто экономичнее химических процессов. Синтез каких-то редких, сложных соединений можно проводить с помощью микроорганизмов. В общем, здесь есть огромное поле для деятельности, а ее направления нередко диктуются рынком.

Микробиологов в мире достаточно много. Другое дело, что академические исследования в нашей сфере, как, наверное, и везде, подвластны некоему мейнстриму, моде; сегодня, например, уже гораздо меньше людей занимаются культивированием микробов.

—Если говорить о культивировании микроорганизмов: где брать исходный материал? Куда биологи ездят, чтобы собрать микроорганизмы?

—Могу рассказать на своем примере. Более 40 лет я проработала в Институте микробиологии им. С.Н. Виноградского (входит в ФИЦ Биотехнологии РАН). Там у нас была, и сейчас есть, активная группа по изучению микроорганизмов, обитающих в горячих источниках. Эти источники — настоящая золотая жила, кладезь, где можно обнаружить все что угодно. Там очень разнообразные микробы, все они живут при высоких температурах. Их ферменты невероятно устойчивы относительно не только температуры, но и других воздействий. В горячих источниках можно найти уникальные микроорганизмы, которые живут при температуре около 80-100° С, они называются ги-пертермофилами (от др.-греч. thermos— «теплый» и phileo— «любить»). Нашими учеными были организованы многочисленные экспедиции, в частности на Камчатку, Курилы, Чукотку.

Но интересных микробов можно встретить не только на Камчатке. В 2004 г. микробиологи Г.Б. и А.И. Слободкины нашли представителя гипертермофильных архей (археи — очень древняя, рано отделившаяся линия живых существ, наравне с бактериями и ядерными организмами) в очистных сооружениях Москвы. Оказалось, что это микроорганизм рода Sulohobococcus, который ранее был обнаружен в горячих источниках Исландии. Как он очутился у нас в столице, неизвестно. В общем, микроорганизмы, причем самые разные, обитают повсюду, но мы их не видим.

—Какие еще экстремальные условия, помимо температуры, удается выдерживать микробам?

—Их много. Микробы успешно обитают в среде с повышенной кислотностью или, наоборот, в щелочных содовых озерах, в солевых растворах с концентрацией соли, близкой к насыщению, при высоком давлении и т.д. Микроорганизмы невероятно разнообразны.

—Удивительно, что микробы могут выживать в таких условиях. Где они берут энергию?

—Это важный вопрос, потому что на нашей планете главный источник энергии — свет. Растения на Земле используют энергию света и создают органическое вещество. Микроорганизмы, способные к фотосинтезу, тоже есть, в том числе в горячих источниках. Это так называемые цианобактерии, то есть безъядерные организмы, прокариоты, которые как раз и создали кислородную атмосферу на Земле, потому что они первыми начали осуществлять фотосинтез, при котором из воды образовывался кислород.

В горячих источниках современные цианобактерии образуют цианобактериальные маты — очень толстые слоистые образования, которые можно сравнить с чайным грибом, похожие на желе; сверху у них нахо¬дятся фотосинтезирующие слои, а ниже — организмы, которые питаются биомассой фотосинтетиков. Но жизнь в горячих источниках этим не ограничивается, потому что термофильные микроорганизмы могут использовать и энергию неорганических соединений: водорода, сероводорода, железа, аммония. Такие микроорганизмы называются литотрофами (от др.-греч. lithos— «камень»), и они умеют, помимо существования за счет энергии неорганических соединений, использовать для построения клеток неорганический углерод СО2.

Оранжевое термальное поле кальдеры Узон

.

Цианобактериальные маты — современный аналог древнейших ископаемых микробных сообществ — строматолитов (Восточное термальное поле Узона).

—Если бы не было микроорганизмов, мы бы, наверное, уже погрязли в органических отходах?

—Да, и это тоже. Все растительные остатки на планете разлагаются именно микроорганизмами. Древесину разлагают микроскопические грибы; бактерии и археи могут, в том числе при отсутствии кислорода, разлагать сложные полимерные субстраты, которые образовали растения и животные. То есть сложные органические соединения минерализуются, снова превращаясь в углекислоту и воду, и возвращаются в круговорот.

—Вашим именем был назван один из недавно открытых микроорганизмов Tepidiformabonchosmolovskayae. Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее.

—Это очень трогательная история. Недавно в нашем ФИЦ Биотехнологии РАН проходила ежегодная научная конференция. Там выступила моя молодая сотрудница Т.В. Кочеткова, открывшая и описавшая нового микроба. Причем это не просто новый вид, а представитель нового класса бактерий.

