В прошлом посте я рассказывала про экстремофилов - микробов, которые умудряются жить там, где большинство привычных нам форм жизни долго не протянет. В кипятке, кислоте, вечной мерзлоте или едкой щелочи. Но почти все примеры тогда были зарубежными: Йеллоустон, Исландия и прочие заморские территории.

А ведь за экстремофилами совсем не обязательно ехать так далеко, потому что одно из самых интересных мест для их изучения находится на Камчатке.

Камчатка входит в Тихоокеанское огненное кольцо. Здесь Тихоокеанская плита погружается под соседние литосферные плиты, поэтому полуостров буквально напичкан вулканами и гидротермальными системами. Горячая вода поднимается из глубины, смешивается с вулканическими газами и выходит на поверхность в виде горячих источников и грязевых котлов.

Местность для человека выглядит крайне негостеприимно и местами даже инопланетно. Вода почти кипит, из трещин идут пар и сероводород, а "вода" вокруг либо очень кислая, либо, наоборот, щелочная. Но микроорганизмам в таких условиях как раз очень нравится. И, конечно, такая интересная зона не могла остаться без внимания исследователей.

Кальдера Узон

Одна из главных точек на микробиологической карте Камчатки - кальдера вулкана Узон в Кроноцком заповеднике.

Это огромная вулканическая впадина примерно 9 на 12 километров. Внутри расположены несколько термальных полей с горячими источниками, грязевыми котлами, фумаролами и другими проявлениями гидротермальной активности.

Для микробиолога это практически природный набор инкубаторов. В соседних источниках могут сильно различаться температура, кислотность, содержание серы и других соединений. И, конечно, в настолько разных условиях и микробные сообщества будут разными.

Причём изучать местных микроорганизмов начали довольно давно. С конца 1970-х годов камчатскими термофилами систематически занимались сотрудники Института микробиологии имени С. Н. Виноградского. Огромную роль в развитии этого направления сыграл академик Георгий Александрович Заварзин, а затем Елизавета Александровна Бонч-Осмоловская и её коллеги. Микробиологические исследования здесь тесно переплелись с вулканологией. В частности, большую роль в организации работ на Камчатке сыграл вулканолог Геннадий Александрович Карпов.

Кстати, один из известных источников Узона сегодня носит имя академика Заварзина. Это небольшой круглый бассейн диаметром около трёх метров.

Температура воды в нём составляет примерно 56–58 °C, pH близок к нейтральному, а дно покрывает светлый осадок элементарной серы. По краям растут зелёные микробные маты, их хорошо видно на фото.

Кто вообще там живёт?

Чем горячее и кислее становится среда, тем меньше привычных организмов способны в ней существовать. Зато появляются уникальные специалисты по экстремальным условиям.

Среди них много архей - отдельной от бактерий группы одноклеточных организмов. В кислых горячих источниках Камчатки встречаются, например, представители Sulfolobales. Многие из них прекрасно чувствуют себя при температурах около 70-80 °C и очень низком pH, а в энергетическом обмене способны использовать соединения серы.

Есть и виды, само название которых выдаёт место происхождения. Thermoproteus uzoniensis впервые выделили из кальдеры Узон. Это гипертермофильная архея, способная расти при температурах значительно выше 70 °C. Она живёт без кислорода, использует органические соединения и может восстанавливать элементарную серу с образованием сероводорода.

Ещё один пример микроорганизмов, которые впервые были описаны именно здесь, бактерия Caldimicrobium rimae, выделенная из источника Трещинный, одного из самых горячих источников кальдеры. Бактерия растёт при 52-82 °C, а лучше всего примерно при 75 °C. При этом кислород ей вообще не нужен - она строгий анаэроб. А энергию она может получать из водорода, используя CO₂ как источник углерода и серу вместо кислорода. В общем, все организмы и правда очень необычны и отличаются уникальным метаболизмом.

Но мне особенно нравятся два других камчатских микроорганизма: Caldicellulosiruptor kronotskyensis и Caldicellulosiruptor hydrothermalis.

Оба были выделены из горячих источников Камчатки и описаны в 2008 году. И вот у них есть очень полезный талант. Они умеют разрушать целлюлозу при температурах около 70 °C. Caldicellulosiruptor kronotskyensis так вообще вполне успешно растёт (а значит и ест ее) даже на обычной фильтровальной бумаге, буквально разбирая её целлюлозные волокна на части.

Для бактерии это просто способ добыть еду, а для биотехнологов - источник устойчивых ферментов, которые способны работать там, где обычные белки уже начинают терять активность. И отсюда возникает закономерный вопрос!

Зачем вообще искать микробов в кипятке?

