Всегда считалось, что единица живого — это отдельный организм. Для человека — человек, для белочки — белочка. Но с микробами история немного другая. Например, есть такое явление — апоптоз. Клетка многоклеточного организма совершает самоубийство, чтобы её компоненты и энергия достались соседям. Недавно выяснили, что и у бактерий есть апоптоз. Встаёт вопрос: если единица живого у бактерий — это бактерия, то ради кого она совершает самоубийство? Возможно, единица живого для них — не одна клетка, а колония, в которой происходит дифференцировка различных тканей как в многоклеточном организме. Лаборатория Андрея Шестакова исследует эти и другие аспекты существования микроорганизмов, делая основной акцент на практическом применении. Среди их разработок: пробиотики для космонавтов, микробный препарат, утилизирующий нефть, микробные топливные элементы, перерабатывающие отходы и производящие электричество. Андрей Шестаков рассказал над чем работает лаборатория.
О лаборатории
О своей лаборатории я мечтал, ещё когда был студентом. Хотел, чтобы в ней царила настоящая молодёжная атмосфера. В 2002 году, когда я окончил университет, для науки было мрачное время. Работать можно было только на иностранные гранты, получить которые было сложно: нужен был партнёр за границей, с которым ты длительное время сотрудничаешь. Затем, в 2007 году, в России появилась Программа поддержки молодых учёных, по которой было возможно получать гранты на конкретные разработки, и это всё изменило. Я получил свой первый грант, который позволил мне создать собственную лабораторию, нанять сотрудников, купить необходимое оборудование. То, что система грантов существует, — очень важно, потому что другого источника ресурсов у учёных нет. Венчурные фонды отказываются с нами разговаривать: научная разработка — всегда эксперимент, и весьма рискованный. Учёный собирается получить некий результат, но у него нет гарантий, что это наверняка получится.
Управление лабораторией напоминает ведение бизнеса. Тоже нужно искать деньги, определять бюджет, распределять ресурсы, формировать и мотивировать команду. Это колоссально трудная работа — всегда висишь на волоске. Через год у тебя заканчивается грант, и если ты не выиграешь новый, то не сможешь платить зарплату, команду придётся распустить, а в одиночку ничего не сделаешь. Условия жёсткие, но правильные. В них выживает только молодёжь, умеющая работать в высококонкурентной среде.
Как мы работаем с микробами
Чтобы найти нужный микроб, есть два подхода: один дорогой и современный, второй — более привычный и дешёвый. В первом случае мы знаем, какой последовательностью нуклеотидов закодирована в ДНК микроба необходимая функция, — например фермент, перерабатывающий нефть. Мы берём образец любой почвы, где всегда содержится невероятное разнообразие микробов, и благодаря хроматографу анализируем попавшиеся последовательности ДНК — ищем, есть ли нужный экземпляр. Если нашли, начинаем выделять необходимых микробов. Благодаря знанию ДНК микроорганизма мы понимаем, какие условия по еде и содержанию ему нравятся, — его мы кормим, а остальных убиваем.
Второй подход к поиску более прямолинейный. Допустим, нам нужен микроб, который живёт на холоде и питается нефтью. Анализируем места на Севере, где часто проливаются нефть, мазут, солярка. Едем, к примеру, в Мурманск и в местном порту, где весь берег измазан дизельным топливом, берём пробы. Там обязательно будут микробы, которые давно привыкли питаться нефтью. Мы привозим их в лабораторию и начинаем исследовать.
Чтобы работать с микробами, необходимо создать им комфортные условия для жизни и размножения. Для этого их помещают в питательную среду и содержат при определённой температуре. Питательную среду мы сначала должны простерилизовать в автоклаве, который нагревает её до температуры 120 градусов. Благодаря фильтрации воздуха над ламинарным боксом (рабочий стол микробиолога) создаётся полностью стерильная атмосфера, так что можно вносить микробов в питательную среду, не опасаясь попадания чего-то лишнего. Чашки Петри и сосуды с микробами помещаем в термостаты, в которых поддерживается нужная температура. Колонии микробов постепенно размножаются, и мы то и дело перемещаем их в новые питательные среды, так как в прежних для них не остаётся еды, а продуктов метаболизма становится слишком много. Подобный процесс называется «периодическое культивирование».