Открытие было совершено по итогам поездки наших молодых ученых на Чукотку несколько лет назад. До этого мы много лет ездили на Камчатку, но оказалось, что на Чукотке тоже есть горячие источники. Экспедиция была сложной, наши сотрудники добирались к своей цели с огромными трудностями, но в итоге нашли горячие источники, которые ранее не исследовал ни один микробиолог в мире. Выступление Т.В. Кочетковой на конференции было посвящено этой группе чукотских источников. Удивителен сам факт их существования: представьте, вечная мерзлота, а в ней — горячие отверстия с температурой 90° С.

—Это все находится на возвышенности?

—Нет, по берегам ручьев и небольших рек. Этих источников очень много. С помощью молекулярных методов нашим ученым удалось определить, какие микроорганизмы там присутствуют. Но пока осталось непонятным, что же выступает источником энергии, почему при отсутствии органического вещества там бурлит жизнь, которую видно даже невооруженным глазом: это невероятно красивые волокна разных цветов — оранжевые, черные, белые. При этом в отличие от Камчатки, где в горячих источниках присутствуют водород и сера, здесь нет ни того ни другого. Есть предположение, что источником энергии для этих организмов становится растворенное в воде восстановленное железо, которого там довольно много, и микробы окисляют его кислородом воздуха. Участники экспедиции описали эти новые источники и выделили оттуда новых микробов, в том числе и того, о котором вы спрашиваете. В своем докладе Т.В. Кочеткова отметила, что давно хотела вместе с коллегами назвать микроба в мою честь. (Улыбается.) И вот, наконец появился достойный кандидат, представляющий столь глубокую линию микроорганизмов. 

—А самому ученому можно назвать открытый микроорганизм собственным именем? Или это обязательно должны сделать коллеги по цеху?

Нет, называть микробов своим именем не принято. Более того, не приветствуется даже, если человек дает имя новому микроорганизму в честь своего прямого начальника. Кстати, когда присваиваешь название новому виду в честь какого-либо человека, ты должен объяснить, почему выбрал именно эту кандидатуру, в чем его вклад я не думала, что такое может когда-нибудь случиться. Результаты исследований были оперативно опубликованы, потому что моих коллег могли опередить ученые из США, которые тоже изучали эту группу микроорганизмов. К счастью, мы оказались первыми. В микробиологии конкуренция очень высока.

—В последнее время на микробиологию возлагают большие надежды в плане разложения пластика, получения биотоплива и т.д. Насколько реальны такие перспективы?

—Эти направления, конечно, очень привлекательны для многих ученых, и работы в этой области ведутся. У нас в ФИЦ Биотехнологии РАН недавно закончился большой проект под названием «Энергоносители микробного происхождения: продуценты, пути образования, лабораторные модели получения». Этот проект поддержан Российским научным фондом (РНФ), которому я, пользуясь случаем, хочу выразить огромную благодарность. Их поддержка помогла нам очень многого добиться в наших исследованиях, опубликовать статьи в ведущих международных журналах. Но до внедрения наших разработок в практику пока еще далеко.

—В чем суть этого проекта?

—У нас было шесть задач: три фундаментальные и три прикладные. Фундаментальные исследования заключались в поиске новых микробов, которые образуют энергоносители, то есть богатые энергией продукты. Это касается только анаэробных процессов, потому что в присутствии кислорода органические субстраты полностью окисляются, тогда как в анаэробных условиях микроорганизмам приходится выбрасывать богатые энергией продукты; это необходимо для получения хоть какой-то энергии. Кроме того, мы изучали образование углеводородов микроорганизмами, ис-пользование микроорганизмами минералов в качестве источников энергии.

В горячих источниках Восточного термального поля Узона живут микроорганизмы, получающие энергию из света, органического вещества и неорганических соединений.

—Неужели с помощью микробов действительно можно получить энергию?

—Да, и этим многие занимаются. Микроорганизмы, например, можно использовать для получения электричества из органических отходов. Во всем мире эти процессы сейчас активно исследуются и даже уже используются, в частности для получения микробного электричества из морских донных осадков.

—А в чем заключалась прикладная часть упомянутого вами проекта «Энергоносители микробного происхождения»? В числе прикладных задач — работа с микроорганизмами, использующими СО (окись углерода, угарный газ), получение водорода из СО.

