Бактерии, грибы и прочие подозрительные личности - кто живёт в нас, на нас и вокруг нас. Микробиология и медицинские детективы для тех, кто хочет знать чуть больше.
Представим ситуацию. Из воды достали тело. Какова причина смерти? Конечно, первым в голову приходит утопление. Но был ли человек ещё жив, когда попал в воду, или тело оказалось там уже после смерти? Разница огромная, ведь в первом случае это может быть несчастный случай или самоубийство, а во втором история приобретает совсем другой оборот.
И вот ответ на этот вопрос криминалисты уже больше ста лет пытаются искать с помощью... водорослей. При чём тут водоросли? Давайте разбираться.
Как это должно работать
Диатомеи, или диатомовые водоросли - это одноклеточные, иногда колониальные организмы с невероятно красивым панцирем из кремнезёма. Возможно, вы встречали их фотографии, ведь выглядят они как очень сложные геометрические конструкции. Известны десятки тысяч видов диатомей, и живут они практически во всех типах водоёмов, а ещё встречаются во влажной почве, на камнях и мхах.
Источник: Walter Franchini, 2013, Modern Microscopy Journal.
Именно повсеместное распространение в воде и микроскопические размеры когда-то сделали их привлекательными для довольно простой криминалистической идеи.
Если человек ещё жив и вдыхает воду, вместе с ней в лёгкие попадают диатомеи. Считается, что часть из них может преодолеть альвеолярно-капиллярный барьер, попасть в кровь и при сохраняющемся кровообращении разнестись по закрытым органам (печени, почкам, мозгу и костному мозгу).Если же тело попало в воду уже после смерти, работающего кровообращения нет, а значит, теоретически диатомеи не должны таким способом добраться до удалённых внутренних органов.
Звучит красиво. Осталось найти их в тканях и дело раскрыто. Но, это, конечно, в теории.
Ложка научного дёгтя
Как всегда, красивую теорию разрушают уродливые факты. Авторы свежего систематического обзора нашли 372 публикации, а после отбора оставили всего 17 исследований 1994-2023 годов, в которых диатомей не просто отмечали по принципу «есть или нет», а считали их концентрацию в тканях умерших.
Хорошая новость для теста: в целом у утонувших концентрации диатомей в лёгких и внутренних органах действительно были выше, чем у людей, умерших по другим причинам. Причём имеет значение и сама вода. При утоплениях в пресной воде в лёгких находили от 40 до 411 354 диатомей на 10 г ткани, а в солёной - от 33,5 до 7162. Кстати, при утоплении в ванне их было ожидаемо мало - в среднем около 4 на 10 г.
Диатомеи, обнаруженные во внутренних органах погибших от утопления и в воде с места происшествия.[Tambuzzi et al., 2022, International Journal of Legal Medicine, 136, 1745–1754]
Плохая новость: результаты разных исследований разъезжаются на порядки, а контрольные группы вовсе не оказываются чистыми.
Во всех восьми исследованиях, где изучали тела людей, умерших не от утопления, но находившихся после смерти в воде, диатомеи обнаруживали в лёгких - от 1,1 до 5230 на 10 г ткани, то есть не особо меньше. Получается, вода с диатомеями способна проникать в дыхательные пути и после смерти. В нескольких исследованиях небольшие количества обнаруживали даже в закрытых органах (печени и почках).
Кстати, у людей, умерших на суше, диатомеи в лёгких в части исследований тоже находили, хоть и значительно меньше.
Откуда берутся ошибки
Одна из главных проблем - загрязнение при вскрытии и в лаборатории. Диатомеи могут попасть с поверхности тела на внутренние органы или переехать с одного образца на другой. Есть и гораздо более неожиданный источник - многоразовые стеклянные колбы. Кремнезёмные панцири могут прилипнуть к стеклу или застрять в его микродефектах.
Наконец, диатомеи могли попасть в организм ещё при жизни, но задолго до смерти. Пловцы и дайверы иногда вдыхают воду во время обычных погружений, а живущие у побережья могут вдыхать аэрофильные виды диатомей, которые обитают не в воде, а на суше и в воздухе.
Могут быть и ложноотрицательные результаты. Для утопления может оказаться достаточно сравнительно небольшого количества воды, а остановка кровообращения иногда происходит достаточно рано, поэтому диатомеи просто не успевают распространиться по организму.
Поэтому единого порога в духе «больше X диатомей - значит утонул» до сих пор не существует. К тому же сама идея универсального порога предполагает, что все люди при утоплении вдыхают примерно одинаковое количество воды, а это, конечно, не так.
Ткань разрушают с помощью микроволнового расщепления, остаток фильтруют, а диатомеи ищут с помощью автоматизированной сканирующей электронной микроскопии. Метод позволяет сохранить и обнаружить значительно больше диатомей, но пока используется лишь в ограниченном числе лабораторий (потому что такие микроскопы ооочень дорогие).
