Ученые Томского государственного университета в ходе исследования термофильных бактерий, живущих на угольных пожарах, получили новые фундаментальные данные о спорах. Установлено, что специализированные клетки, приспособленные к выживанию в неблагоприятных условиях, имеют больше возможностей для восстановления, чем считалось ранее. Это уменьшает количество технических ограничений для ученых при создании новых биопрепаратов. Вместе с тем это объясняет, почему споры термофильных бактерий, которым для жизни необходима температура 50–60°С, распространены по всему земному шару. Новые данные изложены в статье, опубликованной в журнале Frontiers in Microbiology (Q1).
– Бактерии, растения и грибы при определенных условиях могут образовывать споры. Это такая особая форма существования, которая позволяет пережить неблагоприятный либо даже критический момент, – говорит заведующая кафедрой физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики Биологического института ТГУ Ольга Карначук. – Например, бактерии в виде споры могут выдерживать серьезнейшие температурные и химические нагрузки. Они способны сохраняться на протяжении долгого времени, вплоть до тысячелетий. При наступлении благоприятных для вида условий споры начинают расти и очень быстро превращаются в обыкновенную клетку.
В ходе исследований термофильных бактерий, живущих и размножающихся в местах подземных угольных пожаров при температуре 50–60°С, ученые БИ ТГУ обнаружили, что споры этих микроорганизмов могут прорастать при гораздо более низких температурах – около 15–20°С. Это открытие оказалось очень неожиданным, поскольку противоречит всем известным биологическим закономерностям, согласно которым без создания комфортных условий споры не растут.
– Когда уголь горит под землей, кислорода мало, поэтому там образуется угарный газ (СО), а не углекислота (CO2), – рассказывает Ольга Карначук. – Бактерии едят СО и сульфат, которого в угле очень много, и образуют сероводород, поэтому часто на местах угольных пожаров происходят большие выбросы H2S. Ранее считалось, что такие процессы могут происходить только при высокой температуре. Теперь мы знаем, что это не так. Продуцирование сероводорода происходит как в активной стадии пожара, так и при снижении температуры, только в одном случае газ с неприятным запахом вырабатывают бактерии, а в другом – их споры.
Поученная информация важна для регулирования процессов, которые влияют на экологическое благополучие жителей населенных пунктов в угледобывающих регионах. Так, в ряде случаев постоянная высокая концентрация сероводорода в воздухе вынуждает людей покидать обжитое место.
Наряду с этим открытие ученых ТГУ помогает понять феномен, который до недавнего времени оставался загадкой – это повсеместная распространенность термофильных бактерий по планете. Новые данные говорят о том, что споры могут преодолевать расстояние и восстанавливаться до бактерии не только попадая в «горячие» точки, но и при температурах, которые считались для термофилов неподходящими.
– Предположительно подобная ситуация может складываться и с другими бактериями, но чтобы это утверждать, необходимы дальнейшие исследования, – добавляет Ольга Викторовна. – Это знание важно и для промышленных технологий, потому что при производстве множества продуктов применяют споры. Биологические препараты на их основе очень хорошо хранятся и для этого не нужно создавать инкапсулированную форму. Если выяснится, что споры других бактерий тоже могут работать в неоптимальных условиях, этот фактор может сыграть важную роль в создании новых биопрепаратов и биотехнологий.
Споры давно и активно используются в качестве основы в различных продуктах. Например, для защиты темнохвойных лесов и борьбы с тутовым и сибирским шелкопрядом используется препарат из спор Bacillus thuriengiensis. На основе спор создано множество препаратов для агросектора и других областей. Они очень удобны, поскольку гораздо более устойчивы к стрессовым факторам нежели бактерии, но при этом существует функциональное ограничение в использовании таких биопрепаратов – запуск механизма их действия происходит только при достижении определенных температур.
Получение новых знаний об особенностях условия прорастания спор позволит ученым выйти за температурный барьер. В перспективе прикладной точкой использования новых данных может стать и фармацевтическая промышленность, в частности, создание вакцин на основе спор бактерий, не требующих особого температурного режима при транспортировке и хранении.
Добавим, что создание новых продуктов и биотехнологий является одним из приоритетных исследовательских направлений, развиваемых ТГУ. Работа над ними идет в рамках междисциплинарного стратегического проекта «Инженерная биология», реализуемого при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030».