Как известно, при делении клетки сначала происходит раскручивание ДНК, а затем — удвоение этой молекулы и последующие процессы. Но нас интересует именно процесс раскручивания, поскольку это один из начальных этапов деления клетки. При таком грозном заболевании, как рак, вначале также происходит раскручивание ДНК.
Поняв этот механизм, мы, возможно, окажемся на шаг ближе к разгадке того, как возникают опухоли.
Итак, как происходит раскручивание ДНК?
При метилировании цитозина к нему добавляется метильная группа (—CH₃), источником которой является S-аденозилметионин. Этот процесс катализируется ферментами — ДНК-метилтрансферазами. В результате добавления метильной группы изменяется электронная структура молекулы. Согласно предлагаемой модели, это может влиять на взаимодействие участков ДНК и способствовать её более сильному скручиванию под действием электростатических сил (F).
При последующих этапах деметилирования происходят следующие превращения:
Важный вклад в изучение механизмов деметилирования ДНК внесли исследования группы учёных во главе с профессором И Чжаном (Yi Zhang). В частности, были исследованы промежуточные продукты, участвующие в процессе деметилирования.
При деметилировании всей ДНК после конечного перехода к цитозину молекула резко раскручивается, при этом образуется энергия, необходимая для репликации и других биохимических процессов. Это можно сравнить с сильно скрученной веревкой: если отпустить один конец, она раскручивается.
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.
Восточное термальное поле кальдеры Узон. Источник: Rozanov et al., 2014, BMC Genomics.
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.
Источник Заварзина. Источник: Rozanov et al., 2014, BMC Genomics
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.
Caldicellulosiruptor hydrothermalis, электронная микроскопия. Источник: Miroshnichenko et al., 2008, International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology.
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.
Предполагаемые гидротермальные источники на дне подлёдного океана Энцелада. Источник: NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute.
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.
Для того, чтобы можно было сделать нормальный вкусный сыр, нужен сычужный фермент.
Сычужный фермент достается из желудка у телят. У коровы, как известно, четыре желудка, нам нужен тот, который называется сычуг. И нам подходит только теленок, старый бык уже не годится. Достаем, короче, фермент из сычуга и добавляем в молоко. Получается в итоге сыр, потому что этот самый фермент удачно сворачивает наше молоко.
Если в мире победит партия любителей растительного мяса, то человечество перестанет убивать коровок, и начнет есть хуевый сыр.
Представьте себе горячий источник, в котором кипит кислотная жидкость, а вокруг поднимаются клубы пара с запахом серы. Казалось бы, идеальные условия, чтобы здесь не было вообще ничего живого. И тем не менее, жизнь здесь "кипит" во всех смыслах. Некоторые микроорганизмы не просто выживают в таких условиях, а прекрасно себя чувствуют, да еще и активно размножаются.
Секрет их выносливости в специальных механизмах адаптации - термостабильных белках и особых клеточных мембранах, которые остаются стабильными даже там, где любая другая форма жизни давно бы погибла. Изучение таких адаптаций не только проливает свет на то, как вообще зарождалась жизнь на нашей планете, но и несет много практической пользы. Сегодня разберемся, как устроены эти любители экстремально горячих источников и почему их поиск - не только про научный интерес.
Кто же там живет
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.
Снимок Pyrolobus fumarii полученный с помощью электронного сканирующего микроскопа
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.
Белок может еще вернуться в сложенную форму, этот процесс называется ренатурацией, но воздействие на молекулу не должно быть слишком серьезным.
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.
Ester linkage - это как раз сложноэфирная связь, такая например у нас в клеточных мембранах, а Ether - эфирная, найденная у архей. Синим как раз отмечен вариант однослойной мембраны, а красным - тот, что со скваланом между слоями.
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.
Вот в этом порошке протеаза соседствует с липазой - ферментом расщепляющим жиры. Двойной эффект, получается.
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.