Другое направление - конечно же, нейросети, куда же без них. Алгоритмы учат самостоятельно находить, считать и даже классифицировать диатомеи на микрофотографиях, чтобы ускорить анализ и уменьшить субъективность ручного подсчёта.
Так что спустя больше ста лет диатомовый тест все еще остаётся полезной, хоть и не железобетонной уликой. Наличие диатомей само по себе не доказывает утопление, а их отсутствие его не исключает. Зато вместе с обстоятельствами смерти, результатами вскрытия и другими исследованиями они могут добавить ещё один кусочек в криминалистическую мозаику.
Ну и конечно, на диатомей можно посмотреть и с совсем другой стороны. Их стеклянные панцири настолько красивы, что мимо них не смогли пройти ни викторианские микроскописты, ни современные художники. О таких художниках и скульпторах недавно писала в канале. Сами фото там, конечно же, тоже есть!
Недавно я уже писала про микроорганизмы, живущие буквально в кипящей кислоте, щёлочи и прочих негостеприимных местах нашей планеты.
Но то были бактерии и археи, и для них такое поведение, конечно, необычно, но уже давно известно. А вот у ядерных организмов (эукариот), долгое время существовал непробиваемый температурный потолок в 60°C.
Но не так давно в горячих источниках Калифорнии нашли амёбу, которая уверенно отодвинула этот предел. Итак, сегодня наша героиня - Incendiamoeba cascadensis, или «огненная амёба Каскадных гор».
Сканирующая электронная микроскопия Incendiamoeba cascadensis: амёбоидная (сверху) и червеобразная (снизу) формы клетки. Источник: Rappaport et al., 2026, Cell.
Исследователи собирали образцы из геотермальных ручьёв в Lassen Volcanic National Park, где температура воды доходила примерно до 65°C. И в 14 из 20 исследованных точек обнаружили одну и ту же необычную амёбу. Оптимальная температура для её роста оказалась около 55-57°C, но оказалось, что она в принципе любит погорячее и не растёт при температурах ниже 42°C.
И, поскольку 55 градусов амеб не испугали, исследователи продолжили их мучить изучать дальше и начали постепенно повышать температуру. При 63°C амёбы продолжали размножаться, при 64°C они всё ещё двигались, а отдельные клетки сохраняли активность даже при 66°C.
Вот тут как раз запечатлён "интимный" момент деления клетки при 63 градусах.
При 70°C размножения уже не было, но после пяти минут такого нагрева часть клеток смогла восстановиться. Летальной же оказалась температура 80°C - при ней все клетки погибали.
Почему эукариоты так не любят жару?
Думаю, тут у читателя возникает резонный вопрос: а почему есть бактерии и археи, выдерживающие 100 градусов, а вот ядерных организмов - нет?
Главные жертвы высокой температуры в любой клетке - мембраны и белки. Мембраны становятся слишком текучими, нарушается проницаемость клетки, а белкам всё сложнее сохранять правильную структуру и функционировать должным образом.
Ещё в 1970-х появилась гипотеза, что слабым местом эукариот могут быть мембраны органелл. Эукариотической клетке недостаточно поддерживать одну внешнюю мембрану: внутри неё есть митохондрии, ядро, эндоплазматический ретикулум и целая система других мембранных структур, которых нет у прокариот. Предполагалось, что при очень высокой температуре становится особенно сложно сделать все эти мембраны одновременно стабильными и функциональными.
Но за полвека окончательного подтверждения эта идея так и не получила.
Совсем недавно появилась гипотеза так называемых внутренне неупорядоченных белков. Это белки без жёсткой пространственной структуры и у них нет одной фиксированной формы, а есть гибкие, "разболтанные" участки, которые как раз и позволяют клетке собирать временные структуры и быстро их перестраивать. У эукариот таких белков намного больше, чем у бактерий и архей, и они играют куда более важную роль в управлении клеткой, а структура таких белков удерживается менее прочными связями, которые легче разрушаются при высокой температуре.
Вообще, гипотеза про белки кажется довольно логичной. У эукариот на белках держится и транспорт, и движение клетки, а сама белковая сеть на порядок сложнее, чем у бактерий и архей. Чем больше движущихся частей - тем больше шансов, что где-то что-то сломается при перегреве. Хотя вряд ли всё дело в одной конкретной детали, которая рушится ровно при 60°C, и скорее это сумма сразу нескольких ограничений.
И что тогда такого особенного в огненной амёбе?
В любой непонятной ситуации - секвенируй геном, подумали учёные и отсеквенировали геном найденной амёбы. Оказалось, что значительную часть своих эволюционных усилий Incendiamoeba, похоже, действительно вложила именно в поддержание белков в рабочем состоянии.
