ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Біологія — 05.05.19
    ТЕКСТ: Олена Лівінська
    Фото: Depositphotos
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    У вогонь і в воду

    Біологиня Олена Лівінська розповідає про організми, які перевертають наше уявлення про можливості живого, вчать нас новим технологіям і, можливо, колись розкажуть про життя за межами нашої планети.

     

    На Землі є чимало куточків, на які хотілося б поглянути на власні очі, але вони лякають своїми надто суворими для нашого вразливого людського тіла умовами. Глибоченні океанські надра, вічні сніги гірських вершин та Антарктиди, незвідані печери і гарячі гейзери – не кожному до снаги такі пригоди! Але деяким живим організмам там доволі комфортно живеться. Більше того, в помірніших умовах, як от у нас з вами, їм не подобається, інколи ‒ прямо до смерті, у буквальному значенні цього слова. За винятком порівняно невеликої кількості жучків-черв’ячків, переважна більшість таких екстремалів – мікроорганізми.

     

    Сам термін «екстремофіли» охоплює широке коло понять. У діапазоні впливу майже будь-якого чинника є зона оптимуму, комфортна для більшості живих організмів, а також крайні значення, придатні для виживання лише окремих із них. Саме можливість успішного та комфортного існування в цих крайніх межах є характерною ознакою  екстремофілів. У залежності від типу чинників та їх інтенсивності найчастіше розрізняють: термофілів і психрофілів (стійкість до високих або низьких температур), ацидофілів і алкалофілів (стійкість до низьких чи високих значень рН), галофілів (стійкість до високих концентрацій солей) та барофілів (стійкість до високого тиску). Також не можна не згадати про мікроорганізми, що особливо стійкі до радіації або до дії різноманітних токсичних речовин. Багато мікроорганізмів належать до кількох груп одночасно, як наприклад, термобарофіли чи термоацидофіли.

     

    За відношенням до дії стресового фактору біологи розрізняють облігатних та факультативних екстремофілів. Простими словами, облігатні – це ті, яким такі екстремальні умови є оптимальними, а факультативні просто здатні таке успішно терпіти.

    Кому не гаряче?

    Якщо більшість бактерій не здатні пережити пастеризацію (найслабший температурний режим для протимікробної обробки продуктів скажімо, молока), то ці супергерої лише починають приходити до тями, коли температура перевалює за позначку 70° С.

     

    На думку одразу спадають вражаючі барвисті фото гейзерів Єллоустонського національного парку – немов би із фантастичного фільму про інші планети. Саме біомаса мікроорганізмів-термофілів забарвлює тамтешні водойми у всі відтінки веселки. І саме там у 1966 році почалася велика історія дослідження екстремофілів, коли Томас Брук з подивом виявив вируюче життя у киплячій гейзерній воді.

     

    Вже за рік у Science була опублікована його стаття «Життя при високих температурах», яка великою мірою змінила уявлення про можливості живих організмів. І не лише цим став знаменитий пан Брук, а ще й тим, що саме виловлений ним там мікроб Thermus aquaticus дав науковому світу важливий фермент – термостабільну ДНК-полімеразу. Це істотно оптимізувало процес проведення полімеразної ланцюговою реакції (ПЛР), для якої необхідне застосування високих температур – адже звичайні ферменти за таких умов швидко втрачають свою активність.

     

    На сьогодні ПЛР-ідентифікація знайшла широке застосування не лише в науці. Цей генетичний метод зробив можливим діагностування збудників інфекційних захворювань, виявлення генетичних хвороб, пошук злочинців у криміналістиці, встановлення батьківства, і навіть дав можливість по-новому подивитися на деякі історичні факти, наприклад, через аналіз решток мамонтів чи єгипетських фараонів.

     

    Дещо пізніше колеги Брука виділили із того ж гейзера бактерію близького виду і назвали її в честь першовідкривача – Thermus bruckianus. З неї була отримана надстабільна каталаза, корисна для очистки промислових стічних вод від пероксиду водню, який часто використовується як відбілюючий чи дезінфікуючий засіб.