Ммм, подставляй стакан
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.
Когда мы говорим «неизвестный науке вид», обычно представляется что-то экзотическое: гигантская глубоководная рыба или насекомое из тропического леса. Но в микробиологии неизвестные виды - явление вполне обыденное. Значительная часть микроорганизмов вокруг нас, обитающих в почве, в море и других привычных местообитаниях до сих пор не описана, не выращена в лаборатории и даже не имеет названия.
Поиск новых видов в классической микробиологии происходил следующим образом: выделить из среды организм, вырастить чистую культуру (то есть отделить один вид микроорганизмов от остальных) и изучить ее специфичные свойства. Проблема в том, что большинство микроорганизмов не получится просто так вырастить в лаборатории. Для жизни им нужны специфическая температура, давление, химический состав среды, а иногда и другие организмы. Воссоздать все эти условия в искусственной среде - зачастую задача очень сложная, а порой и вовсе невыполнимая.
В результате долгие годы ученые изучали лишь небольшую долю тех, кто умеет расти на «удобных» средах. Это называется "сдвигом культивируемости", а именно смещением изучения в сторону культивируемых организмов. Как это работает на практике? Представьте, что в кусочке земли, которую вы держите в руках, около 100 видов бактерий и только 1-5 видов получится вырастить в лаборатории и изучить.
Однако технологии развиваются, и сегодня есть подходы, позволяющие преодолеть этот барьер. В каждом организме есть ДНК, которая по сути является кодом всего, что есть в клетке и код этот уникален. Поэтому настоящий перелом в поиске новых видов произошёл, когда ученые перестали пытаться увидеть сам микроорганизм, а начали изучать его ДНК напрямую. Сегодня такой подход к изучению организмов в среде называется метагеномикой.
Суть метагеномного подхода проста:
Берётся образец среды — почва, вода, содержимое организма, воздух.
Извлекается вся ДНК сразу.
Определяется её последовательность (это называется секвенированием) и с использованием специальных программ собираются генетические фрагменты, а иногда и целые геномы.
С использованием баз данных определяется, какие организмы содержатся в образце. Если такого же организма в базе нет, то определяется его ближайший родственник.
Метагеномный подход на примере исследования почв
Сегодня с помощью такого подхода обнаружено огромное количество групп микроорганизмов, которые раньше просто не попадали в поле зрения науки. Чтобы понять масштаб космоса "микроорганизмов", достаточно посмотреть на интерактивную карту проекта Lifemap. "Unclassified bacteria" на этой карте это буквально "какие-то бактерии". Что это значит? Мы изучили ДНК этих бактерий, но мы понятия не имеем что это такое, однако можем определить далеких родственников. Есть неклассифицированные бактерии и в уже известных таксонах, то есть мы можем определить их род, а значит примерно предположить их свойства, но полные характеристики остаются неизвестными. Карта интерактивная, поэтому очень рекомендую потыкать.
Кто в кишечнике живет
Неизвестного осталось достаточно много и в непосредственной близости от нас. А если быть точнее - прямо внутри нас. В желудочно-кишечном тракте человека обитает чрезвычайно сложное и динамичное микробное сообщество, включающее археи, бактерии, вирусы и эукариоты. Современные данные показывают, что состав кишечного микробиома очень серьезно влияет на наш иммунитет, метаболические процессы, настроение и многое другое. Но есть проблема - традиционные методы культивирования позволяют вырастить в лабораторных условиях лишь 10-30% кишечной микробиоты. Процент уже получше, чем в почве, но все еще невысок.
Поэтому, когда появилась возможность определять состав микробиоты по ДНК, такие проекты быстро приобрели большую популярность в научном сообществе. В начале развитие геномных технологий для определения видового разнообразия микробиома секвенировали лишь часть генома, а если точнее ген 16S рРНК, который есть практически у всех бактерий. Этот ген выполняет важную функцию в клетке и поэтому сохраняется в процессе эволюции, но при этом содержит небольшие вариации, позволяющие отличать одни рода бактерий от других, а иногда и виды.