У неё расширены семейства генов, связанных с протеостазом - системой контроля за правильным сворачиванием, состоянием и утилизацией белков. Особенно выделяются малые белки теплового шока HSP20 и другие молекулярные шапероны. При перегреве такие белки помогают другим белкам не потерять структуру и не слипнуться в бесполезные агрегаты.
Но дело не только в «ремонтной бригаде». Сами белки Incendiamoeba тоже оказались необычными. Белков с предсказанной температурой плавления выше 60°C у неё оказалось примерно в пять раз больше, чем у ближайшего родственника, не способного жить при такой высокой температуре. Кроме того, поверхность её белков отличается по аминокислотному составу.
Распределение предсказанных температур плавления белков (Tm) I. cascadensis и V. vermiformis (близкого вида). Пунктирные линии обозначают средние значения для каждого вида.
А ещё у амёбы усилены системы клеточной сигнализации, ответа на окислительный стресс и поддержания стабильности генома. Получается не одна волшебная мутация, превратившая обычную амёбу в экстремофила, а целый набор перестроек.
При этом важно отметить, что Incendiamoeba не просто терпит горячий источник, пока не представится возможность уползти куда-нибудь попрохладнее. Это её вполне комфортная ниша.
Там она охотится на термофильных бактерий, а температура, смертельная для большинства других эукариот, заодно избавляет её от значительной части конкурентов и хищников. В общем, живет свою лучшую жизнь, чего и вам желаю.
Осенний хлад дохнул, а значит, самое время для истории про кашель. Осенью кашель - дело обычное, но иногда поиски его причины превращаются в настоящий детектив.
В 2018 году в Бристоле к врачам попал 58-летний мужчина. Уже около года его мучили сухой кашель и всё усиливающаяся одышка. Он не курил, работал инженером-электриком, то есть никаких очевидных причин для такого состояния не было.
Врачи, конечно, провели ему обследование, и оно показало, что проблема и правда есть. Объём лёгких пациента был уменьшен, а на компьютерной томографии обнаружились участки так называемого «матового стекла». В итоге врачи поставили диагноз - гиперчувствительный пневмонит.
КТ лёгких при гиперчувствительном пневмоните. Изображение иллюстративное, снимка пациента из истории в доступе нет. Фото: Mluisamtz11 / Wikimedia Commons.
Гиперчувствительный пневмонит - это не инфекция, а иммунная реакция, чем-то напоминающая аллергию**. Она возникает, когда человек снова и снова вдыхает определённые антигены, а иммунная система слишком активно на них реагирует. Источником могут быть плесневые грибы, бактерии, белки птиц и другие вещества из окружающей среды.
И врачи начали искать источник. Они расспрашивали пациента о типичных для гиперчувствительного пневмонита контактах, например, не работает ли он на ферме, не пользуется ли джакузи, нет ли дома перьевых одеял. Возможно, расследование продолжалось бы ещё долго, если бы в какой-то момент пациент не сказал, что ему пора уходить, ведь он опаздывал на репетицию.
Оказалось, что мужчина играл в духовом оркестре на тенор-горне.
Кто живёт внутри горна?
Если задуматься, духовой инструмент - отличное место для размножения микроорганизмов. Внутрь постоянно поступает тёплый влажный воздух, конденсируется вода, попадает слюна, а добраться до некоторых внутренних поверхностей при чистке непросто.
И действительно, у врачей накопилась небольшая коллекция случаев, когда гиперчувствительный пневмонит описывали у саксофонистов, тромбонистов, фаготистов и даже волынщиков. В их инструментах находили плесневые грибы, дрожжи и нетуберкулёзные микобактерии. А во Франции как-то провели исследование, в котором проверили инструменты 40 музыкантов, игравших на саксофоне, кларнете, гобое и фаготе. Грибы обнаружили в 95% инструментов, причём в 75% нашли как минимум три разных вида.
То есть грибки в духовых инструментах - проблема и правда распространенная, но вернемся к нашему герою. Пациент сообщил, что исправно промывал инструмент и даже использовал специальное средство. Но врачи всё равно решили проверить горн. Для этого из разных его частей взяли образцы и отправили на микробиологическое исследование.
И та-дам, разгадка нашлась. На чашках с питательной средой, куда были помещены образцы из горна выросло большое количество одного и того же гриба - Purpureocillium lilacinum.
Источник: Davidson et al., 2019, QJM: An International Journal of Medicine. Собственно, тот самый горн (а) и выросшие колонии грибка.
P. lilacinum - широко распространённый гриб, который встречается в почве и других компонентах окружающей среды. Но при регулярном вдыхании его антигены могут провоцировать иммунную реакцию, что, по мнению врачей, и произошло с нашим музыкантом. Пациенту назначили противовоспалительную терапию преднизолоном, а с заражённым горном врачи посоветовали попрощаться и больше на нём не играть. И это сработало! Через несколько месяцев одышка заметно уменьшилась, а на КТ стало меньше участков «матового стекла» и других характерных изменений. Пациент купил новый тенор-горн, и, казалось бы, на этом история должна была закончиться.