Тут сразу несколько причин, и все они важны. Во-первых, экстремофилы помогают понять пределы жизни.

Какая максимальная температура ещё совместима с делением клетки? Насколько кислой может быть среда? Какие биохимические системы позволяют белкам и мембранам не разваливаться в таких условиях? Когда на Земле только зарождалась жизнь, планета была гораздо более вулканически активной, а свободного кислорода почти не было. Поэтому горячие источники позволяют хотя бы немного заглянуть в мир, в котором жили первые микроорганизмы.

Во-вторых, экстремофилы интересуют астробиологов. Если жизнь существует или когда-то существовала за пределами Земли, искать её следы логично в том числе там, где есть или были вода и гидротермальная активность.

Например, под ледяной корой Энцелада, спутника Сатурна, скрывается солёный щелочной океан, а на его дне предполагают существование гидротермальных источников. Поэтому учёные ищут на Земле похожие экстремальные среды и изучают живущих там микробов: как они приспосабливаются к таким условиям и какие следы их жизнедеятельности можно было бы обнаружить на другой планете или спутнике.

И наконец, есть совершенно практическая причина - биотехнологическая. Это как раз про те самые «устойчивые» ферменты. Если организм живёт при 80 °C, его ферментам тоже приходится сохранять работоспособность при высокой температуре. А такие свойства очень ценятся в промышленности.

Самый известный пример вообще не с Камчатки: Taq-полимераза из бактерии Thermus aquaticus, обнаруженной в горячих источниках Йеллоустона. Именно термостабильность этого фермента сделала возможной современную ПЦР (привет с ковидных времен).

Но искать полезные ферменты можно и на Камчатке. Причём для этого даже не обязательно уметь выращивать их хозяев в лаборатории. В одной из работ исследователи взяли образец из горячего источника кальдеры Узон с температурой 81 °C, выделили из него всю микробную ДНК и стали искать в ней гены потенциально полезных ферментов. В результате нашли сразу четыре новых: три фермента, расщепляющих жиры, и один, расщепляющий белки.

По сути, горячий источник можно рассматривать как огромную природную библиотеку генов. Мы можем даже не знать, каким именно микроорганизмам принадлежит большая часть этой ДНК, но уже искать среди неё молекулярные инструменты с интересными свойствами.

Если хотите подробнее узнать, как учёные буквально достают из почвы, горячих источников и других природных образцов гены потенциально полезных ферментов, у меня есть отдельный длиннопост про это.

А вообще, заходите в мой ТГ-канал @microbblog. Там пишу короче, но чаще :) Недавно вот был пост про то, почему бактерии разлагающие пластик пока не совершили революцию.

Селекционер сажает новый сорт гороха и годами ждёт урожая, чтобы понять: оправдались ли затраты. При провале риск получить некондицию высок, а решения часто принимаются на интуиции и многолетнем труде. Эту проблему — отсутствие инструментов раннего прогноза — решают учёные Башкирии, соединив аграрную науку с цифровыми технологиями.

В лаборатории интеллектуальных систем Башкирского ГАУ, созданной в рамках «Приоритет-2030», объединились молодые агрономы и IT-специалисты. Результат — ускоренная селекция гороха.

«Любая селекция — это годы ожидания: вырастить, дождаться созревания, провести полевые оценки. Ключевое — понять, будет ли сорт товарным», — говорит директор проектного офиса вуза Айгуль Габитова.

Инновация — программно-аппаратный комплекс для автоматической съёмки и структурирования данных. Растение помещают на движущуюся платформу; две камеры фиксируют его с восьми сторон. Полученные изображения обрабатывает нейросеть, обученная распознавать 26 ключевых признаков по фазам роста. Система выдаёт пррогноз: стоит ли сорт внимания. Вместо рулетки и бумажных таблиц — автоматическое фенотипирование.

Отдельный модуль — климатическая камера полностью отечественной сборки. «Четвёртый год делаем линейку от 300 до 23 000 л. Задаём температуру, влажность, спектр и интенсивность света, имитируем рассвет, закат или заморозки. Проверяем зимостойкость и другие параметры в разы быстрее», — объясняет руководитель лаборатории Алексей Катков. Управление — со смартфона; есть версия с конвейером.

На базе университета открыт Центр агронетики: семь лабораторий — от фитотроники до беспилотных систем. Студенты и молодые учёные работают с реальными задачами, готовя кадры для цифровой трансформации АПК.

Уже собраны первые базы данных и две рабочие модели распознавания признаков гороха. В разработке — ещё 24 признака на 100+ сортах. Заказчики — селекционные компании, вузы, НИИ. Бизнес-модель: поставка комплексов «под ключ» и доступ к облачной платформе предиктивной аналитики по подписке или лицензии.