Как это работает на практике? Из образца (например, кишечного содержимого или почвы) выделяют ДНК и многократно «копируют» только участок 16S методом ПЦР. Затем его секвенируют (определяют последовательность) и сравнивают с базами данных. В результате получают список бактерий, которые присутствуют в образце, и их относительное количество. Однако у метода прочтения 16S есть и ограничения и самое большое - это точность. Мы можем определить бактерию до рода, а иногда и до вида, например, сказать, что в образце точно есть кишечная палочка (Escherichia coli). Но и внутри одного вида могут существовать и очень разные по свойствам бактерии - штаммы.
Так, например, кишечные палочки разнообразных безобидных штаммов живут в нашем кишечнике совершенно мирно, и даже помогают, синтезируя витамины и борясь с патогенами. А вот штамм O157:H7 той же кишечной палочки может вызывать очень серьезные проблемы, включая диарею с кровью и прочими пугающими последствиями. А разница между ними в нескольких генах, в том числе в гене, кодирующем токсин, вызывающий повреждение клеток кишечника. Поэтому определить только вид порой ой как недостаточно.
К счастью, технологии активно развиваются и современная геномные методы позволяют работать не с последовательностью одного гена, а с целыми геномами, то есть совокупностью всех генов. И вот по такой информации уже возможно определить не только вид, но и штамм, а значит узнать больше подробностей о специфических особенностях конкретной бактерии. Если у той самой страшной e.coli O157:H7 есть ген, кодирующий шига-токсин, то у штамма HS, являющегося нормальным жителем здорового кишечника, таких генов нет и он мирно сосуществует с человеком.
В последние годы крупные международные проекты, такие как MetaHIT и Human Microbiome Project активно поучаствовали в создании референсных каталогов генов микробиома человека. Так, покопавшись внимательно в кишечном содержимом 124 европейцев в рамках проекта MetaHIT ученые показали, что микробиом кишечника человека содержит около 3,3 миллиона уникальных генов. Это очень и очень много. На секундочку это в 150 раз превышает количество генов самого человека. Но, конечно, у людей из разных стран, рас, возраста состав микробиома, а значит и генетическая составляющая, может значительно различаться. Поэтому, по мере накопления данных и улучшения методов, а также расширения числа исследуемых, количество обнаруженных генов выросло еще более чем в 3 раза. Последние актуальные цифры по изучению желудочно-кишечного тракта человека из проекта Unified Human Gastrointestinal Genome говорят нам о 4,744 видов. Все еще чувствуете себя одиноко?
Какие же данные можно извлечь из всего этого?
Во-первых, стало понятно, что состав микробиома не является фиксированным и может изменяться под воздействием множества факторов. Исследования показали, что на него влияют диета, возраст, географическое положение, приём лекарств, факторы окружающей среды и многое другое. В общем, сложно назвать фактор из нашей жизнедеятельности, который бы никак не отразился на микробиоме. Например, различия в долгосрочных пищевых привычках приводят к заметным изменениям в составе микробиома у людей из разных регионов. При этом краткосрочные изменения рациона могут влиять на относительное содержание отдельных видов, но не обязательно изменяют состав кардинально.
Почему это важно? Содержание различных микроорганизмов напрямую влияет на наше здоровье, и это связано с тем, что у каждого вида есть свой набор генов и, соответственно, свои метаболические «возможности». Одни бактерии специализируются на расщеплении сложных углеводов и пищевых волокон, превращая их в короткоцепочечные жирные кислоты (ацетат, пропионат и бутират). Эти вещества служат источником энергии для клеток кишечника и участвуют в регуляции иммунитета. Другие микроорганизмы могут активно ферментировать сахара с образованием газов, что может доставлять сильный дискомфорт.
