Тихоходки для космонавтов
НАУКА / #1_2025
Записала Марина ПОЛЯКОВА / Фото: личный архив М. Зарубина, EyeOfScience, Wikipedia
В течение нескольких лет сотрудники Объединенного института ядерных исследований организуют экспедиции в Приэльбрусье — в глубокие подземные лаборатории Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН. Они изучают жизнь на глубине более 2 км и проводят биофизические эксперименты на плодовых мушках, фиксируя влияние высоких и пониженных радиационных фонов на живые организмы. Подробностями исследований поделился младший научный сотрудник Сектора молекулярной генетики клетки Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Михаил Зарубин.
Основная тематика работ нашего сектора — молекулярные механизмы устойчивости живых организмов к различным физическим и химическим стрессам. С помощью методов молекулярной генетики и биофизики мы изучаем экстремофильные организмы, обитающие в самых тяжелых условиях окружающей среды, устанавливаем молекулярные механизмы, делающие их такими живучими, и наконец, намечаем возможные практические приложения полученных знаний. Способы борьбы с различными экстремальными условиями (например, радиацией или окислительным стрессом) у разных живых организмов схожи. Это может стать основой для разработок в биотехнологии, фармацевтике, медицине и науках об освоении космоса. Именно поэтому ученые ищут и исследуют новые и неизвестные механизмы адаптации.
Тихоходки
Микроскопические беспозвоночные длиной от 100 до 150 мкм. Живут 30 лет при температуре 30 °C, выдерживают нагрев до 60−65 °C в течение 10 часов и до 100 °C — в течение часа, могут находиться в атмосфере из сероводорода и углекислого газа, выживают, получив высокие дозы ионизирующего излучения.
В стремлении к Марсу
У нашей группы три основных проекта. Первый — исследование молекулярных механизмов устойчивости к ионизирующему излучению и к другим стрессам у тихоходок. Это микроскопические беспозвоночные животные, способные существовать при экстремально низких и высоких температурах, давлении, длительном высыхании, в открытом космосе. Это самые радиорезистентные животные из известных науке. Они могут выжить после облучения гамма-квантами, протонами, тяжелыми ионами в дозах до 7 тыс. грей. Для сравнения, летальная доза для человека — около 10 грей.
Вместе с коллегами мы исследуем белок Dsup, защищающий ДНК тихоходок от ионизирующего излучения и активных форм кислорода. В одном из исследований мы переносили гены, кодирующие такой белок у тихоходок, в модельные организмы: плодовую мушку дрозофилу и культуру клеток человека. В результате устойчивость к ионизирующему излучению и у мушек, и в культуре клеток заметно выросла. Сейчас мы исследуем механизм действия защитного белка.
Препараты c радиопротекторными свойствами необходимы в медицине: для защиты здоровых клеток организма при лучевой терапии, лечения радиационных поражений, — а также в космонавтике: для уменьшения вреда здоровью космонавтов в дальних космических полетах, например, на Марс. Уже сейчас идут эксперименты с участием космических агентств по использованию белков тихоходок для создания организмов с повышенной устойчивостью к стрессам или с варьируемой устойчивостью к радиации. Результаты исследований позволят также повысить устойчивость к стрессам микроорганизмов, применяемых в биотехнологии, сельскохозяйственных растений и животных.
Если говорить о защите человека от радиации, то важную роль в ней могут сыграть не только белки тихоходок, но и молекулярный механизм, по которому они работают. Установлено, что космонавты не выживут, получив ту дозу радиации, которую они получат за время перелета до Красной планеты. Однако изучение принципов радиорезистентности других организмов поможет создать препараты для защиты человека от радиации.
У нашей группы три основных проекта. Первый — исследование молекулярных механизмов устойчивости к ионизирующему излучению и к другим стрессам у тихоходок. Это микроскопические беспозвоночные животные, способные существовать при экстремально низких и высоких температурах, давлении, длительном высыхании, в открытом космосе. Это самые радиорезистентные животные из известных науке. Они могут выжить после облучения гамма-квантами, протонами, тяжелыми ионами в дозах до 7 тыс. грей. Для сравнения, летальная доза для человека — около 10 грей.
