В. Репин (ИХБФМ СО РАН) о бактерии Bacillus F из вечной мерзлоты
В ходе экспериментов над животными уже доказано, что этот микроорганизм может положительно влиять на продолжительность жизни, так как оказывает влияние на уровень интерферона-гамма.
Попугаи ара живут около ста лет, некоторые черепахи могут дотянуть до векового возраста, а самому старому дереву, которое называют "Мафусаил" по некоторым данным сейчас около 4800 лет. Но рекордсменами долголетия являются самые маленькие жители планеты - микробы. Они способны прожить несколько миллионов лет. Человеку в этом смысле повезло гораздо меньше, и он всячески старается исправить положение. Биологи, медики, физики пытаются внести свой посильный вклад в решение этой сложной задачи. Оказывается, ответы на вопросы о продлении жизни можно искать в ледниках вечной мерзлоты. Именно там "спят" бактерии-долгожители.
В Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН исследуется бактерия Bacillus F (от future- "будущее"), которая была выделена из вечной мерзлоты Мамонтовой горы в Якутии. Её возраст датируется несколькими миллионами лет. В ходе экспериментов над животными уже доказано, что этот микроорганизм может положительно влиять на продолжительность жизни. "Мы увидели прямое влияние на рост уровня интерферона-гамма в 2-3 раза относительно контрольной группы и снижение уровня фактора некроза опухолей, что позитивно сказывается на продолжительности жизни", - говорит старший научный сотрудник института, кандидат биологических наук Надежда Миронова. Более подробно рассказать о том, как человек может перенимать опыт долгожительства у бактерий, согласился кандидат биологических наук, заведующий лабораторией микробиологии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН Владимир Репин.
Владимир Репин
- Владимир Евгеньевич, для каких целей ведется поиск древних бактерий? Источником какой информации они могут стать?
- Эти бактерии представляют собой уникальную форму жизни, если отбросить божественную теорию происхождения, они стали первыми живыми существами на нашей Земле. Есть все доказательства, что первыми жителями планеты были бактерии. А как именно это произошло, никто не знает. Крупные учёные ломают голову. Предполагается, что сначала было тепло, и термофильные микроорганизмы появились на планете первыми. Затем они каким-то образом преобразовали планету, потом она остывала, проходя ступени эволюции и катаклизмы, и происходило то, что мы имеем сейчас. Микробы удивительны тем, что они бессмертны. Что мы подразумеваем под бессмертностью? То, что бактериальные клетки делятся, в основном, удвоением. Но у них нет матери и нет дочки. Они совершенно равноценны. Была одна клетка, условия изменились - она поделилась, и получились две равноценные клетки. Те бактерии, которые мы сейчас находим, накопили геномы со следами прошлого.
- А какие именно следы прошлого можно найти?
- Все, что написано в ДНК. Естественно, в ней могли происходить и мутационные процессы. Ещё необычно то, что бактерии могут достаточно долго находиться в состоянии анабиоза. Условия вечной мерзлоты, которая по разным данным занимает от 60 до 70% нашей территории - идеальны для сохранности клеток. Мы предполагаем, что в ледниках бактерии не делятся, и находятся в анабиозе. В результате они могут остановить свои часы на долгое время. Если предположить, что они не метаболизируют, то возраст у них становится значительно меньше. Когда мы говорим "древняя бактерия", мы берем понятие в кавычки, потому что они всё равно живут, хотя и в "спящем" состоянии.
Мы возвращаем их обратно и хотим понять, как долго они могут находиться в этом состоянии без видимых изменений, и как их свойства можно использовать с пользой для человека? Ведь самые внушительные рекорды долголетия поставлены как раз микробами. Наши теоретические выкладки показывают, что бактерии могут жить в идеальных состояниях (учитывая и мутационные, и температурные сдвижки) максимум миллион лет, в течение которого их ДНК должны быть разрушены. Но в разных местах появляются удивительные сообщения о том, что учёные обнаруживают бактерии в янтаре, возраст которого 25-60 миллионов лет! Но долгожители-рекордсмены находятся в солевых кристаллах, им может быть даже около 250 миллионов лет.
Вроде бы, они не должны жить, но почему-то живут. Почему так происходит, мы не знаем, и пытаемся понять. Наши исследования проходят не только внутри лабораторий института, возглавляемого академиком Валентином Власовым, но и совместно с представителями других научных учреждений, вместе с которыми мы пытаемся ответить на вопрос, почему бактерии способны так долго проживать без видимого деления? Почему мы говорим "без деления"? Потому что когда мы смотрим на вкрапления во льду Мамонтовой горы и других мест - видим, что эти клетки не делятся, они единичные. Почему сохранились именно эти бактерии (эти виды бактерий), мы тоже не знаем. Температуры в вечной мерзлоте не слишком низкие: -2, - 8 ˚С. Это позволяет клеткам находиться в не замороженном состоянии, а поделиться они не могут хотя бы потому, что им не хватает для этого пространства.