Возвращение симптомов
Но через шесть месяцев похожие симптомы опять появились. Пациент вновь пошел к врачам и обследование подтвердило возвращение гиперчувствительного пневмонита.
Но откуда? Ведь мужчина играл на совершенно новом инструменте. Врачи взяли образцы уже из него и снова обнаружили большое количество Purpureocillium lilacinum. Вместе с этим обнаружилась ещё одна интересная деталь. Сын пациента тоже играл на духовом инструменте - корнете. Отец и сын чистили свои инструменты вместе, поэтому врачи проверили корнет и....в нём тоже нашли тот же грибок.
Два разных инструмента одного человека последовательно заселяет один и тот же гриб. Видимо, проблема вообще не в самих инструментах, и где-то должен существовать постоянный источник, из которого гриб попадает в них снова и снова. Под подозрение попало даже средство, которым семья мыла инструменты - вдруг гриб находился прямо в нём и при каждой чистке снова заселял горн и корнет?
Но средство оказалось чистым. Тогда врачи снова начали подробно расспрашивать пациента о том, как именно он ухаживает за инструментом. Выяснилось, что моет он его в ванной. А когда врачи приехали домой, чтобы взять образцы с ванны и кранов, обнаружилась последняя и совершенно неожиданная деталь...
У семьи была собака
Какая именно собака - неизвестно, так что представим ее вот так.
По воскресеньям семья отправлялась с собакой гулять, а после прогулки её мыли в ванне. Воду сливали, а спустя несколько часов в этой же ванне мужчина мыл свой тенор-горн. Почему это оказалось важно? Purpureocillium lilacinum широко распространён в почве. Авторы предположили, что после прогулки собака приносила гриб домой, при мытье он попадал в ванну, а уже оттуда - в музыкальные инструменты.
Тут должна отметить, что собаку исследователи все таки называют "вероятным переносчиком" и это не доказанный факт, ведь исследователи не проследили цепочку от почвы через собаку до инструмента. Но тем не менее публикацию о продолжении расследования они уверено назвали The Curious Incident of the Dog in the Bath Tub - «Загадочный случай с собакой в ванне». Но даже если собака и не была «виновником», то все равно бытовой путь передачи остается наиболее вероятным.
И что, играть на духовых инструментах опасно?
Не особо, ведь гиперчувствительный пневмонит остаётся редким осложнением, а восприимчивость к антигенам сильно различается между людьми.
Помните исследование, где в 95% инструментов нашли грибы? Так вот у 80% музыкантов нашли антитела к грибам, соответствовавшим тем, которые росли в их собственных инструментах. То есть иммунная система музыкантов действительно с ними встречалась. При этом сами участники исследования были здоровы, а значит наличие грибов и даже антител к чему-то ещё не означает болезнь.
**Дабы меня не распяли иммунологи! гиперчувствительный пневмонит действительно относится к реакциям гиперчувствительности, но это не классическая IgE-опосредованная аллергия вроде поллиноза или крапивницы. Здесь задействованы другие механизмы, ведь в иммунном ответе участвуют специфические IgG и иммунные комплексы, а также T-лимфоциты. В лёгких может развиваться гранулематозное воспаление, то есть формироваться скопления иммунных клеток - гранулёмы.
А если интересно, как вообще можно диагностировать бактерий дома без похода в поликлинику - заходите в мой тг-канал, там как раз свежий пост об этом.
В апреле 1979 года в Свердловске начали происходить странные вещи. В больницы один за другим поступали люди с тяжёлым заболеванием, причину которого поначалу никто не понимал.
Сначала симптомы выглядели довольно неспецифично - высокая температура, слабость, кашель, боль в груди. Можно было подумать о тяжёлой респираторной инфекции, но болезнь развивалась очень быстро. Состояние пациентов резко ухудшалось, появлялись одышка, шок, кровоизлияния. Многие заболевшие умирали всего через несколько дней после появления первых симптомов.
Было совершенно непонятно, что связывает этих людей и почему они начали заболевать практически одновременно. Врачи, конечно, искали причину, проводили анализы, вскрытия погибших и вскоре получили довольно неожиданный ответ.
Причиной вспышки заболевания стала сибирская язва. Но загадка становилась только интереснее. Сибирская язва посреди крупного промышленного города? Откуда она вообще взялась в Свердловске?
Возбудитель
Cибирская язва - прежде всего инфекция травоядных животных, которую вызывает бактерия Bacillus anthracis. В неблагоприятных условиях её вегетативные клетки образуют чрезвычайно устойчивые споры, способные десятилетиями сохраняться в окружающей среде. Человек обычно заражается не от другого человека, а при контакте с больным животным или продуктами животного происхождения.