Вместе с коллегами мы исследуем белок Dsup, защищающий ДНК тихоходок от ионизирующего излучения и активных форм кислорода. В одном из исследований мы переносили гены, кодирующие такой белок у тихоходок, в модельные организмы: плодовую мушку дрозофилу и культуру клеток человека. В результате устойчивость к ионизирующему излучению и у мушек, и в культуре клеток заметно выросла. Сейчас мы исследуем механизм действия защитного белка.
Препараты c радиопротекторными свойствами необходимы в медицине: для защиты здоровых клеток организма при лучевой терапии, лечения радиационных поражений, — а также в космонавтике: для уменьшения вреда здоровью космонавтов в дальних космических полетах, например, на Марс. Уже сейчас идут эксперименты с участием космических агентств по использованию белков тихоходок для создания организмов с повышенной устойчивостью к стрессам или с варьируемой устойчивостью к радиации. Результаты исследований позволят также повысить устойчивость к стрессам микроорганизмов, применяемых в биотехнологии, сельскохозяйственных растений и животных.
Если говорить о защите человека от радиации, то важную роль в ней могут сыграть не только белки тихоходок, но и молекулярный механизм, по которому они работают. Установлено, что космонавты не выживут, получив ту дозу радиации, которую они получат за время перелета до Красной планеты. Однако изучение принципов радиорезистентности других организмов поможет создать препараты для защиты человека от радиации.
Дрозофилы в Приэльбрусье
Второй наш проект — исследование влияния пониженных и высоких радиационных фонов на живые организмы. В современной биофизике усиливается интерес не только к эффектам разовых облучений, но и к воздействию хронических и фоновых радиационных стрессов. Существует представление, что естественный радиационный фон на поверхности Земли важен для нормального развития живых организмов. Наше исследование с использованием высокоточных геномных методов на модельном организме — дрозофиле — показало: продолжительное нахождение в условиях практически полностью подавленного естественного радиационного фона — очень слабый стрессовый фактор, он неспецифичен для других радиационных сценариев. Эти изменения были исследованы на молекулярном уровне.
Работы по вышеназванной теме мы выполняем совместно с Баксанской нейтринной обсерваторией ИЯИ РАН в Приэльбрусье. Ее основные задачи: изучение нейтрино и редких радиоактивных распадов. Бо́льшая часть нейтрино образуется в термоядерных реакциях на Солнце, некоторые прилетают к нам издалека, даже из других галактик. Нейтрино очень сложно экспериментально изучать: они свободно проходят через все преграды, практически ни с чем не взаимодействуют, да и выделить их из потока других частиц фоновой радиации крайне тяжело.
Второй наш проект — исследование влияния пониженных и высоких радиационных фонов на живые организмы. В современной биофизике усиливается интерес не только к эффектам разовых облучений, но и к воздействию хронических и фоновых радиационных стрессов. Существует представление, что естественный радиационный фон на поверхности Земли важен для нормального развития живых организмов. Наше исследование с использованием высокоточных геномных методов на модельном организме — дрозофиле — показало: продолжительное нахождение в условиях практически полностью подавленного естественного радиационного фона — очень слабый стрессовый фактор, он неспецифичен для других радиационных сценариев. Эти изменения были исследованы на молекулярном уровне.
Работы по вышеназванной теме мы выполняем совместно с Баксанской нейтринной обсерваторией ИЯИ РАН в Приэльбрусье. Ее основные задачи: изучение нейтрино и редких радиоактивных распадов. Бо́льшая часть нейтрино образуется в термоядерных реакциях на Солнце, некоторые прилетают к нам издалека, даже из других галактик. Нейтрино очень сложно экспериментально изучать: они свободно проходят через все преграды, практически ни с чем не взаимодействуют, да и выделить их из потока других частиц фоновой радиации крайне тяжело.
Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН. Баксанское ущелье Кавказского горного хребта, Приэльбрусье
Для того чтобы избавиться от фоновой радиации на поверхности, ученые глубоко под землей оборудуют нейтринные детекторы и специализированные низкофоновые камеры. Именно так работает Баксанская нейтринная обсерватория, размещенная в двух параллельных горизонтальных тоннелях в горе Андырчи на максимальной глубине залегания около 2 км. Сейчас там работают галлий-германиевый нейтринный телескоп и две лаборатории низкофоновых исследований, в том числе глубокого залегания НЛГЗ‑4900 (DULB‑4900) — единственная подобная лаборатория в России и одна из самых глубоких подземных научных лабораторий мира. В ней биологи и проводят исследования.
