Далеко не вся планета это уютные +25 °C. Тем не менее микроорганизмы живут и во льдах Антарктиды, и в обжигающих термальных источниках, и каждый прекрасно приспособлен к своему «климату». Многие гипертермофильные микроорганизмы относятся к археям - уникальным одноклеточным организмам, которые как и бактерии не имеют в клетке ядра. Рекордсменами среди термофильных архей являются Pyrolobus fumarii, оптимальная температура роста которой составляет 106°C, а выживаемость возможна в пределах до 113°C , а также Methanopyrus kandleri, верхний предел роста которой, как сообщается, составляет 122°C.

Конечно, и среди бактерий есть свои чемпионы. Особенно выделяется бактерия Geothermobacterium ferrireducens, найденная в горячих источниках Йеллоустонского заповедника. Она прекрасно живет и здравствует при температурах до 100 °C.

Почему обычные микроорганизмы боятся повышенных температур?

Чтобы понять, а как термофилы вообще стали такими адаптированными, нужно понять, почему клетка в принципе боится высоких температур. Две основные части клетки, которые очень неустойчивы к высоким температурам - это клеточная мембрана и белки.

Белок - это длинная цепь из аминокислот, которая сворачивается в строго определённую трёхмерную фигуру, и именно от этой фигуры зависят функции белка. Форму держат довольно деликатные «скрепки». Это водородные связи, ионные связи, гидрофобные взаимодействия и дисульфидные мостики.

Высокая температура - это, по сути, лишняя энергия, и из-за которой молекулы начинают двигаться более активно. Слабые связи - в первую очередь водородные, гидрофобные и силы Ван-дер-Ваальса, такой тряски не выдерживают и рвутся. Аккуратно сложенная конструкция расплетается, а вместе с формой белок теряет свое "рабочее" состояние.

А функций у белков в клетке превеликое множество. Белки-ферменты расщепляют и собирают питательные вещества, структурные белки строят "каркас" клетки, транспортные белки таскают ионы и молекулы через мембрану. Список можно продолжать очень долго. Но нам важно то, что при повышенной температуре белки разрушаются и все эти функции уже выполнять не могут. В итоге в клетке происходит коллапс и судьба ее печальна.

С мембраной картина не менее драматичная. Любая клеточная мембрана - это не твердая стена, а скорее очень густая жидкость. В ней молекулы-липиды стоят плотными рядами, прижавшись «хвостами» друг к другу. При нагреве эти хвосты начинают активно изгибаться и толкаться, а между молекулами появляются бреши. Мембрана буквально плавится и барьерные функции нарушаются. Как итог, клетка теряет контроль над тем, что в нее входит, а что выходит, и быстро погибает.

Кстати, клетки умеют немного подстраиваться. У разных липидов хвосты разной длины и формы. Одни прямые и плотно укладываются, другие с изломом и держатся рыхлее. Меняя состав мембраны, клетка регулирует её «плавкость». Среди молекул, помогающих сохранить стабильное состояние мембран, например, стеролы. Они вклиниваются между обычными липидами и работают в обе стороны. Когда жарко, не дают мембране слишком разболтаться, когда холодно - не дают застыть.

А что придумали экстремофилы?

Разный состав липидов работает до определенных температур, но при экстремально высоких уже нужны более интересные адаптации. У архей есть своя "фишка" - особые клеточные мембраны. Любая клеточная оболочка состоит из жироподобных молекул-липидов, но у архей эти липиды упорядочены иначе. Во-первых, их части соединены более прочным типом химической связи - эфирной (у обычных бактерий и у нас с вами связь сложноэфирная и она легче рвётся). Во-вторых, у самых термофильных архей мембрана устроена совсем хитро. Если у обычных клеток оболочка - это два слоя липидов, скреплённых лишь слабым притяжением, то у них все липиды просто находятся в одном слое. Расслоить такую мембрану сложно - отсюда и устойчивость к очень высоким температурам.

Картина красивая, но недавняя работа показала, что это не единственный способ адаптации. Выяснилось, что такая «сплошная» мембрана для жаростойкости вовсе не обязательна. У археи Methanopyrus kandleri - того самого рекордсмена, растущего при 122 °C, мембрана все таки может быть двухслойной. Но как же она тогда не разваливается при температуре выше точки кипения воды?

Ответ оказался довольно интересным. Ученые нашли внутри такой мембраны дополнительный слой из сквалана.

Сквалан располагается точно посередине мембраны, делает её прочнее и расширяет диапазон условий, в которых она сохраняет устойчивость. Проще говоря, эта молекула работает как наполнитель, закрывающий пустоты в середине и помогающий клетке выдерживать высокие температуры.

От науки к практике

Самый частый вопрос, который слышат ученые от общества - ну а какая практическая польза от ваших исследований? Все эти мембраны и белки - это, конечно, очень интересно, а мне что от этого? И вот от поиска и изучения термофильных организмов практическая польза огромная. Все дело в тех самых особенных белках.

Дело в том, что промышленные процессы нередко идут в условиях, абсолютно недружелюбных к обычным ферментам. Это в том числе и высокая температура, при которой обычные белки быстро разрушаются. Вот тут-то ферменты термофилов и оказались нарасхват. Сегодня они применяются в фармацевтике, производстве моющих средств, пищевой, текстильной, бумажной промышленности. Список на самом деле огромный, так что приведу лишь пару примеров.