Споры устойчивы к высыханию, холоду и другим неблагоприятным условиям и способны сохраняться в почве десятилетиями.
Причём в зависимости от того, куда именно попали споры, болезнь может выглядеть совершенно по-разному.
Чаще всего встречается кожная форма. Споры проникают через повреждения кожи, а на месте заражения постепенно появляется характерная язва с чёрным центром. Это самая распространённая и наиболее благоприятная форма. Без лечения от неё погибает до 20% заболевших, но при своевременной антибиотикотерапии летальность очень низкая.
Если съесть заражённое мясо, может развиться желудочно-кишечная форма. Проявляется она болью в животе, рвотой, диареей и поражением кишечника. Эта форма уже значительно опаснее и без лечения она может приводить к смерти более чем в половине случаев.
А есть третий и самый необычный вариант - ингаляционная сибирская язва. Она возникает, когда человек вдыхает достаточно мелкие частицы со спорами B. anthracis. Споры достигают нижних отделов дыхательных путей, захватываются иммунными клетками и попадают в лимфатические узлы грудной клетки. Там бактерии начинают размножаться, инфекция распространяется по организму, развивается тяжёлое поражение средостения с отёком и кровоизлияниями, сепсис и шок.
Это самая опасная из основных форм заболевания. Без лечения ингаляционная сибирская язва почти всегда смертельна. Но даже при современной интенсивной терапии и антибиотиках выживаемость составляет лишь около 55%.
Так откуда тогда взялась вспышка посреди большого города?
Официальное объяснение властей заключалось в том, что в город попало мясо заражённых животных. И это звучало довольно правдоподобно, ведь B. anthracis встречается у сельскохозяйственных животных, человек может заразиться от них - то есть ничего необычного. Но несостыковки начались на этапе вскрытия тел погибших.
Одними из ключевых людей в этой истории стали свердловские патологоанатомы Фаина Абрамова и Лев Гринберг. Во время эпидемии они проводили вскрытия погибших, а позднее подробно проанализировали 42 случая.
У всех 42 погибших обнаружили характерное поражение лимфатических узлов и тканей между лёгкими - сильное воспаление, отёк и кровоизлияния. То есть именно то, что характерно для ингаляционной сибирской язвы. Поражения желудочно-кишечного тракта у части погибших тоже были, но их расположение и характер указывали на то, что они могли возникнуть уже вторично, после того как инфекция распространилась по организму с кровью.
С версией про заражённое мясо такая картина вязалась плохо. Зато прекрасно соответствовала заражению через дыхательные пути. Но если люди вдохнули споры, то откуда они взялись в воздухе Свердловска? Для поиска ответа понадобилось 13 лет.
Откуда дует ветер?
В 1992 и 1993 годах группа американских и российских исследователей во главе с гарвардским молекулярным биологом Мэтью Мезельсоном приехала в Екатеринбург.
Экспедиция Мэтью Мезельсона в Свердловске, 1992 год. Исследователи вместе со смотрителями кладбища отмечают места захоронения жертв вспышки. Источник: Meselson CBW Archive, Harvard University
Исследователи разыскивали семьи погибших и опрашивали их. Мезельсон позднее рассказывал, что команда опросила семьи 43 погибших, пытаясь установить не только домашний адрес человека, но, что гораздо важнее, где он находился днём в начале апреля 1979 года.
Почему это важно? Представим человека, который жил на другом конце Свердловска, но каждый день ездил работать на завод возле военного городка. Скорее всего, в рабочие дни днём он находился довольно далеко от домашнего адреса, а значит, и заразиться мог совсем в другом месте.
Поэтому исследователи отмечали на карте и место жительства, и место работы жертв. Конечно, отдельно учитывались люди, находившиеся в отпуске, пенсионеры, безработные и военные резервисты. А затем эти данные нанесли на карту и увидели очень странную картину.
Источник: Meselson et al., 1994, Science
Большинство людей в момент предполагаемого заражения находились внутри очень узкой зоны, протянувшейся через южную часть города. И начиналась эта зона практически у одного весьма примечательного места - военного городка №19.
За его ограждением располагался военный научно-исследовательский комплекс, работавший в том числе с Bacillus anthracis. То есть с той самой бактерией, которую обнаруживали в тканях погибших. Совпадение? Уже выглядит подозрительно. Но одного такого совпадения всё ещё недостаточно и нужен был какой-то независимый след.
И такой след нашёлся, но не среди людей. Исследователи посмотрели, что происходило весной 1979 года за пределами Свердловска. Оказалось, что в деревнях южнее города в то же время от сибирской язвы погибали коровы и овцы. Когда эти случаи нанесли на карту, они оказались примерно на продолжении той же узкой полосы. След заболевания тянулся от города на десятки километров.
Случаи заражения животных сибирской язвой. Источник: Meselson et al., 1994, Science
Такую географию вспышки версией о заражённом мясе объяснить становилось всё труднее. Оставалось поднять старые метеорологические данные и оценить направление ветра.
И ветер стал новой уликой. Незадолго до начала вспышки ветер дул от военного объекта на юг, практически вдоль той самой линии, на которой находились заболевшие люди и животные.
Ну и тут пазл наконец сложился. Именно сочетание этих трёх независимых наблюдений - расположения людей, случаев среди животных и метеоданных, позволило группе Мэтью Мезельсона в 1994 году сделать вывод, что причиной эпидемии был аэрозольный выброс B. anthracis из военного объекта.
Что вообще представлял собой этот объект?
Военный городок №19 - это не просто одна секретная лаборатория, а довольно большой закрытый комплекс на южной окраине Свердловска. Он появился после войны, в конце 1940-х годов, в Чкаловском районе города. На его территории находились военный НИИ микробиологии и производственная площадка, где занимались военной микробиологией. К 1970-м годам одним из ключевых объектов работы стал Bacillus anthracis.
«Городок» действительно был городком. Согласно материалам расследования Мезельсона, в нем находилось множество зданий, в том числе четырёх- и пятиэтажные жилые дома примерно на 5000 жителей. То есть совсем рядом с секретным производством жили военнослужащие, сотрудники и их семьи.
И ученые здесь не просто изучали бактерию, как патоген. В Свердловске-19 (так называли закрытый городок) существовала производственная линия для получения сухих спор, пригодных для военного применения. Именно поэтому воздух, выходивший из производственных помещений, должен был проходить через систему фильтрации. Но, в один момент, видимо, что-то пошло не так.
Доподлинно неизвестно, что именно произошло с системой фильтрации. Наиболее известная версия появилась из позднейших свидетельств людей, связанных с советской программой. Согласно ей, во время технического обслуживания из системы вытяжной вентиляции сняли защитный фильтр. Информация о снятии фильтра не была должным образом передана следующей смене, производство запустили, и часть аэрозоля со спорами вышла наружу.
Возможно, конкретный механизм аварии был другим, но одно стало понятно - именно выброс спор из военного городка №19 стал причиной вспышки.
На этом история не закончилась
В 1992 году российские власти впервые публично признали, что причиной вспышки была авария на военном объекте. А через десятилетия учёные смогли получить ДНКBacillus anthracis из сохранившихся образцов тканей людей, умерших во время вспышки, и реконструировать геномсвердловского штамма.
Его сравнили с большой коллекцией геномов B. anthracis со всего мира. Оказалось, что свердловский вариант относится к Tsiankovskii subclade группы TEA 008/011 и особенно близок к нескольким известным азиатским лабораторным и вакцинным линиям, включая российский штамм Tsiankovskii.
Здесь образцы из Свердловска-19 обозначены как Svd1 и Svd2. Источник: Источник: Wysocki et al., 2016, mBio
Но это вовсе не означает, что «военные использовали вакцинный штамм». Авторы осторожно отмечают, что близость лабораторных линий может объясняться их происхождением от когда-то общего исходного материала.
Но главный вопрос другой - сделали ли советские учёные «суперсибирскую язву»? К моменту публикации уже было известно, что советская программа биологического оружия занималась в том числе генетическими манипуляциями с B. anthracis. Поэтому авторы специально искали признаки того, что свердловский производственный штамм мог быть модифицирован - например, чтобы получить устойчивость к антибиотикам или снизить эффективность вакцин.
Иничего такого в геноме не обнаружили.
Генетически свердловский штамм выглядел как вполне обычный природный вирулентный B. anthracis. Исследователи не нашли признаков инженерных изменений, которые могли бы объяснить устойчивость к антибиотикам или способность обходить существующие вакцины.
Конечно, по одному «сбежавшему» штамму невозможно судить обо всём, что разрабатывалось в закрытых лабораториях военного городка №19. Но конкретно бактерия, ставшая причиной Свердловской вспышки 1979 года, никакой «суперсибирской язвой» не была. Она была вполне обычной, но от этого не менее смертоносной.
Больше микробов — в моём ТГ-канале microbblog. Недавно там разбирались, откуда у коал хламидиоз и что происходит с микробиомом кишечника у любителей кофе.
Ну что, вот и осень! Думаю, многие уже успели сходить за грибами. Я тоже не осталась в стороне. И в одну из поездок встретила на трухлявом пне вот это желтое нечто.
Ярко-жёлтая масса, похожая не то на слизь, не то на чьи-то продукты жизнедеятельности. Выглядит как очень странный гриб, растёт там же, где грибы, и (маленький спойлер) тоже размножается спорами, как и грибы.
Но нет! Это не гриб и не бактерии. Это слизевик. Судя по всему, Fuligo septica, которую в народе зовут «ведьминым маслом». А в английском, кстати, «собачей рвотой», что, кажется, больше подходит его внешнему виду:)
Что за зверь такой - слизевик?