-А почему они в ледниках сохранились, а в нашей среде в свое время погибли?
- А это неизвестно. Когда начали выделять и изолировать микроорганизмы из янтаря, из солей, оказалось, что они не сильно отличаются от современных. Это уже связано с эволюцией самих бактерий, потому что бактерии, имея состояние анабиоза, не обязательно вымирают. Изменились условия, и какая-то их часть осталась, и они находятся в этих нишах, не размножаясь. А если условия изменятся ещё раз, например, их зальёт водой, они станут снова размножаться. Интересна и необычна эволюция бактерий. Геном у них очень компактный. Предположим, у бактерии есть тысяча генов, казалось бы, ей ещё бы набрать, чтобы стать более приспособленной. Но есть два процесса. С одной стороны, они берут чужие гены, путем обмена ДНК, но одновременно происходит и процесс изымания генов.
- Владимир Евгеньевич, Вы говорите, что древние и современные бактерии очень похожи, зачем же тогда искать первые?
- Те уже выжили, и мы не знаем, благодаря каким свойствам. То ли у них репарация сильно развита, то ли избыточный геном... Последовательность хромосомной ДНК Bacillus F секвенирована несколько дней назад, насколько сильно она отличается (или не отличается) от современных сородичей, предстоит расшифровать. Удобный метод изучения - 16 S РНК, но он давно уже не выдерживает критики. Он заключается в идентификации таксонов по последовательности 16 S РНК. Это такой участок генома, консервативный, он есть практически у всех, оказалось, что по этим буквам можно определить, к какому роду и виду относится изучаемый объект.
- Почему он тогда не выдерживает критики?
- В некоторых бактериях 16 S РНК - это не один ген, а несколько. Если мы секвенируем один участок 16 S, второй может отличаться от других и даже может быть взят вообще от бактерии другого вида. У бактерии (за небольшим исключением) нет полового процесса в традиционном смысле, у них есть так называемый горизонтальный перенос генов, это значит, что бактерии необычайно много меняются наборами генов, этот целенаправленный процесс позволяет им выжить в изменяющихся условиях. Они делятся генами не только между бактериями самых отдаленных родов, а также могут брать ДНК и у архей, это другое царство, и у эукариотов. Процент чужеродного в каждой бактерии достигает до 20 и иногда больше. Они очень часто обмениваются генами, и эти участки позволяют им долго существовать. Могу привести любопытный пример. Некоторые растения растут при температуре 55˚С, а при низких температурах вымирают. В клубнях таких растений живут термофильные бактерии. Может быть, именно они обуславливают возможность жизни при высоких температурах.
- Какие свойства ожидается найти у этих бактерий?
- Главное - мы хотим узнать, почему они так долго живут, и использовать это знание для медицины. Возможно, удастся увеличить продолжительность жизни, но не просто продлить жизнь, а повысить её качество. Это же ужасно, когда люди долго живут и сильно мучаются от всевозможных болезней. А эксперименты показали, что не только жизнь мышей, которым ввели Bacillus F, видимо, продлилась, но и увеличились активность животных. Поведенческие реакции, сексуальная активность у старых подопытных восстанавливается.
- И защитные функции.
- Да, а почему, мы не знаем. Сейчас наши коллеги Анатолий Викторович Брушков и Геннадий Иванович Грива в Каролинском институте в Швеции, там полностью секвенирован геном, и надо будет посмотреть, чем же он отличается от уже известных нам. Установить и объяснить сходство и различие бактерий между собой - само по себе является нетривиальной научной задачей. Например, был обнаружен удивительный и необъясненный факт - в замороженном мозгу мамонта нашлось семь типов бактерий, которые очень между собой похожи, такое ощущение, что из одной бактерии взяли гены и переставили в другую. Идентифицируешь их по 16 S РНК, анализ показывает, что это псевдомонада, а смотришь по другим биохимическим признаком, она сильно отличается от псевдомонады, но именно свойствами, которые присущи другой бактерии, которая выделилась из того же мозга.
- Перемешались?
- Да, и это очень необычно. Но в микробиологии есть и, казалось бы, незыблемые факты, которые опровергаются впоследствии наукой. Например, считалось, что споры бывают только у грамположительных бактерий. Причём, за спорообразование отвечает не меньше 20 генов, а наши последние исследования показывают, что споры могут образовываться и у грамотрицательных бактерий. Это значит, что гены каким-то образом переместились в другой организм. Наши президент и премьер-министр говорят о том, что надо коммерциализировать науку, и с нашей бактерией это как раз возможно, потому что она обладает востребованными для этого свойствами. Но, конечно, надо разобраться, в чем дело. Потому что если внедрять её в медицину без предварительных исследований, это может плохо кончиться. Мы каким-то образом пытаемся это сделать. Думаю, это удастся, ведь есть примеры, когда бактерия использовалась для пользы человека, пробиотики, например, активно применяются, это кисломолочные продукты для поддержания и увеличения иммунитета и для борьбы с патогенными микробами.