Экстремофилы
Живые существа, способные жить и размножаться в экстремальных условиях: при высоких и низких температурах, давлении, кислотности, солености, радиации и т. д.
Бактерии из тоннелей
Во время экспериментов в низкофоновой лаборатории мы обнаружили, что в дальних частях тоннелей Баксанской нейтринной обсерватории на глубине примерно 2 км сформировалась система геотермальных источников, перспективная для исследования подземных экстремофильных организмов. Одна из причин возникновения этих источников на такой глубине — близость Эльбрусского вулканического центра и его периферической магматической камеры. Даже в таких экстремальных условиях есть жизнь — бактериальные сообщества, формирующие биопленки.
Мы собрали образцы биопленок, минеральных отложений и жидкости из источников для биологического и химического анализа. Сейчас проводим метагеномный анализ этих пленок, чтобы определить их бактериальный состав, получить полные геномы этих организмов и описать их метаболизм. Мы нашли крайне любопытные бактерии, многие из которых принадлежат к неизвестным ранее видам и родам. Это подтверждает уникальность сложившейся там экосистемы.
Условия жизни найденных нами бактерий крайне тяжелые: вода в источниках преимущественно магматического происхождения, ее температура — около 42 °C. Вода существенно минерализована. Из-за темноты использование фотосинтеза ограничено, поэтому основным источником энергии становится окисление неорганических и самых простых органических субстратов: метана, соединений серы и т. д.
Во время экспериментов в низкофоновой лаборатории мы обнаружили, что в дальних частях тоннелей Баксанской нейтринной обсерватории на глубине примерно 2 км сформировалась система геотермальных источников, перспективная для исследования подземных экстремофильных организмов. Одна из причин возникновения этих источников на такой глубине — близость Эльбрусского вулканического центра и его периферической магматической камеры. Даже в таких экстремальных условиях есть жизнь — бактериальные сообщества, формирующие биопленки.
Мы собрали образцы биопленок, минеральных отложений и жидкости из источников для биологического и химического анализа. Сейчас проводим метагеномный анализ этих пленок, чтобы определить их бактериальный состав, получить полные геномы этих организмов и описать их метаболизм. Мы нашли крайне любопытные бактерии, многие из которых принадлежат к неизвестным ранее видам и родам. Это подтверждает уникальность сложившейся там экосистемы.
Условия жизни найденных нами бактерий крайне тяжелые: вода в источниках преимущественно магматического происхождения, ее температура — около 42 °C. Вода существенно минерализована. Из-за темноты использование фотосинтеза ограничено, поэтому основным источником энергии становится окисление неорганических и самых простых органических субстратов: метана, соединений серы и т. д.
Метагеномный анализ
Метод молекулярной генетики, позволяющий изучать гены сразу всех микроорганизмов из образца среды и определять видовое разнообразие.
Рибосомы
Крошечные органеллы, синтезирующие белки в клетках. Обнаружены в клетках всех типов организмов: бактерий, растений, грибов, животных.
Важная задача — не просто исследовать одну точку тоннеля, но получить серию метагеномов в Баксанской нейтринной обсерватории и сравнить с другими подобными по миру, выявить сходства и различия. Глубокие подземные экосистемы — одни из наименее изученных. Специально бурить шахту глубиной несколько километров для биологических исследований крайне затратно, поэтому биологи стараются проводить работы в уже существующих подземных локациях: шахтах, тоннелях, нефтяных скважинах и подземных лабораториях.
Параллельно с метагеномным анализом мы занялись культивацией найденных бактерий. Одну бактерию мы вырастили, полностью описали и дали ей название Cytobacillus pseudoceanisediminis. Более того, удалось подтвердить ее экстремофильность — устойчивость к повышенным концентрациям тяжелых металлов: меди, кадмия и свинца. А питается она метанолом, который для многих живых существ ядовит.
Особенная удача — то, что, несмотря на необычное местообитание этой бактерии, культивировать ее можно в стандартных лабораторных условиях. А значит, в перспективе Cytobacillus pseudoceanisediminis можно будет применять в промышленности, к примеру, для детектирования загрязнений и биоремедиации — очистки почвы и сточных вод от тяжелых металлов.