     

    Окрім гейзерів та термальних джерел, існує ще багато нетипових місць із високою температурою води, де також живуть термофіли. До таких місць, наприклад, належать так звані «чорні курці». Це глибоководні гідротермальні джерела на дні океану у місцях з високою вулканічною активністю. Характерною особливістю  «курців» є насиченість води сполуками сірки та заліза, які забарвлюють воду у чорний колір, що і дало їм таку назву. Температура такої води сягає понад 300° С. Але вона не закипає через височенний тиск товщі кількох кілометрів води.

     

    Ми знаємо, що коли температура людського тіла сягає 38,5° С, необхідно застосовувати жарознижуючі засоби, а температура 40° С є критичним станом, оскільки при ній наші білки вже починають змінювати свою структуру. Як термофілам вдається існувати при сотнях градусів?

     

    Є  різні прийоми, які дозволяють комфортно почуватися за таких умов, і всі вони спрямовані на підтримання стабільності просторової структури біологічних молекул, що життєво важливо для виконання їхніх функцій. Наприклад, білки термофілів часто мають схожу із нашими білками тривимірну структуру, але можуть мати варіації в складі та розподілі кількості заряджених амінокислот на поверхні та всередині молекули (зовні їх набагато більше). Також такі білки мають значно коротші петлі у своєму ланцюзі, більшу кількість дисульфідних зв’язків та сольових містків. Це робить структуру стійкішою до дії зовнішніх чинників, в даному випадку — високої температури.

     

    Саме біомаса мікроорганізмів-термофілів забарвлює водойми Єллоустонського національного парку у всі відтінки веселки

    Біологічні мембрани термофілів також мають свої способи пристосування: зменшується кількість ненасичених жирних кислотНенасичені жирні кислоти–містять у своєму складі ненасичені хімічні зв’язки, а насичені жирні кислоти їх не містять. Це відображається на фізичних характеристиках жирів: ненасичені жири – рідкі, а насичені – тверді. і зростає кількість насичених. Так мембрани стають менш текучими і стабільнішими. А бактерії, яким доводиться жити в широкому температурному діапазоні, просто синтезують кілька аналогічних ферментів, що мають різні температурні оптимуми – залежно від обставин.

    Екстремофіли відкривають нові біотехнологічні можливості – починаючи із застосування широкого різноманіття термостабільних ферментів, закінчуючи біологічною переробкою промислових та побутових відходів.

    Кому не холодно?

    Наша Земля, перш за все ‒ водяна куля, 90 % води якої має температуру близько 5° С, а близько 20 % суші вкриті снігами та льодовиками. То може з точки зору площі саме комфортні для нас умови існування виглядають нетиповими? Існують форми життя, здатні успішно синтезувати ДНК при -20° С і підтримувати активний метаболізм при -25° С. Механізми, які дозволяють таке творити, загалом доволі схожі на прийоми високотемпературної адаптації – тільки навпаки. Тут вже зростає кількість ненасичених жирних кислот у складі біологічних мембран. Для порівняння – кількість ненасичених жирних кислот у термофілів – близько 10 %, а у психрофілів – більше 50 %. Синтезуються різноманітні допоміжні речовини, схожі на антифризи, а також РНК-шаперони  та білки холодового шоку (це такі собі молекулярні «штативи», що допомагають підтримувати сталість просторової конфігурації молекул).

     

    Ці стійкі до низьких температур мікроорганізми стали «золотим дном» для  потреб харчової, косметичної та фармацевтичної індустрій, адже отримані з них ферменти мають високу активність при низьких температурах. А це, з одного боку, енергетично вигідно, адже не потрібно забезпечувати температуру, скажімо, 35-40° С, яка необхідна для активності більшості відомих ферментів, а з іншого  боку – це відкриває можливості для їх застосування і в тих випадках, коли підвищення температури є просто неприйнятним для субстрату чи продукту. Окрім того, це додатково запобігає розвитку сторонніх мікроорганізмів, що відбувалося би при звичайних температурах.