Важно и то, что продукты жизнедеятельности бактерий могут воздействовать не только на кишечник, но и на весь организм. Через так называемую «ось кишечник–мозг» они способны влиять на работу нервной системы, в том числе на настроение и поведение. Поэтому состав микробиома — это не просто набор случайных микроорганизмов, а сложная экосистема, баланс которой отражается на самочувствии человека. Сегодня активно изучается взаимосвязь многих болезней, в том числе ментальных, с составом микробиома. Поэтому такие исследования - важный шаг на пути человечества к долголетию.
От науки к практике
Какую же еще пользу мы можем извлечь из расшифровки генов "неизвестных" бактерий? А за это отвечает еще одно направление науки, получившее красивое название функциональная метагеномика. Для привлечения микроорганизмов к решению практически важных задач нам совершенно нет необходимости их выделять и культивировать. Зачастую, нас гораздо больше интересуют именно их гены. Современные методы биотехнологии позволяют зная только последовательность гена какого-то микроорганизма, синтезировать его искусственно или выделить из массива ДНК и поместить в другой организм, чтобы он там работал. Например - производил фермент, которые можно использовать для промышленных целей. Так, к примеру, получили множество термостабильных белков, которые используются в промышленности.
Сегодня во многих стиральных порошках используются термостабильные протеазы - это такие ферменты, которые позволяют расщеплять белки, а значит и самые въедливые пятна. Термостабильные белки часто обнаруживаются у термофильных организмов, например, бактерий из горячих источников. Но чтобы получить такой белок из исходного организма нужно подбирать сложные условия его культивирования. Биотехнологический же подход позволяет перенести ген, кодирующий такую термостабильную протеазу, в более удобный для работы организм. Например, в ту же кишечную палочку, которая является излюбленным объектом биотехнологов, и уже в ней получить достаточное количество нужного белка.
Вот так космос микроорганизмов с каждым годом становится всё более изученным, и подобные исследования уже сегодня служат нам, помогая создавать лекарства, ферменты и новые технологии. Но при этом по-прежнему огромная часть этого мира остаётся неизвестной. Возможно, самые важные открытия, которые изменят медицину, биотехнологию и наше понимание жизни, уже совсем близко. А может, прямо у нас под ногами.
Исследователи из Токийского научного института объявили о прорыве, который может кардинально изменить мир биотехнологий. В статье, опубликованной в Nature Communications, они описали уникальный фермент MAN PPK2, способный в одной простой реакции производить все четыре «строительных блока», необходимых для синтеза РНК. Это открытие обещает значительно удешевить и ускорить производство мРНК-вакцин, противораковых препаратов и других РНК-технологий, сделав их доступнее для всего мира.
Недавно открытый фермент MAN PPK2 действует как универсальный катализатор, который эффективно преобразует все распространённые РНК-нуклеотиды в нуклеозидтрифосфаты.
Пандемия COVID-19 показала невероятную мощь мРНК-вакцин, но вместе с тем обнажила и их главную слабость — высокую стоимость и сложность производства. В основе любой РНК-технологии лежит синтез молекулы РНК, для которого, как для строительства дома, нужны четыре типа «кирпичиков» — нуклеозидтрифосфаты (НТФ).
До сих пор их получение напоминало сложный многоступенчатый конвейер. Для производства каждого типа НТФ требовались отдельные ферменты и дорогостоящие, нестабильные источники энергии. Этот комплексный процесс был главным «бутылочным горлышком», которое делало производство мРНК-вакцин и лекарств дорогим и медленным, ограничивая их глобальную доступность.
Один фермент для «сборки» РНК: как работает научный прорыв
Решение этой проблемы пришло из мира микроорганизмов. Японские учёные под руководством профессора Томоаки Мацууры из Института наук о жизни и Земле (Earth-Life Science Institute, ELSI) выделили из морской бактерии Mangrovibacterium marinum фермент с поразительными свойствами, который они назвали MAN PPK2.
