ОТДЕЛ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ

ЛАБОРАТОРИЯ ГИПЕРТЕРМОФИЛЬНЫХ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ

Заведующая лабораторией
БОНЧ-ОСМОЛОВСКАЯ Елизавета Александровна
Д.б.н.

Тел.: (495) 135-44-58
E-mail: lbo@mail.ru

Лаборатория организована в мае 1996 г. в составе Отдела микробных сообществ (рук. акад. Г.А.Заварзин).

Основные направления исследований:

Биоразнообразие термофильных прокариот

Исследованы природные местообитания термофильных прокариот: наземные гидротермы Камчатки, Курильских островов, Байкала, Йеллоустоунского национального парка, глубоководные гидротермы Тихого и Атлантического океанов, высокотемпературные нефтяные месторождения Западной Сибири. Объектами исследования являлись лито- и органотрофные термофильные бактерии и археи, в том числе гипертермофилы с оптимальными температурами развития выше 100°С. Выделено и охарактеризовано значительное количество новых таксонов термофильных бактерий. Основное внимание уделялось водородиспользующим литотрофам и микроорганизмам с различными типами анаэробного дыхания: серо-, нитрат- и железоредукторам, а также микроорганизмам, анаэробно использующим СО. М.Л. Мирошниченко описаны новые термофильные бактерии, обитающие в глубкоководных гидротермах: новый порядок Nautiliales (Miroshniochenko et al., 2004), сем. Nautiliaceae, Nautilia (Miroshnichenko et al., 2002), Oceanithermus (Miroshnichenko et al., 2003a), Vulcanithermus (Miroshnichenko et al., 2003b), Caldithrix (Miroshnichenko et al., 2003c), Vulcanibacillus (L’Haridon et al., 2006). Некоторые новые изоляты (пор. Nautiliales, р. Caldithrix) являются первыми культивируемыми представителями новых филогенетических ветвей, ранее известным только по библиотекам клонов из термальных местообитаний.

Органотрофные изоляты из глубоководных местообитаний представлены выделенным А.И. Слободкиным родом Tepidibacter (Slobodkin et al., 2004). Им же с сотрудниками выделены новые термофильные железовосстанавливающие бактерии, относящиеся к родам Thermovenabulum (Zavarzina et al., 2000) и Tepidimicrobium (Slobodkin et al., 2006).

Среди органотрофных изолятов – новые гипертермофильные археи – описанный М.И. Прокофьевой новый род Acidilobus (Prokofeva et al., 2000), включающий анаэробных термоацидофилов, а также новый вид р. Vulcanisaeta (Prokofeva et al., in preparation). Из высокотемпературного нефтяного месторождения был выделен новый вид Thermococcus sibiricus (Miroshnichenko et al., 2000), из гидротерм Камчатки – новый вид Desulfurococcus fermentans, использующий широкий круг углеводов и полисахаридов (Perevalova et al., 2005).

Группой Т.Г. Соколовой (аспирант Т.В. Слепова) описана новая физиологическая группа микроорганизмов – термофильные анаэробные водородобразующие карбоксидотрофы, представленные новыми родами Thermosinus (Sokolova et al., 2004a), Carboxydocella (Sokolova et al., 2002), Thermincola (Sokolova et al., 2005). Показано, что способность к росту за счет анаэробного окисления СО с одновременным образованием водорода из воды свойственна широкому кругу термофильных прокариот различного филогенетического положения, в том числе гипертермофильным археям р. Thermococcus (Sokolova et al., 2004b).
   Работа поддержана программой Президиума РАН «Происхождение и    эволюция жизни на Земле» и грантом РФФИ № 06-04-49045.

Восстановление металлов и металлоидов термофильными прокариотами

Группой А.И. Слободкина (м.н.с. С.Н. Гаврилов) исследуется способность термофильных прокариот к восстановлению железа, а также других металлов, в том числе токсичных, металлоидов и радионуклидов. Изучены особенности органотрофного и литотрофного восстановления оксида железа Thermoterrabacterium ferrireducens (Гаврилов и др., 2003). Исследован процесс образования магнетита при росте сульфатредуцирующей археи Archeoglobus fulgidus (Слободкин и др., 2003). Впервые установлена способность термофильных прокариот к восстановлению хрома и урана в процессе роста. Выделена факультативно-анаэробная термофильная бактерия Bacillus thermoamylovorans SKC1, в процессе анаэробного роста полностью восстанавливающая 0,3 мМ хрома. Исследован процесс восстановления U(VI) в U(IV) суспензиями клеток и растущими культурами Thermoterrabacterium ferrireducens (Khizhnyak et al., 2005). Так, суспензия клеток (172 мкг белка/мл) восстанавливала 1,75 М урана в течение 24 час. инкубации. При этом уран полностью выводится из раствора в виде нерастворимого осадка, что позволяет предположить возможное использование процесса в очистных технологиях. Впервые показано диссимиляторное восстановление селената и селенита в элементный селен термофильными и гипертермофильными археями и бактериями.
   Работа поддержана программой Президиума РАН «Происхождение и    эволюция жизни на Земле» и грантом РФФИ №