Параллельно с метагеномным анализом мы занялись культивацией найденных бактерий. Одну бактерию мы вырастили, полностью описали и дали ей название Cytobacillus pseudoceanisediminis. Более того, удалось подтвердить ее экстремофильность — устойчивость к повышенным концентрациям тяжелых металлов: меди, кадмия и свинца. А питается она метанолом, который для многих живых существ ядовит.
Особенная удача — то, что, несмотря на необычное местообитание этой бактерии, культивировать ее можно в стандартных лабораторных условиях. А значит, в перспективе Cytobacillus pseudoceanisediminis можно будет применять в промышленности, к примеру, для детектирования загрязнений и биоремедиации — очистки почвы и сточных вод от тяжелых металлов.
Вид сверху на типичное местообитание термофилов. Большой призматический источник, США
Фотография геля с маркерной ДНК (первая и последняя дорожки) и продуктами ПЦР (остальные дорожки)
Экстремофилы на пользу человеку
Благодаря живущим в экстремальных условиях организмам было совершено множество открытий в фундаментальной и прикладной науке.
Возьмем, к примеру, рибосому. Ученые долго не могли изучить ее строение, так как эксперименты нужно было проводить в условиях высокой концентрации соли. Рибосомы большинства организмов в соленой среде быстро разрушаются. На помощь пришла экстремофильная бактерия, найденная в Мертвом море. Благодаря ее устойчивости к солям, группа исследователей смогла изучить строение и работу рибосомы.
Другой пример — полимеразная цепная реакция (ПЦР). В этом молекулярно-биологическом методе исследования применяется особый фермент Taq-полимераза, получаемый из термофильной бактерии Thermus aquaticus. На одном из этапов ПЦР образец необходимо нагревать до 95 °C; выдержать такую высокую температуру может только фермент из термофильного микроорганизма, привыкшего существовать в подобных условиях.
Результаты исследований подземных микроорганизмов имеют промышленное и индустриальное применение: они, например, полезны для открытия новых ферментов, позволяют более эффективно извлекать нужные элементы из руд, лучше функционировать подземным объектам (шахтам, лабораториям и т. д.). Подземные экосистемы важно изучать для того, чтобы понимать роль их обитателей в износе и коррозии оборудования, возникновении рисков для здоровья сотрудников подземных объектов. Интересно, что в Китае подземные локации планируется использовать для длительного хранения фармацевтических препаратов, сельхозпродукции, биологических и генетических материалов.
В целом изучение экстремофилов — очень перспективное научное направление с точки зрения не только фундаментальной науки, но и возможных применений в медицине, промышленности и быту.
Благодаря живущим в экстремальных условиях организмам было совершено множество открытий в фундаментальной и прикладной науке.
Возьмем, к примеру, рибосому. Ученые долго не могли изучить ее строение, так как эксперименты нужно было проводить в условиях высокой концентрации соли. Рибосомы большинства организмов в соленой среде быстро разрушаются. На помощь пришла экстремофильная бактерия, найденная в Мертвом море. Благодаря ее устойчивости к солям, группа исследователей смогла изучить строение и работу рибосомы.
Другой пример — полимеразная цепная реакция (ПЦР). В этом молекулярно-биологическом методе исследования применяется особый фермент Taq-полимераза, получаемый из термофильной бактерии Thermus aquaticus. На одном из этапов ПЦР образец необходимо нагревать до 95 °C; выдержать такую высокую температуру может только фермент из термофильного микроорганизма, привыкшего существовать в подобных условиях.
Результаты исследований подземных микроорганизмов имеют промышленное и индустриальное применение: они, например, полезны для открытия новых ферментов, позволяют более эффективно извлекать нужные элементы из руд, лучше функционировать подземным объектам (шахтам, лабораториям и т. д.). Подземные экосистемы важно изучать для того, чтобы понимать роль их обитателей в износе и коррозии оборудования, возникновении рисков для здоровья сотрудников подземных объектов. Интересно, что в Китае подземные локации планируется использовать для длительного хранения фармацевтических препаратов, сельхозпродукции, биологических и генетических материалов.
В целом изучение экстремофилов — очень перспективное научное направление с точки зрения не только фундаментальной науки, но и возможных применений в медицине, промышленности и быту.
Тихоходка отряда Echiniscoidea
Биопленка из термофильных бактерий в ручье, вытекающем из системы горячих источников
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