У микроорганизмов есть социальная сеть

Разгадать тайны природы, прочитать послание Байкала, заглянуть внутрь самых крошечных организмов, открыть новые виды – ученые Лимнологического института СО РАН могут решать непростые научные задачи в отделе ультраструктуры клетки. В этом году отдел научного учреждения отмечает свое 30-летие. 17 ноября там прошел день открытых дверей, где побывали коллеги лимнологов из других учреждений науки и наши корреспонденты.

Загадки жизни и смерти диатомей

– Проходите за мной. Здесь у нас работает трансмиссионный электронный микроскоп. На нем можно посмотреть, что происходит внутри клетки. Я изучаю клетки диатомовых водорослей Байкала. Мне важно знать, что бывает с ними при определенных стрессовых факторах, – аспирант отдела ультраструктуры клетки Лимнологического института СО РАН Эльвира Байрамова проводит экскурсию в одном из помещений приборного центра «Электронная микроскопия». Он входит в состав этого отдела учреждения. О предмете своего научного интереса девушка говорит с любовью:

– Диатомовые водоросли – диатомеи – прекрасны и разнообразны. Они составляют большую часть в фитопланктоне Байкала и крайне важны для него. Изменения окружающей среды влияют на эти водоросли, но они хорошо способны адаптироваться – меняют свой метаболизм и молекулярные механизмы для того. Но если изменения сильные, то они умирают.

После окончания бакалавриата биолого-почвенного факультета ИГУ наша собеседница училась в магистратуре в Новосибирске. А вернулась домой именно из-за Байкала. Огромная природная лаборатория притягивает множество ученых и не перестает задавать загадки. Эльвиру, вот, интересует запрограммированная гибель диатомей. У многоклеточных организмов этот процесс изучен лучше: одни клетки, например, из-за вторжения инфекций, жертвуют собой ради спасения большинства. Но почему в толще воды одна относительно независимая клетка решает в связи с чем-то умереть – вопрос.

Микроводоросли объединяются, чтоб не пропасть по одиночке?

На научную работу девушку вдохновляют экспедиции лимнологов по Байкалу, где они отбирают пробы несколько раз в год. Совсем свежие – начала ноября – стоят на подоконнике в лаборатории группы культивирования диатомовых водорослей. В емкостях с водой плавает что-то коричневатое. Это и есть диатомеи.

– Когда образцы привозят с Байкала, их сначала ставят на адаптацию в месте с естественным освещением, – поясняет кандидат биологических наук, руководитель группы Юлия Захарова. – В бутылочке то, что мы поймали в Больших Котах при помощи сети, которая имеет диаметр ячеек 20-25 микрон. Для отбора проб из фотического слоя, то есть – куда проникает – необходимый для развития диатомей солнечный свет – мы погружаем планктонную сеть на глубину 25 метров. И она при поднятии вверх профильтровывает огромное количество воды для получения 50 миллилитров пробы с биомассой планктона.

Ученые после адаптации водорослей при помощи микропипетки по одной отсадят их в другие емкости, а потом каждые четыре недели будут пересевать и проводить эксперименты. Без микроскопа в этом деле, понятно, тоже не обойтись. Здесь он особый – инвертированный. Объективы находятся снизу, что удобнее в использовании.

Еще прибор оснащен приставкой с ультрафиолетом. На экране мы видим нечто похожее на голубые снежинки в окружении множества таких же по цвету пятнышек. «Снежинки» – это диатомовая водоросль  астерионелла формоза. Точнее, ее колонии, их она образует, чтобы парить в воде. А то, что вокруг – бактерии. Такой колор у них из-за специальных красителей – ими микробиологи окрасили ДНК образцов.

Взаимоотношения водорослей и бактерий – тоже крупное направление исследовательской работы. Какие-то микроорганизмы соседствуют мирно, но ученые нашли бактерии, которые подавляют диатомовые водоросли.

