Ученые Института клеточного и внутриклеточного симбиоза Оренбургского ФИЦ УрО РАН совместно с группой экстремальной микробиологии, биотехнологии и астробиологии Института полярных исследований (Мессина, Италия) выделили из придонных образцов рапы и осадков гиперсоленых Соль-Илецких озер (Оренбургская обл.) и описали новый род наногалоархей, который получил название Ca. Nanohalococcus occultus — «скрытый карликовый соляной кокк». Трехкомпонентная микробная ассоциация, в составе которой они были обнаружены, в качестве единственного источника энергии и субстрата для роста использует ксилан, а ксиланы — это основные структурные полисахариды растений, которые могут составлять до 30 % их сухого веса. Поскольку выделенная микробная ассоциация успешно разлагает ксилан, она представляет не только фундаментальный научный интерес, но и может послужить основой для разработки новых технологий биодеградации отходов деревообрабатывающей промышленности, которых накоплено уже огромное количество.

Об открытии нового рода наногалоархей, их исследованиях и перспективах мы поговорили с ведущим научным сотрудником центра коллективного пользования «Персистенция микроорганизмов» ИКВС УрО РАН кандидатом медицинских наук Еленой Селивановой.

— Что это за микроорганизмы — археи и чем они интересны для микробиолога? 

— Археи — древнейшие одноклеточные организмы. Это третий домен живого (самый верхний уровень группировки организмов в системе, включающий в себя одно или несколько царств) наряду с бактериями и эукариотами, к которым относятся растения, животные, грибы и простейшие. Как и бактерии, археи не имеют оформленного ядра и мембранных органелл. Но несмотря на имеющиеся сходные свойства, геном архей, структурные компоненты и многие биохимические механизмы их функционирования принципиально отличаются от бактериальных.

Археи распространены повсеместно, но известны они прежде всего как обитатели мест с экстремальными условиями и именно отсюда были впервые выделены. Археи устойчивы к высокой солености, высокой или низкой температуре, к кислотам или щелочи. Хотя археи активно изучают уже более 50 лет и многие таксоны описаны, значительная их часть до сих пор не культивирована. А имеющиеся сведения получены в результате секвенирования природной ДНК и последующей биоинформатической обработки.

— Как началось ваше сотрудничество с коллегами из Италии?

— В 2016 году на Международном конгрессе по экстремофильным микроорганизмам в Киото (Япония) мы познакомились с руководителем группы экстремальной микробиологии, биотехнологии и астробиологии Института полярных наук Национального исследовательского совета Италии профессором Михаилом Якимовым. В 2019 году на 12-й Международной конференции по галофильным микроорганизмам в Румынии мы представили результаты наших исследований по оценке разнообразия микроорганизмов в различных гиперсоленых водоемах методом метабаркодинга. В основе этого метода лежит выделение тотальной ДНК из всего образца и секвенирование фрагмента маркерных генов, выступающего в качестве штрихкода для идентификации микроорганизмов. Одним из объектов наших исследований были Соль-Илецкие озера, различающиеся по уровню солености. Рапа в озерах Развал и Дунино является наиболее концентрированной, содержание солей здесь достигает 300 г/л. По нашим данным, в микробных сообществах этих водоемов доля наногалоархей достигала 25 %, и большая часть их принадлежала к некультивируемым неописанным таксонам (так называемая «темная материя» микробного мира). На тот момент коллектив под руководством Михаила Якимова активно разрабатывал подходы к культивированию наногалоархей с использованием различных трудно разлагаемых субстратов для роста. Образцы из наших озер заинтересовали его в качестве объекта для исследований. 

В 2022 году было подписано соглашение о сотрудничестве между Институтом клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН и Институтом полярных исследований (Мессина, Италия), в рамках которого мы провели совместные экспедиции на Алтай, на Сицилию и в Турцию. Сегодня наши исследования микроорганизмов, выделенных из экстремальных местообитаний, продолжаются. Мы также сотрудничаем с коллегами из Университета Претории (ЮАР) и Института катализа и нефтехимии (Мадрид, Испания).

— В чем особенности выделенных вами наноархей?