     

    Багато сучасних побутових миючих засобів, які «ефективні навіть в холодній воді», містять такого типу ферменти, наприклад, ліпази, що розщеплюють частинки органічного забруднення. Мікробні пептидази із низькою температурою активації знайшли своє застосування в складі розчину для очистки контактних лінз. Застосування психрофільних мікроорганізмів та їх ферментів також є одним із сучасних напрямків розвитку технологій очистки стічних вод.

     

    Варто згадати про ще один цікавий приклад застосування умінь психрофілів – отримання безлактозного молока, яке можна комфортно споживати людям із лактозною непереносимістю. Здійснюється це ферментом бета-галактозидазою, яка розщеплює молочний цукор ‒ лактозу при низькій температурі зберігання молока. Такий фермент було отримано із антарктичної бактерії роду Arthrobacter. Він активний при 4-8° С і зберігає 15 % своєї максимальної активності при 0° С.

    А кому не солоно і не кисло?

    З розвитком технологій людство відкриває таємниці морських глибин та земних надр. Одними з порівняно нещодавніх відкриттів є DHABs (з англ. Deep Hypersaline Anoxic Basins) – гіперсолоні озера на дні моря чи океану, у яких повністю відсутній кисень. Такі озера на глибині в кілька тисяч кілометрів вже знайдені на дні Мексиканської затоки, Середземного та Червоного морів. Відсутність світла і кисню, умови високого тиску, що в сотні разів перевищує тиск на поверхні, часта присутність інших не надто «смачних» речовин – сульфідів, амонію, метану – це все дає підстави розглядати DHABs як одні з найекстремальніших еконіш, де існує життя. Іншими, не менш загадковими місцями є підземні озера, які знаходяться в місцях залягання покладів солей. І глибоководні озера, і підземні привертають до себе увагу науковців своєю багатотисячолітньою ізольованістю і, можливо, приховують відповіді на запитання щодо історії розвитку живого на нашій планеті. Багато ‒ можливо, більшість форм життя, які там знайдені, були невідомі науці до цього часу.

     

    Вивчення цих організмів з часом дозволить прояснити питання існування життя поза межами нашої планети, адже екстремофіли показують нам значно ширший діапазон можливостей життя, ніж ми могли б собі уявити.

     

    Іншими класичними і вже відомими нам місцями, що мають високі концентрації солей, є водойми на зразок Мертвого моря. До речі, на півдні України також є схожі, але поки не настільки популярні озера, в яких вода настільки солона та густа, що можна плавати, читаючи газету. Галофільних мікроорганізмів там вдосталь.

     

    Часто галофіли поєднують у собі й інші суперможливості, як, наприклад, існування при високих температурах (тобто є термофілами), тиску (є барофілами) та при широкому діапазоні значень pH. Усі ці фактори вимагають додаткової стабілізації клітинних білків.

     

    Одна з адаптаційних стратегій галофілів – накопичення йонів калію, натрію та хлору в цитоплазмі, щоб компенсувати шалену різницю концентрацій цих йонів у порівнянні із зовнішнім середовищем. Також вони змушені модифікувати свої білки таким чином, щоб ті не втрачали функційної структури при підвищених концентраціях солей. Дослідження білкових молекул галофілів показало підвищений вміст кислих амінокислот, аспартатової та глутамінової кислот, низький вміст лізину. Різниця виявилася не лише в амінокислотному вмісті, а й у структурі. Основні відмінності звичайних білків та їх галофільних версій зосереджені саме на поверхні молекул, де перерозподіл заряджених амінокислотних залишків урівноважує міжмолекулярні електростатичні взаємодії із йонами гіперсолоноого середовища.