«Мы сосредоточились на специфическом ферменте полифосфаткиназе 2, MAN, — говорит профессор Мацуура. — Удивительно, но этот фермент смог преобразовывать все распространённые РНК-нуклеотиды с поразительной эффективностью».
Ключевое новшество метода заключается в использовании полифосфата — дешёвого, экологически чистого и широко доступного вещества. MAN PPK2 использует его для превращения всех необходимых предшественников в готовые «строительные блоки» РНК, реализуя концепцию «one-pot» однореакторного синтеза «в одной чашке».
Этот необычный для современных ферментов «универсализм» исследователи связывают с его эволюционным происхождением. «Хотя такая широкая активность необычна для современных ферментов, она может отражать то, как примитивные биологические системы обходились всего несколькими ферментами», — комментирует соавтор исследования, доцент Лиам Лонго.
Учёные на практике доказали работоспособность метода: с помощью MAN PPK2 они сначала синтезировали все четыре НТФ, а затем из них создали функциональную РНК, которая успешно произвела белок.
От лаборатории к миллиардному рынку: что изменит новый фермент?
Последствия этого открытия выходят далеко за пределы лаборатории. В первую очередь, оно окажет огромное влияние на медицину, поскольку удешевит производство мРНК-вакцин против гриппа и будущих пандемических угроз, а также откроет новые возможности для противораковой иммунотерапии.
Масштаб потенциальных изменений подчёркивают рыночные прогнозы. Ожидается, что мировой рынок мРНК-вакцин вырастет с $6.85 миллиардов в 2026 году до более чем $25 миллиардов к 2034 году. Практическую значимость работы подчёркивает и тот факт, что исследовательская группа уже подала в Японии патентную заявку, связанную с этим открытием.
Сами авторы исследования так резюмируют его значимость: «В целом, наше исследование подчёркивает, как принципы, заложенные в древней биологии, могут быть использованы для решения современных проблем — преодоления основных ограничений в РНК-технологиях с помощью простого ферментативного решения».
Ферментация — древний метод переработки растений, который сегодня получил научное обоснование. Этот процесс, управляемый микроорганизмами (лактобактериями, дрожжами), не только сохраняет ценные вещества в травах, но и превращает их в мощные биологически активные соединения. Особенно значимый эффект ферментированные растения оказывают на желудочно-кишечный тракт (ЖКТ).
🔬 Что происходит во время ферментации?
Под действием ферментов и бактерий сложные органические вещества (полисахариды, алкалоиды) расщепляются до более простых и биодоступных форм. Например:
✅Увеличение фенольных соединений: Исследование 2019 года (Food Chemistry) показало, что ферментация крапивы повышает содержание антиоксидантов на 40% за счет распада клетчатки и высвобождения полифенолов.
✅Синтез пробиотиков: Молочнокислые бактерии, активные при ферментации, колонизируют кишечник, подавляя патогенную микрофлору (Frontiers in Microbiology, 2020).
✅Снижение антинутриентов: Ферментация разрушает фитиновую кислоту и танины, которые мешают усвоению минералов (Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2018).
🌟 Польза ферментированных трав для ЖКТ: 4 ключевых эффекта
1. Восстановление микробиома Пробиотики в ферментированных растениях (например, в иван-чае) увеличивают количество Bifidobacterium и Lactobacillus — «защитников» кишечника. Это подтверждает исследование Nutrients (2021), где участники с СРК отметили снижение вздутия на 50% после 4 недель приема ферментированных травяных экстрактов.
2. Противовоспалительное действие Ферментированный подорожник содержит повышенные дозы аукубина, который подавляет выработку провоспалительных цитокинов (IL-6, TNF-α). Эксперимент на мышах с колитом (Phytotherapy Research, 2022) выявил уменьшение воспаления на 60% при использовании ферментированного экстракта.