Сотрудничество иркутских ученых в изучении ДНК

Роль крошечных диатомей в природе велика. Во-первых, их кремниевые створки сохраняются миллионы лет и дают ученым понять, что происходило в мире в далеком прошлом. Во-вторых, все диатомеи планеты Земля выделяют столько же кислорода, сколько тропические леса.

– По содержанию видового состава диатомовых водорослей в фитопланктоне можно пытаться отследить экологическое состояние той или иной водной системы. Область моих научных интересов – изучение транспорта кремниевой кислоты на примере белков-транспортеров кремния. Также я занимаюсь популяционной генетикой диатомовых водорослей. В изучении клетки мы шагаем глубже и уже работаем с ДНК, РНК, белками, определяем последовательность определенных генов, – говорит научный сотрудник отдела Артем Марченков.

К нему есть вопросы и у экскурсантов из Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН. Они пришли к лимнологам не только посмотреть на работу приборов. С собой биологи СИФИБР принесли образцы митохондриальных белков гороха, которые предстоит проанализировать для научной работы.

 – Нам нужно посмотреть интересующую нас структуру этих белков. Мы узнали какие методы исследований подходят для объекта. Получен определенный задел для нашего будущего сотрудничества. День открытых дверей – очень интересный формат. Мы – ученые разных научных институтов – лучше узнаем друг друга, получаем новую информацию, можем договориться о каких-то совместных исследованиях, – делится впечатлениями старший научный сотрудник СИФИБР СО РАН Ирина Уколова.

Здесь изучали причину гибели нерп

Более 30 высококвалифицированных сотрудников, лаборатория, четыре специализированные группы, современный приборный центр микроскопии, несколько актуальных научных направлений исследований.  Все это находится в ведении заведующей отделом ультраструктуры клетки ЛИН СО РАН, доктора биологических наук, профессора Елены Лихошвай. Она работает в научном учреждении с конца восьмидесятых.

В 1988 году перед всем Лимнологическим институтом встала актуальная и важная задача – определить причину массовой гибели байкальских нерп. Один ветеринар заметил у тюленей симптомы, схожие с собачьей чумкой. Наука стала разрабатывать эту версию. В итоге однозначный вывод ЛИН СО РАН сделал.

– Там работала большая команда ученых, переехавшая вместе с Михаилом Александровичем Грачевым в Лимнологический институт из Новосибирска. Мы же с помощью иммуноэлектронной микроскопии визуализировали вирус в разных тканях, показали, что вирусная инфекция генерализованно поражает все ткани. А до этого молекулярно-биологическими методами было показано, что в нерпе развивается именно морбилливирус чумы плотоядных, – напоминает Елена Лихошвай.

Возможность заражения тюленей этим вирусом Лимнологический институт доказал первыми в мире. Причем тогда приборной базе было далеко до сегодняшних реалий. Елена Лихошвай, например, свои первые исследования в Иркутске проводила на микроскопе, который принадлежал Институту хирургии и стоял в старой школе на улице Трилиссера. Первый мощный сканирующий электронный микроскоп Philips 525-М в ЛИН привезли из Голландии и установили в 1992 году.  С этого момента и началась история формирования отдела.

Тысячи оттенков серого

Прибор, кстати, успешно работает до сих пор. Снятые им изображения микрорельефа омулевой чешуи и циклопа крупным планом на экскурсии продемонстрировал главный специалист по электронике отдела ультраструктуры клетки Виктор Егоров:

– В оптическом микроскопе вы видите цветное изображение. Сканирующая микроскопия – черно-белая. От одной точки отражается больше электронов, от другой – меньше. Получается набор разной степени серости. Все это сливается в картинку. Основная информация – это оттенки серого на этом микроскопе. И здесь их не 50, а тысячи.