Протеазы — это ферменты, которые расщепляют другие белки, и спектр их применения поистине огромен. Неудивительно, что микробные протеазы — одни из самых востребованных ферментов на свете. Сегодня на них приходится около 60 % всего рынка ферментов. Изрядная доля этого процента - стиральные порошки. На них приходится примерно 25 % мировых продаж ферментов. Такой фермент в порошке позволяет разъедать стойкие белковые пятна там, и при этом средство остаётся экологически безопасным.

Почему именно термофильные протеазы? Ну, во-первых стирка часто происходит при высоких температурах. При этом горячие источники ведь не ограничиваются одной только высокой температурой. Зачастую они еще очень кислотные или наоборот едко-щелочные. Поэтому белки местных микроорганизмов вынуждены быть стойкими сразу по нескольким фронтам. А именно такая устойчивость и нужна в моющих средствах, где хватает агрессивных компонентов.

В общем, если захотите интерактив, то можно поискать в магазинных порошках компонент, название которого заканчивается на -аза, это как раз и будут ферменты.

Ксиланазы и бумажная промышленность

Следующая группа ферментов - ксиланазы. Они нужны человечеству, поскольку могут разбирать на части гемицеллюлозную биомассу, главный компонент которой носит имя ксилан. Растения используют эти вещества как арматуру для своих клеточных стенок, а ксиланазы умеют ее разбирать.

Зачем это нужно? Расщепляя ксилан, ксиланазы высвобождают сахара - сырьё для целого набора промышленных продуктов: этанольного биотоплива, ксилита, промышленных растворителей и многого другого. А еще ксиланазы отбеливают целлюлозу в бумажной промышленности, улучшают усвояемость кормов для животных, идут в производство биотоплива, помогают пекарям сделать тесто более податливым, а пивоварам и производителям соков - осветлить мутный напиток до прозрачности. Ну фермент маминой подруги, не иначе.

А зачем именно термостабильные ксиланазы? Возьмем, к примеру, бумажную промышленность. Бумажная масса (пульпа) обрабатывается в щелочной и очень горячей среде. Поэтому ферменты, способные выдержать температуру около 90 °C и очень стойкие к воздействию щёлочи оказываются для этой отрасли явными фаворитами.

Амилазы и пиво

Следующая популярная в промышленности группа ферментов - амилазы. Их работа - расщеплять крахмал, который является полисахаридом, на простые сбраживаемые сахара вроде глюкозы и мальтозы. Дрожжи не умеют сбраживать длинные и сложные молекулы крахмала, так что задача амилазы - "порезать" крахмал на глюкозу и вот за нее уже дрожжи возьмутся с энтузиазмом и смогут превратить в этанол.

Кстати, амилаза есть и у нас во рту, а если быть точным - в слюне. Именно поэтому древние рецепты ферментированных напитков иногда включали этап разжевывания зерна и сплевывания получившейся смеси назад. Так, например, получали напиток чича инки и ацтеки.

К счастью, сегодня мы можем добавлять амилазы, наработанные биотехнологическим путем и плевать в стакан больше не нужно.

Но зачем нужны термостабильные амилазы? Во-первых, при высокой температуре крахмал расщепляется быстрее. А во-вторых, и это особенно важно, высокая температура это барьер для загрязнения сусла вредными микроорганизмами. Меньше риск таких попаданцев, стабильнее и выгоднее производство, вкуснее пиво (но это не точно).

А как, собственно, добыть белок?

Хорошо, мы поняли, зачем нужны термостабильные белки. Но как получить их в количествах, которых требует промышленность? Выращивать сами термофильные бактерии - задачка со звездочкой. У многих из них ну очень специфические требования к среде, угодить которым в заводских масштабах непросто. К счастью, сегодня в этом и нет необходимости.

Сегодня большинство термостабильных белков получают биотехнологическим путём. Инструкция, как должен «выглядеть» белок, записана в ДНК организма — в его генах. В простейшем случае один ген кодирует один белок, а значит, достаточно перенести этот ген в более удобный организм и наработать нужный белок уже в нём. Любимый «цех» биотехнологов - это кишечная палочка Escherichia coli. Она неприхотлива, размножается с космической скоростью и потому позволяет получать белок в больших количествах. И кстати нет, те кишечные палочки, которые используют в биотехнологических производствах не патогенны, то есть не представляют для нас опасности.

Но самое интересное, что сегодня нам даже не нужно выделять сам термофильный микроорганизм, чтобы добыть нужный ген. Можно вытащить нужный ген прямо из кусочков ДНК, найденных в окружающей среде, например почве, и перенести его в клетки удобного организма — например, всё той же кишечной палочки.

Свежий пример: в одной из недавних работ учёные получили гипертермостабильную целлюлозогидролазу - фермент, который превращает целлюлозу из растительных клеточных стенок в простые сахара. Нужный ген нашли в ДНК, выделенной из горячих источников, поместили его в клетку E. coli и наработали белок, работающий даже при 95 °C. И хоть бактерия, из которой получен ген, остается неизвестной, термостабильный белок из нее уже применяется на практике.