- А какие существуют факторы продолжительности жизни человека? И на какие из них влияет Bacillus F?
- Она повышает иммунитет, причём достаточно небольшое количество бактерий, в меньшей концентрации они "работают" лучше и более эффективно. Также к факторам продолжительности жизни, на которые влияет эта бактерия, относятся поведенческие реакции, сексуальная активность, мышечная сила, уровень интерферона. Известно, что она сильно повышает защитные силы организма.
- Хорошо ли она живет и размножается?
- Она прекрасно размножается и неприхотлива, у неё нет антагонистических активностей. Она подавляет некоторые бактерии, но это не так явно, чтобы именно это свойство сделало её уникальной.
- Возможно ли такое, что среди прочего, в вечной мерзлоте будут обнаружены потенциально опасные для здоровья человека виды бактерий? Не рискованно ли заниматься такой деятельностью?
- Очень хороший вопрос, и своевременный. В свое время мы работали с натуральной оспой, несколько вирусных частиц которой может привести к эпидемии. Мы посмотрели, как долго может сохраняться вирус - оказалось, более 200 лет в замороженном состоянии, вирус натуральной оспы - один из самых живучих. А к чему это может привести? К эпидемии. Сейчас люди не вакцинируются против оспы, и это агент биотеррора номер один. Но мы всегда это имеем в виду, поэтому в экспедиции ходят только специально обученные люди (например, имеющие дипломы, разрешающие работать с особо опасными инфекциями) и, во-вторых, в полевых условиях мы работаем максимально стерильно и транспортируем пробы в специальных контейнерах.
Сама же работа проводится только в специализированных лабораториях, чтобы не навредить. Каким образом мы определяем опасность бактерии? Есть косвенные признаки. Является ли эта бактерия гемолитической или нет? Плюс, эксперименты с мышами. Но о Bacillus F можно сказать только хорошие слова, потому что даже высокие концентрации этой бактерии не приводят к смерти мышей. Мы всегда имеем в виду, что вечной мерзлоте может оказаться что угодно, кроме того, в последнее время достаточно активно происходит таяние льдов, опять же, этот миф про глобальное потепление...
- Миф все-таки?
- Я считаю, что да. Где-то теплеет, где-то холодает. Вы разве не почувствовали по Новосибирску, что на нас уж точно потепление не распространяется? И геологи, и учёные на конференциях, все утверждают, что нет глобального потепления, есть закономерное изменение климата.
- Как Вы думаете, откуда взялся этот миф?
- Придумали политики как способ получения денег.
- Могут ли бактерии, найденные во льдах, помочь в изучении жизни на других планетах?
- Условия Марса похожи на те, которые мы изучаем в ледниках. Если мы понимаем, каким образом микробы так долго сохраняются, мы сможем предположить, что и в условиях невесомости, и на других планетах может быть то же самое, а если докажем, что радиация не позволяет микробам быть долгожителями, то мы сможем вычеркнуть из этого списка определённые планеты. Жизнь во льду открывает для нас многие интересные вещи. Когда мы начали исследовать пробы из Антарктиды, которая, казалось бы, не сильно затоптана человеком, оказалось, что бактерии, которые отбирались в специальных местах, имеют устойчивость ко многим антибиотикам, в том числе и антибиотикам последнего поколения. И вроде бы селекции никакой не было, никто их там не кормил ведь. Мы взяли разные типы антибиотиков, около 23, и оказалось, что к некоторым из них бактерии устойчивы: от 5 до 17 видов антибиотиков на них не подействовали.
- И чем это объясняется?
- Тем, что антибиотики - это не панацея. Антибиотики существовали в природе, ведь многие из них имеют грибное происхождение. Их нельзя применять постоянно без точных исследований, ведь мы можем столкнуться с такими бактериями, которые не подвержены действию антибиотиков.
- Таким образом, с помощью микромира воссоздается модель, которая может существовать на других планетах?
- Вы знаете теорию панстермии о том, что микробы и какая-то жизнь есть везде? Микробы почти не имеют веса, и находятся где угодно - и в атмосфере, и на космических кораблях. Они имеют защитные механизмы, я уже говорил про системы репарации, но есть вещи уникальные. Например, на Чернобыльской атомной станции микробы растут и прекрасно размножаются, несмотря на то, что там был очень высокий радиационный фон. У них есть системы, которые позволяют репарировать ДНК так, что они используют атомную энергию в своих целях, в целях размножения. У этих микробов избыточный геном, то есть несколько наборов генов. Это может быть и у Bacillus F.
- Как скоро можно будет перейти к доклиническим и клиническим испытаниям бактерии?
- Эксперименты с мышами по-прежнему продолжаются, сейчас мы проводим испытания не только в России, потому что у нас многое невозможно и происходит слишком долго: берут огромные деньги за испытания, всё монополизировано. Предварительные результаты показывают, что штаммы Bacillus F очень перспективны.