3. Улучшение пищеварения Ферментация расщепляет клетчатку до короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК) — основного «топлива» для клеток кишечника. Например, ферментированная сныть стимулирует выработку бутирата, защищающего слизистую от язв (Gut Microbes, 2020).
4. Детоксикация Молочная кислота, образующаяся при ферментации, связывает тяжелые металлы и токсины в кишечнике. Исследование Journal of Ethnopharmacology (2023) доказало, что ферментированный одуванчик ускоряет выведение пестицидов из организма на 35%.
🌱 ТОП-5 ферментированных трав для здоровья ЖКТ
1. Иван-чай
После ферментации содержит в 3 раза больше галловой кислоты, подавляющей Helicobacter pylori (Biomedicine & Pharmacotherapy, 2021). Снижает кислотность, заживляет слизистую желудка.
2. Крапива
Ферментированный сок крапивы богат гистамином, который в малых дозах регулирует иммунный ответ кишечника (International Journal of Molecular Sciences, 2022).
Ферментация усиливает их вяжущие свойства, полезные при диарее.
5. Черемша
Вырабатывает аллицин — природный антибиотик против кишечных инфекций.
📊 Интересный факт
Ферментированные травы содержат в 2 раза больше GABA (гамма-аминомасляной кислоты), чем свежие. Это вещество снижает стресс, который часто является триггером СРК и язвенной болезни (Journal of Clinical Biochemistry and Nutrition, 2019).
🌿 Рецепты ферментации трав и дикоросов: усиливаем пользу для ЖКТ!
☀️Ферментированный иван-чай (копорский чай)
Ингредиенты:
* Свежие листья иван-чая (кипрея).
Этапы:
1. Сбор: Собирайте листья в начале цветения (июнь-июль), вдали от дорог.
2. Подвяливание: Разложите листья в тени на 8-12 часов, пока они не станут мягкими.
3. Скручивание: Перетирайте листья между ладонями или в миске, пока не выделится сок.
4. Ферментация: Сложите массу в стеклянную банку, накройте влажной тканью. Держите при 22-25°C 12-24 часа. Готовность определите по фруктовому аромату.
5. Сушка: Сушите в духовке при 50-60°C до хруста.
Польза: Снижает воспаление в кишечнике, подавляет Helicobacter pylori (исследование Biomedicine & Pharmacotherapy, 2021). Как пить: 1 ч.л. на чашку кипятка, настаивать 10 минут.
2. Засолка: Перетрите листья с солью и тмином до выделения сока.
3. Ферментация: Плотно уложите в банку, прижмите грузом. Оставьте при комнатной температуре на 3-5 дней.
4. Хранение: Переместите в холодильник.
Польза: Аллицин в составе борется с патогенами в ЖКТ (Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2020). Как есть: Добавляйте в салаты или как гарнир к мясу.
☀️Ферментированные листья подорожника
Ингредиенты:
* Молодые листья подорожника,
* 1 ст.л. морской соли на 500 г листьев,
* Вода (по необходимости).
Этапы:
1. Бланширование: Ошпарьте листья кипятком на 1-2 минуты для смягчения.
2. Измельчение: Нарежьте листья полосками.
3. Закваска: Смешайте с солью, утрамбуйте в банку. Добавьте воду, если мало сока.
4. Ферментация: Накройте марлей, держите 3-7 дней при 20-22°C.
5. Хранение: Переставьте в холодильник после появления кисловатого запаха.
Польза: Увеличивает выработку муцина, защищающего слизистую кишечника (Food & Function, 2020). Применение: Добавляйте в супы или пюре.
☀️Ферментированный сок крапивы
Ингредиенты:
* 1 кг молодой крапивы,
* 1 ст.л. соли,
* 2 л воды.
Этапы:
1. Приготовление сока: Пропустите крапиву через соковыжималку.
2. Смешивание: Соедините сок с солью и водой.
3. Ферментация: Перелейте в банку, накройте воздухопроницаемой крышкой. Держите 2-3 дня при 18-22°C.