     

    Іншим способом «віднайти дзен» за таких непростих умов є синтез і накопичення в цитоплазмі органічних речовин, що мають високу осмотичну активність (здатність «тягнути» на себе воду). Вони функціонують як осмопротектори, забезпечуючи осмотичний баланс і підтримуючи низькі концентрації солей.

     

    Що й казати, такі здібності галофілів не залишилися непоміченими.  Найперше – це використання для переробки органічних відходів. Ферменти галофілів, стійких до кількох факторів, залишаються стабільними та активними в умовах різного діапазону рН, температури, концентрації солей та органічних розчинників. Це дозволяє ефективно застосовувати їх в середовищах зі змінними показниками.

     

    Мікроорганізми, які поєднують в собі характеристики екстремофілів за кількома показниками, часто ще називають поліекстремофілами. Гарним прикладом застосування їх можливостей є промислове отримання рекомбінантних ферментів для потреб синтетичної хімії. Такі ферменти активні при низьких температурах, високих концентраціях солей та в присутності органічних розчинників. Батьківщиною продуцента цих ферментів (Halorubrum lacusprofundi) є холодний шостий континент.

     

    Іншим, дещо смачнішим прикладом, який можна навести, є галофільно-психрофільні пептидази, які використовуються для біоферментації м’яса та риби. Це надає продукції ніжної консистенції та відкриває широке багатство смаків. Вони активні при високих концентраціях солі та низькій температурі зберігання сировини. А пептидази із глибоководної бактерії Deinococcus geothermalis активно діють при 60° С та високих значеннях рН (9), що зробило їх цінним компонентом пральних засобів.

    На півдні України також є схожі, але поки не настільки популярні озера, в яких вода настільки солона та густа, що можна плавати, читаючи газету. Галофільних мікроорганізмів там вдосталь

    Токсично? Небезпечно? Ще й не таке бачили!

    Мікроорганізми є унікальними, насамперед, ще й тим, що більше ні в кого ми не побачимо такого широкого розмаїття метаболічних шляхів. Вони радо споживають вуглекислий газ, сірководень, аміак, сульфати, нітрати, залізо, феноли і навіть деякі антибіотики, які, здавалося б, мали б їх убивати. Серед них є особливо стійкі до різних токсичних речовин, важких металів та іонізуючого випромінювання. Наприклад, бактерії Deinococcus radiodurans та деякі види мікроскопічних грибів здатні витримувати надвисокі дози радіації і живуть в радонових джерелах, охолоджувальних системах атомних електростанцій та на поверхні атомних реакторів.

     

    Науковці тільки почали розплутувати клубок таємничих механізмів інколи, здавалося б, надприродних можливостей живого. І часто буває, що кожне нове відкриття – це нова terra incognita. Але окрім того це можливості для нових технологій. Приємно відзначити, що українські науковці також жваво працюють у сфері досліджень екстремофілів. Україна — одна з небагатьох держав, в якої є своя дослідницька база в Антарктиді. Там працює чимало фахівців різних сфер, зокрема мікробіологи. Вони дослідили чимало унікальних екстремофільних мікроорганізмів і навіть вже створили на їх основі ефективні технології для переробки органічних відходів та очистки стічних вод від важких металів.

     

    І наостанок — про вічне і трепетне: останні астробіологічні дослідження показують, що багато екстремофільних мікроорганізмів можуть виживати в умовах космосу та в умовах, наближених до умов Марсу. Наприклад, бактерія Geobacillus thermantarcticus витримує не лише широкий спектр температур, а й порівнянні із умовами космосу дози ультрафіолетового опромінення, тому, теоретично, могла б спокійно подорожувати між планетами. А це вже змінює характер питання «чи будемо ми колонізувати інші планети?» на «коли це відбудеться?». Ну і, звісно, це зовсім прозорий натяк на можливість позаземного походження життя на нашій планеті.

    Любите Куншт? Приєднуйтеся до спільноти наших друзів та підтримайте проект.

    ТЕКСТ: Олена Лівінська
    Фото: Depositphotos
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: