«Наука в Сибири»
№ 32 (2218)
20 августа 1999 г.

СВЕТ ИЗ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА

И.Гительзон, академик РАН,
Э.Родичева, куратор КК ИБСО,
зав. лаб. биотехнологии,
С.Медведева, ст.н.с.,
информационная служба КК ИБСО.
Институт биофизики СО РАН.

Сохранение разнообразия биологических объектов, населяющих нашу планету, является актуальной проблемой конца ХХ начала XXI веков. Чрезмерное антропогенное воздействие на природные объекты приводит к изменению численности и нередко полному исчезновению ряда биологических видов, угрожая нарушить биосферное равновесие.

Огромная роль в системе жизнеобеспечения планеты принадлежит микроорганизмам -- прекращение их деятельности ведет к быстрой гибели всей жизни на Земле. По некоторым оценкам, к настоящему времени описано менее 5% видов микроорганизмов, населяющих планету, а бактерий -- не более 1% видов. Имеющиеся микробные генетические ресурсы уникальны. Восстановить утраченные вследствие антропогенного прессинга штаммы невозможно, а выделение их из природных популяций сопряжено с большими затратами и не всегда проходит успешно.

Поэтому можно считать закономерным появление приоритетной Международной программы "Микробное разнообразие 21", в которой обозначены необходимые экстренные меры для сохранения микробного разнообразия: интенсивное изучение микроорганизмов, связанных с деятельностью экосистем, инвентаризация всех известных видов микроорганизмов, создание специализированных региональных центров и информационных служб.

Во многих странах стали организовываться коллекции культур микроорганизмов. Как хранилища генофонда биологических объектов они являются национальным достоянием каждой страны. Основными задачами таких коллекций являются инвентаризация, сохранение и длительное использование разнообразия биологических объектов, населяющих нашу планету, разработка методов идентификации, оценка возможного применения микроорганизмов в фундаментальных исследованиях, в области биотехнологий и рационального использования окружающей среды.

Коллекционное дело ведется в рамках нескольких программ, целью которых является поддержание коллекций и создание банков информации о поддерживаемых в них культурах организмов. Для этого создаются сотрудничающие между собой сети сервисных и исследовательских коллекций во многих странах мира. Всемирная федерация коллекций культур (WFCC) координирует деятельность ряда взаимодействующих международных систем: Всемирного центра данных по микроорганизмам (WCDM) и Международной сети данных о штаммах микроорганизмов и клеточных линиях. Активно действует Европейская Информационная сеть банков данных о микробных штаммах (MINE) и Всемирная сеть региональных центров микробных ресурсов (MIRCEN).

В Российской Федерации насчитывается около двух десятков стабильно функционирующих коллекций культур микроорганизмов немедицинского профиля. Бактерии составляют наибольшую часть этого общего фонда (больше 27 тысяч штаммов) и сосредоточены в 10 крупнейших коллекциях. Каталоги всех основных коллекций России доступны через международную компьютерную сеть Internet (WCDM WFCC и MSDN).

Сложилось так, что многолетние работы лаборатории фотобиологии по морской биолюминесценции (сначала в Институте физики, а затем Институте биофизики) привели к созданию в СО РАН совершенно уникальной коллекции видов и штаммов морских светящихся бактерий, собранных во всех четырех океанах планеты. Сегодня эта коллекция культур Института биофизики Сибирского отделения (КК ИБСО) содержит более 700 штаммов, выделенных из различных географических точек Мирового океана, и типовые штаммы светящихся бактерий, полученные из других коллекций мира.

У истоков коллекции стояли известный ученый, энтузиаст исследований биолюминесценции в океане академик И.Гительзон (тогда еще молодой доктор биологических наук) и кандидат биологических наук Р.Чумакова. Первые штаммы были выделены ими в 60-е годы в 34-м и 38-м рейсах научно-исследовательского судна "Витязь" из вод Тихого океана. Дальнейшее пополнение коллекции велось сотрудниками института Т.Воробьевой, А.Кузнецовым, А.Фишем, Г.Примаковой во время комплексных экспедиций на "Витязе", "Академике Курчатове", "Дмитрии Менделееве" и других суднах в различных районах Тихого, Атлантического и Индийского океанов. В настоящее время основные работы по поддержанию и идентификации коллекционного фонда ведут микробиологи Г.Выдрякова и Ю.Чугаева.

* * *

Излучение света живыми организмами все еще остается загадочным и не до конца понятым явлением природы. Даже у самых примитивных излучателей -- бактерий и простейших -- имеются сложные специализированные механизмы, осуществляющие эту функцию, однако биологический смысл свечения большинства светящихся организмов непонятен, также, как неясно, почему свечение присуще в основном морским организмам. Вместе с тем биолюминесценция интересна и возможностью практического использования в качестве источника информации о процессах в клетках и популяциях, о пространственной структуре вод океана, и, в частности, о распределении жизни в океане.

Фотобактерии -- мельчайшие излучающие свет организмы -- обитают как в самых теплых, так и в самых холодных морях и океанах. Они регулярно присутствуют в пробах воды с глубин от несколько метров до 2,7 км.

Светящиеся бактерии, свободно обитающие в морской воде, относятся к сапрофитам -- питаются органическими веществами, растворенными в воде, разлагают остатки умерших животных и растений, часто поселяются на мертвой рыбе и кальмарах. В открытом океане на 1 л морской воды приходится в среднем до 1000 клеток светящихся бактерий. При приближении к берегам, к источникам органического вещества, количество светящихся бактерий резко возрастает: если в водах открытого океана светится около 10% сапрофитов, то в лагунах коралловых атоллов -- почти 60%. Ферменты светящихся бактерий способны разлагать хитиновый панцирь ракообразных, составляющих значительную часть живой массы океанов. Разлагая хитиновые остатки, светящиеся бактерии играют существенную роль в круговороте веществ.

Особая, и в высшей мере интересная группа морских светящихся бактерий -- это симбионты и комменсалы, сожительствующие с рыбами, головоногими моллюсками и другими обитателями моря, и обеспечивающие их источником света. Свечение бактерий в благоприятных условиях довольно яркое -- в слегка затемненном помещении его хорошо видно невооруженным глазом. Колонии фотобактерий, выросшие на твердой питательной среде, светятся холодным зеленовато-голубым светом, напоминая сияние заснеженных полей в морозную лунную ночь или мерцающее звездное небо.

Живые бактериальные светильники иногда использовали для освещения: в 1935 году светящимися бактериями был освещен большой зал Международного конгресса в Париже; советский микробиолог А.Егорова использовала светящиеся бактерии для освещения лаборатории во время войны; микробиологи Р.Чумакова и Ю.Сорокин во время встречи Нового года в одной из экспедиций в Индийском океане, когда научно-исследовательское судно проходило экватор, создали из светящихся бактерий живую картину заснеженного леса в лунную ночь. Это впечатляющее зрелище навсегда осталось в памяти участников рейса.

Светящиеся бактерии, являясь уникальным визуальным маркером, оказались удобным объектом для решения многих фундаментальных проблем и практически важных задач медицины и экологии. Среди коллекционных культур имеются штаммы, перспективные для получения различных целевых продуктов, в том числе многих ферментов: люцифераз, оксидоредуктаз, декарбоксилаз аминокислот, эндонуклеаз рестрикции, целлюлаз, альгинатлиаз, хитиназ и других ферментов. С помощью биолюминесценции можно исследовать тонкие детали строения и функционирования гена, цепи сопряжения ферментативных реакций, определять содержание субстратов, кофакторов и др.

На базе коллекции светящихся бактерий создаются демонстрационные средства для лабораторных работ в высшей и средней школе. Можно революционизировать преподавание биологии, сделав видимыми многие биологические процессы. Как показывает наш опыт в университетских практикумах и школьных занятиях, такой метод демонстрации оставляет глубокое впечатление и запоминается навсегда.

Светящиеся бактерии из Коллекции ИБСО используются для создания высокочувствительного интегрального биотеста на общую токсичность для мониторинга окружающей среды. В основе метода лежит изменение интенсивности люминесценции биопрепарата после действия того или иного анализируемого вещества. Простота измерения люминесценции, экспрессность метода, возможность автоматизации измерений и статистической обработки данных обеспечивают светящимся бактериям несомненное преимущество по сравнению с другими биологическими тестами. Одной из задач является изучение действия тяжелых металлов, фенолов и их производных на люминесценцию светящихся бактерий. Разработанный ст.н.с. А.Кузнецовым биотест может быть рекомендован для непрерывного экспресс-контроля состояния окружающей среды и природо-охранных комплексов, оценки эффективности детоксикации сточных вод и работы очистных сооружений.

Совместно с отделом медико-биологического приборостроения (заведующий -- М.Сальников) СКТБ "Наука" производятся приборы для измерения биолюминесценции -- "Биолюминометр БЛМ 8703" и его модификации. Они комплектуются наборами лиофилизированных светящихся бактерий "Микробиосенсор В-17 677F" и лиофилизированного светящегося рекомбинантного штамма E.coli "Микробиосенсор ЕСК", а также комплектами реактивов "КРАБ" для проведения аналитической биолюминесценции. Комплекты "КРАБов", производимые в лаборатории биотехнологии под руководством ст.н.с. Н.Тюльковой, пригодны не только для экологических исследований (тестирование токсинов различного происхождения), но и для измерения активности различных ферментов, тестирования биологически активных веществ и ряда ключевых ферментов и субстратов обмена веществ человека, имеющих клиническое значение.