Когда-то слизевиков и правда относили к грибам, но разобрался с ними Антон де Бари. В 1859 году он вывел слизевиков из грибов и предложил для них название Mycetozoa, «грибо-животные». Ведь организм ведёт себя то как гриб (образует споры), то как животное (двигается и охотится).
Например, тот ярко-жёлтый слизевик, которого я встретила в лесу, находился на стадии плазмодия, который умеет ползать. По сути, это одна огромная живая клетка с множеством ядер внутри. Плазмодий медленно перетекает по древесине и лесной подстилке, огибает препятствия и ищет места, где побольше еды. Убегать от него, конечно, не придётся, но за несколько часов он вполне способен заметно переместиться.
Питается слизевик тоже совсем не по-грибному. Грибы переваривают пищу снаружи, выделяя в окружающую среду ферменты, а затем всасывают получившиеся вещества. Слизевик может просто захватывать бактерии и другие микроскопические частицы целиком. Хотите посмотреть на слизевика за обедом? На этом таймлапсе слизевик Physarum polycephalum наползает на гриб и поедает его гифы.
Получается странное сочетание. Слизевик ползает и питается как амёба, а спорами размножается, как гриб. Но похожий образ жизни ещё не делает родственниками, и грибники знают это лучше других: ложные опята настоящим не родня, хотя с виду и не скажешь. Настоящее родство теперь определяют по ДНК и вот слизевик оказался ближайшим родственником амёб. А грибы стоят на совсем другой ветви (Opisthokonta), причём, как ни странно, рядом с животными. Обычная сыроежка приходится нам с вами более близкой роднёй, чем слизевику.
Очень упрощенная схема современного дерева жизни. Слизневики (миксомицеты) тут ярко-желтые.
Кстати, «слизевик» это не имя группы, а описание внешности, что-то вроде слова «трава». Похожим образом устроены несколько совсем разных организмов, и родства между ними примерно столько же, сколько между грибом и берёзой. И то, что написано здесь, по большей части касается самых заметных из слизевиков - миксомицетов, тех самых родственников амёб.
Один другого краше
Ну, хватит теории, давайте смотреть картинки! Слизевики бывают совершенно разных форм и цветов. Встречали такие розовые шарики на трухлявой древесине, похожие то ли на жвачку, то ли на икринки?
Фото: George Chernilevsky / Wikimedia Commons / CC BY 4.0
Это ликогала (Lycogala), один из самых распространённых слизевиков в России. Молодые спороношения бывают ярко-розовыми, а по мере созревания темнеют. Причём Lycogala epidendrum попала в поле зрения натуралистов очень рано. Её отмечали в окрестностях Петербурга ещё в публикации XVIII века, правда, под другим именем.
А вот такие красные пушистые цилиндры - это не кораллы посреди леса, а слизевик арцирия голая (Arcyria denudata).
Фото: Fluff Berger / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0
Ярко-розовые ёршики - это как раз спороношение. Выглядит экзотикой, а на деле один из самых обычных миксомицетов Северного полушария. Его находят и в лесопарках Москвы, и в Кировской области, и вообще почти на любом подходящем гнилом бревне. Я пока не встречала, но очень хотела бы посмотреть вживую.
А если вдруг увидите ярко-оранжевые блестящие бокальчики на тонких ножках, будто кто-то рассыпал по бревну леденцы на палочке, то скорее всего перед вами трихия обманчивая (Trichia decipiens).
Фото: Miranda Kohout / Wikimedia Commons / CC0
В России её точно не назовёшь редкостью. Например, в Рдейском заповеднике Новгородской области она вошла в число наиболее распространённых видов.
Кстати, возможно, у вас возник вопрос. А почему они такие яркие? Точного универсального ответа нет. Цвет слизевика зависит от его пигментов и стадии развития и может меняться буквально на глазах. Розовые и жёлтые молодые спороношения по мере созревания часто становятся серыми, бурыми или почти чёрными. Некоторые пигменты, вероятно, помогают защищать клетки от света и окислительного стресса. А вот красоваться перед грибниками и животными для распространения слизевики, судя по всему, не планировали. У основной массы споры разносит воздух.
Но помимо необычного внешнего вида слизевикам есть чем удивить! Например, Physarum polycephalum прославился тем, что без мозга и единого нейрона способен находить эффективные пути к источникам пищи и строить удивительно рациональные дорожные сети.
В знаменитом эксперименте учёные разложили пищу в точках, соответствующих Токио и соседним городам, а с помощью освещения имитировали географические ограничения местности. Слизевик постепенно соединил «города» сетью, которая по эффективности оказалась сопоставима с реальной железнодорожной сетью региона.
Слева - сеть, построенная Physarum polycephalum, С - её схема, D - реальная железнодорожная сеть региона Токио.Tero et al., Science (2010).