Была поставлена также задача по получению энергоносителей из органических отходов, и нам удалось с помощью термофильных микроорганизмов подвергнуть разложению птичьи перья и при этом получить метан, который потом можно использовать в том же хозяйстве. Птичьи перья — это на самом деле большая проблема, потому что их очень много производится при птицеводстве, образуются целые горы, но разлагаются они плохо и непонятно, как их утилизировать. С помощью метана, полученного из птичьих перьев, можно обогревать инкубатор, то есть получается замкнутый цикл производства.

Исследуя продукцию энергоносителей микроорганизмами, мы получили интересные результаты и по другим направлениям. Думаю, самое интересное, что у нас получилось в этом проекте, — это работа Д.Г. Заварзиной по окислению железа в анаэробных условиях, где акцептором электронов выступает не кислород, а СО2, и в качестве конечного продукта образуется ацетат. То есть из минерала, фактически из камня, и из углекислоты мы получили органическое соединение — уксусную кислоту! Это, конечно, не очень богатый энергией продукт, но зато из нее можно, опять же с помощью микроорганизмов (метаногенных архей), получить метан.

—Разложить пластик с помощью микробов реально или это пока только мечты? И сколько микробов потребуется, например, для пластикового стаканчика?

—Если мы говорим об объеме, то здесь технологию будет ограничивать не количество микробов, а сама поверхность пластика. Скажем, они облепят весь ваш стаканчик, создадут биопленку, а куда деваться следующим микробам? Если у нас есть подобная гетерогенная среда (неоднородная система, состоящая из однородных частей, разделенных поверхностью раздела), когда разлагается что-то нерастворимое, то, конечно, размолов этот стаканчик в пудру, мы быстрее добьемся его разложения, потому что полученные частички будут сопоставимы с размером самих микробов, но придется затратить столько энергии, что в итоге процесс окажется нерентабельным. В целом эффективное разложение пластика микробами — пока чисто умозрительная концепция, но работы в этом направлении ведутся и мы видим много обзоров на тему разложения пластика, особенно активно этот вопрос изучают в Индии и Китае.

—Вы руководите кафедрой микробиологии в МГУ. Востребована ли эта специальность среди молодых специалистов? И кого больше —юношей или девушек?

— Микробиология всегда считалась наукой для аккуратных тихих девочек, но сейчас и многие юноши хотят стать микробиологами. Сама я в свое время пошла на эту кафедру, потому что была страшно не уверена в себе и считала, что мне нечего даже соваться на другие, более престижные кафедры. «Пойду куда-нибудь, где поскромнее и потише», — рассуждала я.

Наша кафедра традиционно занималась в основном прикладной работой. И это положение дел не особенно изменилось со времен моего студенчества. Здесь очень сильная школа по биохимии, физиологии, но только новые технологии к нам пробираются медленно. Конечно, на это нужны гранты, а если у тебя нет хороших статей, то нет и гранта, а статей нет опять же из-за отсутствия гранта. В общем, получается замкнутый круг. Но есть способ из него выбраться: нужно придумывать что-то новое, интересное, тогда ты найдешь людей, которые тебя поддержат и скажут: «А давай мы вместе сделаем этот проект». Потому что специалистов, владеющих технологиями и приборами, на самом деле много, а вот идей не хватает.

Микроорганизмы можно использовать для получения электричества из органических отходов. Эти процессы сейчас активно исследуются во всем мире.

Я бы очень хотела донести до людей, как разнообразна и прекрасна наша наука микробиология. В своих выступлениях перед студентами, которые еще только выбирают кафедру, я часто говорю: если вы еще не знаете, чего вам хочется в жизни, смело идите в микробиологию, потому что там каждый найдет свое. Хотите — будете заниматься геномикой, хотите — чисто прикладными вещами, а если душа просит приключений, то добро пожаловать в наши экспедиции. Думаю, мне удалось преуспеть в популяризации микробиологии, ведь к нам с каждым годом приходит все больше желающих. В этом году конкурс на кафедру увеличился вдвое — и, кстати, юношей среди претендентов как никогда много. Мы будем тщательно выбирать для них руководителей как на кафедре в МГУ, так и в Институте микробиологии им. С.Н. Виноградского, с которым активно сотрудничаем. Главное — выполнить все, что мы пообещали нашим студентам.

Составлено по материалам статьи Янины Хужиной в журнале «В мире науке» (№5-6/2021) «Мы знаем лишь один процент из всего многообразия микробов»