В экспедиционных условиях в 1993--1998 гг. опытные образцы разрабатываемого биотеста были использованы при исследовании загрязнения водоемов Алтая, озера Шира, рек Енисей, Кан, Ангара с притоками, в местах водозаборов, промышленных сбросов, сточных вод ЦБК. Опытные образцы на основе лиофилизированных светящихся бактерий успешно использованы в определении токсичности сточных вод и очистных сооружений гг.Рига, Алма-Ата, получили положительную оценку специалистов и рекомендованы как дополнительные методы экологического мониторинга.

Главными задачами Коллекции ИБСО являются сохранение и поддержание в жизнеспособном состоянии коллекционного фонда. Проводятся систематические исследования для подтверждения видовой принадлежности и аутентичности коллекционных штаммов, биохимические исследования по определению нуклеотидного и жирнокислотного состава светящихся бактерий, кинетических свойств люминесцентной системы; изучаются особенности роста, люминесценции, морфологии и т.д.; предполагается провести детальный анализ природного разнообразия светящихся бактерий по видовым и экологическим критериям. Коллекция светящихся бактерий ИБСО служит базой для поиска чувствительных к токсикантам и устойчивых по свечению штаммов для совершенствования разрабатываемого биотеста.

Можно с удовлетворением констатировать, что возможности практического использования биолюминесценции, прогнозировавшиеся в первых наших публикациях еще в 60--70-е годы, теперь становятся реальностью. Излучающие энзимы -- люциферазы и их гены -- стали в последние годы самыми употребительными маркерами в генетике, эмбриологии, молекулярной биологии, используются для биохимической диагностики в медицине. Настоящий бум творится в последние годы вокруг ставшего знаменитым GFP-Green Fluorescent Protein -- зеленого флуоресцентного белка, выделенного из морских кишечнополостных. Действительно, невозможно придумать более удобный маркер для биологических процессов -- от молекулярно-клеточных до организменных и даже экологических, -- чем ген и его белок, которые дают знать о себе светом.

Теперь можно с уверенностью предсказывать, что их использование будет стремительно расширяться, и, соответственно, будут возрастать запросы к коллекциям -- держателям первичного разнообразия этих генов. Коллекции культур становятся не только хранилищами генофонда и источниками ресурсов для фундаментальных и прикладных задач, но и важнейшими каналами обмена информацией в мировой сети. Создаваемый в коллекции банк данных о поддерживаемых в ней бактериях пополняется данными собственных исследований сотрудников коллекции, а также сведениями из научной литературы. "Каталог культур светящихся бактерий КК ИБСО" издан в 1997 г. в издательстве "Наука". Базы данных 100 культур Коллекции ИБСО зарегистрированы как "IBSO Siberian Luminous Bacteria" на сервере баз данных международной сети MSDN, где имеется и электронный вариант английской версии "Каталога" ( http://www.bdt.org.br/bdt/msdn/ibso).

Коллектив Коллекции ИБСО включает специалистов высокой квалификации с большим опытом работы в области коллекционного дела и разработок биотестов и приборов. Коллекция ИБСО является одним из соисполнителей работ в области изучения микробных ресурсов, коллекционного дела и биоинформатики, проводимых в рамках государственных программ. Сначала -- по "Средствам обеспечения исследований физико-химической биологии", по разделу "Коллекции микробных культур", а теперь -- по "Микробному разнообразию".

Сегодня Сибирское отделение РАН владеет самой богатой в мире коллекцией светящихся бактерий. Хотелось бы, чтобы и отношение к ней соответствовало ценности этого уникального собрания. Надо отдать должное Совету по биологическим наукам СО РАН за внимание к нуждам Коллекции и финансовую поддержку, которую он оказывает в последние два года, что помогает сохранять имеющийся генофонд.

Систематическая работа с поддерживаемым генофондом требует большого объема экспериментальных работ, постоянных, хотя и сравнительно небольших материальных затрат на питательные среды, химреактивы для анализов, специфическое техническое оборудование, которое необходимо обновлять (холодильники, криохранилища, лиофильная сушка, центрифуги). Сегодня поддержание этой коллекции на грани возможностей Института биофизики. Правильнее будет сказать, что только необоримая преданность хранителей коллекции уберегает ее от гибели. При неоднократно случавшихся уже отключениях энергии, сотрудники лаборатории бегом разносят коллекционный материал по домашним холодильникам, но более глубоко замороженные в кельвинаторах образцы остаются под угрозой. Не хотелось бы стать свидетелем гибели живых материалов, собранных по всему миру трудами многих лет.

Красноярск.

стр.