4. Фильтрация: Процедите и храните в холодильнике до 2 недель.
Польза: Снижает уровень гистамина, полезен при аллергиях и анемии (International Journal of Molecular Sciences, 2022). Как пить: По 50 мл утром до еды.
☀️Ферментированные цветы одуванчика
Ингредиенты:
* 200 г цветов одуванчика (без зелени),
* 500 мл воды,
* 50 г сахара,
* 1 лимон (сок).
Этапы:
1. Сироп: Растворите сахар в теплой воде, добавьте лимонный сок.
2. Заливка: Залейте цветы сиропом в банке.
3. Ферментация: Накройте марлей, оставьте на 3-4 дня. Ежедневно помешивайте.
4. Фильтрация: Процедите, храните в холодильнике.
Польза: Улучшает работу печени и желчного пузыря (Journal of Ethnopharmacology, 2023). Как использовать: Добавляйте в чай или воду (1 ст.л. на стакан).
🌱 Советы для успешной ферментации:
* Гигиена: Используйте стеклянную или керамическую посуду.
* Температура: Оптимально 18-25°C. При более высокой температуре процесс ускоряется.
* Признаки успеха: Приятный кисловатый запах, пузырьки газа, изменение цвета сырья.
* Осторожно! Избегайте металлических ёмкостей — они окисляются.
🌸 Ферментированные травы — это живые витамины! Попробуйте эти рецепты, чтобы укрепить ЖКТ и зарядиться энергией природы. Перед применением проконсультируйтесь с фитотерапевтом, особенно при хронических заболеваниях.
🌸Индивидуальные сборы — ваш ключ к здоровью!
🔑Рина Ржевская, травник-фитоспециалист составит для вас:
✅Персональный сбор на основе анализов и анамнеза.
✅Поддержка связи в течении 2 месяцев после приема и до следующего обращения.
В норме поджелудочная железа отвечает за выработку ферментов, необходимых для переваривания пищи. Среди них:
– протеазы для расщепления белков,
– липазы для обработки жиров,
– амилазы, которые помогают справляться с углеводами.
Эти ферменты активируются в двенадцатиперстной кишке, где они дробят крупные молекулы в более мелкие, способные всасываться через стенку кишечника и попадать в кровоток.
Однако при некоторых заболеваниях — таких как "хронический панкреатит", "муковисцидоз" или "рак поджелудочной железы" — синтез ферментов может быть нарушен, называние ей "внешнесекреторная недостаточностью", и для его компенсации врачи часто назначают препараты на основе панкреатина.
Средства содержат смесь необходимых ферментов и известны под названиями «Мезим», «Фестал» и их аналоги.
🧐 Однако маркетинговая реклама нередко продвигает панкреатин как «спасение» от переедания и тяжести в животе.
Переедание чаще всего вызывает физиологическое растяжение желудка, который начинает давить на соседние органы, вызывая чувство дискомфорта. Кроме того, в результате переполнения, может происходить заброс его содержимого в пищевод, что приводит к изжоге.
Панкреатин начинает действовать только в двенадцатиперстной кишке, которая расположена ниже желудка, и помогает организму переваривать еду на следующем этапе.
💡Правда — здоровый человек способен сам выделять достаточное количество ферментов для переваривания пищи, даже если пища съедена в большом объеме.
Риски бездумного применения ❌
Панкреатин без медицинских показаний не только бесполезен, но и может нанести вред. Постоянное использование ферментов способно подавлять естественную секрецию поджелудочной железы, что вызовет более тяжёлое лечение.
Чтобы справиться с дискомфортом, вызванным перееданием, моя простая рекомендация — Не переедать 😉
Лучший способ избежать проблемы — контролировать размер порций и прислушиваться к своему организму.
Хотите узнавать раньше всех о новых статься, подписывайтесь на тг канал - Бордовый Врач🩺