Похожий принцип действия у электронного микроскопа Quanta. Он дает увеличение в 100 тысяч раз. Образцы нужно покрывать золотом для лучшей проводимости. Есть здесь и приборы, которые увеличивают объект в 600 тысяч раз. Таких в стране не так уж много. Инициатором этих приобретений был академик Михаил Грачев, который возглавлял Лимнологический институт с 1987 по 2015 годы.

– По цитате Михаила Александровича – если человека увеличить в 600 тысяч раз, то ноги у него были бы в Иркутске, а голова – в Красноярске, – улыбается Елена Лихошвай. – Высокопроизводительный секвенатор нам тоже купили, благодаря инициативе Михаила Грачева. Он всегда высказывал очень смелые идеи. Одна из них была такая: «Давайте расшифруем геном». И мы первыми в мире расшифровали геном пресноводной диатомеи. Мы делали то, что требовало время. Если у исследователей есть специализация и способности, в том числе, педагогические для подготовки, объединения вокруг себя молодых кадров, я старалась выделять их в отдельные группы. Так мы даем ученому возможность карьерного роста.

Сейчас основные объекты исследований отдела – водоросли и бактерии планктона, бентоса и донных отложений озера Байкал и других водоемов Северного полушария.

У бактерий есть своя социальная сеть

Старший научный сотрудник Алена Фирсова изучает хризофитовые, т.е. золотистые водоросли. Их микромир тоже живописен. Эти водные растения образуют колонии и т.н. стоматоцисты различной формы с защитными оболочками, которые по аналогии с диатомеями сохраняются много лет. Одни похожи на шишки, другие – на плафоны, третьи – на ландыши. Увидеть эту красоту, описать виды, и эффектно проиллюстрировать научные статьи позволяет только электронная микроскопия.

А направление, над которым работает молодой ученый ЛИН Иван Михайлов открывает еще больше возможностей – это биоинформационные технологии. Они позволили исследовать одних из самих маленьких обитателей Байкала – бактерий и микроэукариотов. Одну из статей, которую Иван написал вместе с коллегами в 2019 году, ученые мира процитировали уже более 40 раз.

– Мы используем высокопроизводительное секвенирование, метагеномный анализ и статистические подходы. Мы выявили, что большинство бактерий в верхнем слое воды Байкала взаимосвязаны между собой положительными связями. Если количество одной бактерии увеличивается, то растет и количество другой. Выявлен такой аналог социальной сети, как у нас. Корреляционный анализ с визуализацией в сети может показать, насколько устойчиво сообщество микроорганизмов в каком-нибудь водоеме или в другой экосистеме. В мире это широко исследуется. В России, возможно, это одна из первых работ.

Кстати, в Лимнологический институт Иван еще второкурсником ИГУ впервые попал вот в такой же день открытых дверей. Наша экскурсия заканчивается у лазерного конфокального микроскопа, где работает кандидат биологических наук Николай Судаков. Здесь на экран выведена 3D картинка жабр рыбы.

– Этот прибор очень хорош в исследовании самых разнообразных живых объектов, думаю, он далеко не последнее слово скажет в медицине, – уверен ученый. – Помимо рыб я еще изучаю некоторые патофизиологические процессы, в частности, атеросклероз. Думаю, здесь можно получить новое понимание о структуре атеросклеротических бляшек, что важно для прогнозирования и профилактики развития инфарктов и инсультов.

Как говорит руководитель отдела Елена Лихошвай, за годы работы его сотрудники накопили немало знаний. Только новых видов диатомей они описали несколько сотен. И полученный потенциал позволяет выходить в поле практической деятельности. Взять те же диатомовые водоросли. Ко всем своим достоинствам они еще и применяются в биотехнологиях. Например, в Китае уже есть целые фермы по культивированию микроводорослей, в т.ч. диатомей, где из них выделяют различные биологически активные полезные вещества.

Тем временем, приборная база отдела пополняется. Скоро здесь появится новый световой инвертированный микроскоп. Ученые надеются, что он расширит их возможности, откроет новые научные горизонты и поможет еще ближе увидеть окружающий нас микромир.