Так что во время тихой охоты иногда стоит смотреть не только под ноги и по сторонам, но и на старые пни. Рядом с грибами там можно встретить не менее удивительных существ.
А вы находили в лесу слизевиков? Если да, пишите каких!
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.
Обычно я тут пишу про малюсенькие бактерии. Но лето - время отпусков и путешествий, поэтому сегодня речь пойдёт про нашу спонтанную поездку в Казахстан, на плато Мангистау. Это место, где из меловых отложений древнего океана ветер и редкая вода вырезали горы и каньоны. А сегодня туда может доехать любой желающий - что мы и сделали.
Итак, после самолета до Актау и двух с половиной часов оттуда на машине переносимся в бескрайние и безлюдные степи.
Эти маленькие горы очень напоминают юрты.
По рассказам местных, еще несколько лет назад степь в этом месте была абсолютно голой и белой, но климат меняется и сегодня растительный покров отвоевывает свое место под солнцем. А солнце тут надо сказать очень палящее и жаркое.
Немного о месте. Мангистау - это область на западе Казахстана, на восточном побережье Каспийского моря. Основная причина, по которой большинство туристов со всего мира сегодня едут сюда - это обнажившееся дно бывшего океана Тетис. Тетис существовал от ~250 до ~50 миллионов лет назад, занимая полосу от современной Испании до Юго-Восточной Азии, и постепенно закрылся, когда Индийская плита врезалась в Евразийскую. Сейчас остатки Тетиса - это Средиземное, Чёрное, Каспийское и Аральское моря.
Палеогеографические реконструкции от начала (поздний триас, 200 миллионов лет назад) до конца существования океана Тетис (поздний мел, 90 миллионов лет назад). Красными линиями обозначены основные зоны субдукции (границы сходящихся литосферных плит).
Породы, которые видны в Мангистау, образовались как осадки на дне тёплого мелководного моря. Среди них в основном мел из раковин и скелетов микроскопических планктонных водорослей и фораминифер и известняк - из более крупных морских организмов. Дальше плато медленно поднималось, ветер и редкие дожди миллионы лет точили мягкие породы, оставляя более твёрдые в виде гор и каньонов.В породах и сегодня находят окаменелости: аммониты, белемниты, зубы акул, а иногда и позвонки морских ящеров.
Ну что же, историческая справка получена, перейдем к видам. Первым у нас на очереди был Кызылкуп - полосатые горы, к северу от Бозжыры. У туристов получил название "тирамису" и не зря. Говорят, что цвет лучше всего виден утром и под пасмурным небом. Однако мы были на ярком полуденном солнце и все равно получили эффект "вау".
Каждая полоса — отдельная эпоха осадконакопления.
И правда, как будто кто-то рассыпал сверху на тирамису какао.
Перемещаемся дальше, а степь становится все суше и суше. Воды было выпито немеренно. Учитывая, что температура в нашу поездку была около 30 градусов, я боюсь представить ощущения в +40. Настоящая Долина смерти без поездки в Америку.
Немного текстур
И следующая на очереди - гора Бокты. Известна она тем, что изображена на купюре 1000 тенге. Фото в доказательство:) В этом месте тишина была буквально звенящая. До ближайшего населенного пункта десятки километров.
Уровень засушливости можно оценить по фото
Ну а дальше перемещаемся к главной точке нашей поездки. Бозжыра - пожалуй самый узнаваемый вид Мангистау. Высота местами достигает 200 м, масштабы поистине огромные. Сначала добираемся до первой панорамы. Причем сюда можно добраться только на джипе, а потом еще полчаса пешочком в гору. Но виды того определенно стоят!
Подбираемся поближе
Эти известняковые останцы получили название "клыки". Собственно, как и в случае "тирамису", название вполне логичное.
В этот момент и правда чувствуешь себя где-то на другой планете. Только голубое небо и облака выдают земное окружение.
Еще немного инопланетных пейзажей
И наконец добираемся до последней точки - самой популярной панорамы "Кораблик".
Здесь вот туристов было уже побольше. Но тем не менее, все равно оставалась возможность созерцать виды в относительной тишине и уединении. Ветер тут, кстати, очень сильный, что добавляет атмосферы.
Вот такая получилась поездка. Честно говоря, для меня большим открытием стало существование такого места в Казахстане. Но, судя по обилию иностранных туристов, направление активно развивается и это здорово.
И напоследок немного красивого мордовника на берегу Каспийского моря (или озера, тут кому как нравится). Мы в нем конечно искупались, несмотря на прохладную температуру, потому что какой отпуск без моря!
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.
![Диатомеи, обнаруженные во внутренних органах погибших от утопления и в воде с места происшествия.[Tambuzzi et al., 2022, International Journal of Legal Medicine, 136, 1745–1754]](https://cs4.pikabu.ru/s/2026/09/28/22/yfo36aq7.jpg)