Параллельно исследуем поведение микробов, ставим эксперименты и, благодаря хроматографу и другому аналитическому оборудованию, понимаем, как оно меняется. Хотя мы и можем прочитать геном бактерий, но целиком понять систему их работы и предсказать поведение пока не в состоянии. Они похожи на чёрный ящик, данные которого не удаётся расшифровать полностью. Геном микроорганизмов в 360 раз больше, чем наш. Это значит, что они потенциально могут в 360 раз больше, чем люди, легче приспосабливаются к новым условиям, вырабатывают новые функции. Наша лаборатория пытается разобраться, как заставить микроорганизмы работать на пользу человека, например улучшать здоровье, вырабатывать электричество, уничтожать разливы нефти.
О пробиотиках
Первая разработка лаборатории была связана с созданием пробиотика для людей, работающих в экстремальных условиях: космонавтов, сотрудников МЧС, рабочих буровых платформ. По многим причинам состояние их микрофлоры нарушается: в кишечнике начинаются воспалительные процессы, количество полезных микроорганизмов сокращается, а патогенных — растёт. Мы создали ассоциацию микроорганизмов, которую можно в виде порошка взять с собой на космическую станцию, развести в воде и получить кисломолочный продукт, восстанавливающий микрофлору кишечника. Мы уже проверили, как такие бактерии ведут себя на орбите, как на них влияют отсутствие гравитации и космическая радиация, — всё прошло здорово. Закваску можно использовать и для домашнего применения, она продаётся в магазинах.
На самом деле, потребление большого количества микроорганизмов заложено в человеке изначально. Мы приспособлены к тому, чтобы постоянно получать разные хорошие микробы вместе с пищей. Раньше у людей был один-единственный способ сохранения продуктов питания — естественное консервирование, учёные называют этот метод микробной ферментацией. Молоко сквашивали, виноград сбраживали, делали маринады. Во время таких процессов в продукте появляется огромное количество микробов. Период, в течение которого продукт можно было съесть свежим, был коротким, из-за этого основной рацион человека состоял из переполненной микробами пищи. Сейчас мы храним продукты совсем иначе — замораживаем, консервируем — и в результате едим очень мало полезных микробов. А консерванты, среди прочего, ещё и уничтожают микрофлору. Поэтому употребление пробиотиков — хороший способ восстановить важную физиологическую функцию, которой мы практически лишились.
Как микробы помогают нам жить
Абсолютно у всех животных имеются микробные симбионты. Раньше считалось, что микробы просто доедают объедки с нашего стола. Но затем стало ясно, что у нас с ними полноценные партнёрские отношения. Они кормят наш кишечник, регулируют некоторые функции организма и даже влияют на поведенческие моменты. Если человека простерилизовать, то он, конечно, не умрёт сразу, но качество жизни резко ухудшится. Например, слизистая кишечника на 70 % питается веществами, которые производят микробы, поэтому если вы съели безвредный для вас, но смертельный для бактерий антибиотик, то в кишечнике может образоваться язва. Чтобы симбионты жили, о них необходимо заботиться: для этого нужно есть много растительной пищи. Может, вы сами из листьев сельдерея получите немного, а вот микробов накормите клетчаткой, и они в ответ накормят ваш кишечник.
Микробы индивидуальны для каждого человека — у каждого свой неповторимый набор. Дружественные микробы покрывают нас защитной биоплёнкой, через которую сложно пройти патогенным микроорганизмам. Они выделяют вещества, которые, по сути, служат мягким антибиотиком для чужеродных бактерий. Среди таких веществ — бактериоцины и пропионовая кислота. Кроме этого, микробы поддерживают нашу иммунную систему в тонусе. С одной стороны, организм понимает, что эти микробы нормальные, но и в то же время старается держать их под контролем. Таким образом происходит постоянная тренировка перед приходом настоящих патогенов. Как следствие, уровень иммунной системы заметно снижается, если собственных микробов становится меньше.