— В гиперсоленых водоемах обитают экстремально галофильные (от др.-греч. άλας — соль и φιλέω — люблю) наноархеи — для роста им требуются высокие концентрации соли. Как уже говорилось, эти ультрамелкие микроорганизмы с редуцированными геномами являются характерным компонентом галофильных сообществ по всему миру, однако их физиологическая активность во многом остается неизвестной, поскольку большинство представителей не были получены в культуре. 

Все известные наногалоархеи — симбионты других архей и не могут жить вне клеток организма-хозяина. У них лишь зачаточная способность к расщеплению сложных органических веществ и отсутствует минимальный набор ферментов для биосинтеза нуклеотидов, аминокислот, липидов, витаминов. Однако наногалоархеи обладают многочисленными уникальными адаптивными механизмами, если их стабильно культивировать в лабораторных условиях в составе культуры с галоархеями Haloferax volcanii, названными так в честь открывшего их израильского ученого Бенджамина Вулкани.

— Какова роль наногалоархей — карликовых соляных кокков — в разложении ксилана? 

— Сами наногалоархеи ксилан не разлагают, как и их хозяин галоферакс. Однако в эксперименте было показано, что карликовые соляные кокки ускоряют деградацию ксилана в составе трехкомпонентной ассоциации архей. Пока мы еще на стадии исследований, однако уже можем попытаться объяснить эту загадку, которую назвали «зомбированием» хозяина. Для обеспечения своей жизнедеятельности наногалоархеи активно расщепляют глюкозу, которую они каким-то образом получают из клеток хозяина. Это служит своеобразным «приказом» хозяину более активно транспортировать ксилозу — «древесный сахар» — извне внутрь клеток и преобразовывать ее в глюкозу, такую лакомую для наносимбионта. В свою очередь третий компонент этой ассоциации, Halorhabdus sp. («соленая палочка»), в условиях усиленного потребления-исчезновения ксилозы из внешней среды активнее продуцирует ксиланазы, разрушая ксилан с большей скоростью. С использованием транскриптомного и эпигенетического анализа мы показали, что наногалоархеи могут воздействовать не только на своего основного хозяина, но и на третьего члена консорциума Halorhabdus sp., модулируя экспрессию его генов («зомбирование»). С помощью сканирующей электронной микроскопии продемонстрировано, что карликовые соляные кокки способны прикрепляться с помощью микротрубочек к клеткам как хозяина, так и Halorhabdus sp. Так образуются смешанные биопленки, в которых клетки архей связаны между собой клетками наногалоархей. 

Мы также показали, что паразитизм наногалоархей на клетках Haloferax volcanii при истощении субстрата на поздних стадиях взаимодействия может вызывать гибель клеток хозяина.

— В чем преимущества технологий биодеградации древесных отходов по сравнению с другими методами, например, сжиганием, и какое участие в этих процессах могут принять карликовые соляные кокки?  

— Биологическая конверсия древесины, в отличие от всех других методов, — это прежде всего экологически чистый процесс, который идет при низких температурах и без использования каких-либо органических, обычно токсичных, растворителей. В стрессовых условиях гиперсоленых водоемов большинство групп микроорганизмов неспособны к биодеградации трудно разлагаемых растительных полисахаридов. А вот наногалоархеи могут там активно работать, ибо эти экстремальные галофилы, любители соли, прекрасно себя чувствуют в условиях высокой солености. 

Полученные нами данные открывают перспективу создания и регуляции микробных консорциумов, разлагающих ксилан, для утилизации отходов переработки древесины. Кроме того, процесс биодеградации древесины галоархеями сопровождается образованием огромного количества ценных продуктов. Это пигменты, витамины, антиоксиданты, ферменты и сама биомасса, которая может использоваться в качестве пищевых добавок в корма для сельскохозяйственных животных и рыб, а также как начальный субстрат для получения биотоплива. 

Е. ПОНИЗОВКИНА
На фото: экстремально галофильная ксиланолитическая ассоциация архей; проф. М. Якимов на озере Туз (совместная экспедиция в Турцию); Е. Селиванова на озере Развал 
(Соль-Илецк)