О российском молоке
Последнее время я слышу много ереси о том, например, что молоко в принципе вредно. Или если оно не скисает через неделю, то оно ненатуральное. Читал, как директор одного молочного производства гордился тем, что у него молоко быстро портится, а у зарубежных производителей хранится по полгода. Это бред, сейчас объясню, почему. Я был на подобных фермах: коровы там утопают в навозе, который попадает в молоко, а вместе с ним попадают бактерии. Даже сквозь установленные стеклянные трубы можно увидеть, когда вместо молока идёт навоз. Понятно, что такое молоко скисает через пару дней.
Длительное хранение стало возможным, когда на смену процессу пастеризации пришла ультрапастеризация. При классической пастеризации молоко долго нагревают до температуры 60–80 градусов, во время чего умирают 99,9 % микробов, но единичные микробы всё же остаются, постепенно размножаются, и молоко скисает. При ультрапастеризации молоко на несколько секунд нагревают до температуры порядка 140 градусов. Во время такого резкого перепада все микробы погибают, а полезные компоненты молока (например, витамины) сохраняются. Эта технология и позволяет молоку храниться долго. Другое дело — качество исходного молока. Если подвергнуть ультрапастеризации молоко низкого качества, оно таким и останется. Вот с этим в России большие проблемы.
Молока у нас много, но почти всё оно плохое. Мы в лаборатории используем только иностранное, потому что с ним всё работает как часы, а как будет с русским — никогда не известно. Качество молока зависит от многих факторов. Во-первых, от генетических данных самих коров. В советское время выводили коров специально для нашего климата. Сейчас часто закупают коров, которые в нашем климате болеют. Во-вторых, важно здоровье коров, которое напрямую зависит от качества их содержания. Когда животные всю жизнь стоят в узком грязном загоне, где не могут развернуться, то о каком здоровье можно говорить? В-третьих, качество корма, которое у нас часто не сбалансировано. Понятно, что если сейчас в России резко ввести требования к качеству молока, подобные европейским, это убьёт отрасль, ведь соответствовать им смогут единицы.
О разливах нефти
Сейчас мы работаем над созданием микробного препарата, который поможет бороться с разливами нефти в Арктике. В коллекции лаборатории есть множество вариантов микробов, питающихся нефтью. Мы должны отобрать те, которые это делают лучше и быстрее остальных. Аналогичные препараты, присутствующие на рынке, во многом неэффективны. Они, во-первых, требуют сложной подготовки: человек должен размешать порошок в бочке с водой, добавить туда питательную среду, поддерживать постоянную температуру, постоянно перемешивать — сложно представить, как этим будет заниматься рабочий буровой станции. Во-вторых, подобные варианты действуют исключительно точечно: получившуюся смесь нужно суметь точно вылить на нефтяное пятно, чтобы она не ушло на дно, а сделать это не так-то просто: нефть постоянно сносит течением. Мы придумали более действенную альтернативу — плавающие гранулы, внутри которых находятся бактерии и еда для них, а снаружи — парафин, который защищает бактерии от воды и растворяется при контакте с пятном нефти. Получается, если у вас разлилась нефть, вы выбрасываете гранулы в воду, и они плывут по течению до тех пор, пока не догонят пятно.
О выработке электричества
Порядка 70 % бытовых отходов составляют органические компоненты. Другие виды отходов, например пластик и стекло, легко поддаются переработке: их можно использовать в качестве нового сырья. С органикой не так. Если её просто закапывать, в ней развиваются патогенные бактерии. Сжигать тоже экологически небезопасно. Мы в лаборатории научились не просто утилизировать органические отходы, но и параллельно получать благодаря этому процессу электричество. Его, конечно, не хватит, чтобы отапливать город, но что-то с ним сделать можно. Например, если установить ведро с нашими бактериями и выбрасывать туда органические отходы, то полученной энергии хватит на зарядку телефона.
Сейчас это лабораторный прототип, и главная наша задача не в том, чтобы сделать маленький девайс для домашнего применения. Нам необходимо понять, как такой процесс можно воссоздать на больших установках. Этап масштабирования — самая болезненная тема для учёных. То, что в бизнесе называют долиной смерти, в научном мире — момент перехода от лабораторного прототипа к промышленному образцу. Ведь поведение микробов в колбе и многотонном баке — это две большие разницы.