Термостабильные ферменты

Эта часть работы лаборатории имеет большое прикладное значение, и в ней принимает участие большинство сотрудников и аспирантов. Очищены и охарактеризованы термостабильные ферменты, продуцируемые новыми термофильными прокариотами: фосфатаза из гипертермофильной археи Thermococcus pacificus (Bannikova et al., 1998), ДНК-полимераза из гипертермофильной архей Thermococcus ShAM (Slobodkina et al., 2005), железоредуктаза из термофильной бактерии Thermoterrabacterium ferrireducens (Гаврилов и др., рукопись в подготовке). И.В. Кублановым изучаются термофильные прокариоты с гидролитической активностью – продуценты термостабильных протеиназ, в том числе кератиназ, разлагающих альфа- и бета-кератины, целлюлазы, агаразы.
    Работа поддержана Госконтрактом с Федеральным Агентством по Науке и     Инновациям и проектом ОФИ № 05-04-08073.

Молекулярная экология термофильных микробных сообществ

В группу, осуществляющую молекулярно-биологические исследования термофильных микробных сообществ входят Н.А. Черных, А.В. Лебединский, Г.Б. Слободкина, А.А. Перевалова, И.В. Козина (Субботина). Разрабатываются молекулярно-биологические методы анализа термофильных микробных сообществ: ПЦР с праймерами, специфичными к 16S рРНК, гибридизация с 16S рРНК-специфическими олигонуклеотидными зондами, разделение продуктов амплификации с помощью денатурирующего градиентного гель-электрофореза (ДГГЭ).

А.В. Лебединским создана компьютерная программа, позволяющая подбирать ПЦР праймеры и олигонуклеотидные зонды различного уровня специфичности. Алгоритм программы основан на использовании создаваемых ею словарей олигонуклеотидов, что позволяет существенно ускорить поиск по сравнению с методами, предусматривающими прямой подбор или множественное выравнивание. Программа учитывает такие параметры как: число мисмэтчей зонда или праймера с нецелевыми сиквенсами, температуру плавления потенциальных дуплексов, склонность олигонуклеотидов к образованию петель и димеров.

Разработана система праймеров, позволяющая экспресс-детекцию архей царства Crenarchaeota (Perevalova et al., manuscript in preparation), а также порядка Thermococcales (Slobodkina et al., 2005), в результате чего удалось идентифицировать ряд новых изолятов с новыми для Thermococcales фенотипическими свойствами. Идентифицированы гипертермофильные археи (Crenarchaeota), впервые обнаруженные в антропогенном местообитании – термофильном метантенке. Анализ последовательности 16S рРНК показал, что это новый вид рода Sulfophobococcus, единственный известный представитель которого был выделен из гидротерм Исландии (Слободкин и др., 2004). С помощью той же системы праймеров представитель Crenarchaeota был обнаружен в осадках горячего источника Байкальского региона. Ближайшим родственником этого организма является считающийся некультивируемым организм, представленный в библиотеке клонов из горячего источника Йеллоустоунского парка. Путем мониторинга накопительных культур с помощью молекулярных методов удалось дать первичную фенотипическую характеристику нового организма: это органотроф, облигатный анаэроб, умеренный термофил и алкалофил (Perevalova et al., manuscript in preparation).

С помощью хемолюминисцентных олигонуклеотидных зондов, специфичных к 16S рРНК термофильных бактерий рода Thermoanaerobacter (Субботина и др., 2003) и гипертермофильных архей рода Desulfurococcus (Перевалова и др., 2003), идентифицированы организмы с новыми биотехнологически важными свойствами: продуценты новых термостабильных ферментов (агаразы и целлюлазы), организмы, потребляющие окись углерода.

Создана система из 57 олигонуклеотидных зондов (16S рРНК), позволяющая проводить экспресс-анализ термофильных микробных сообществ. Совместно с ИМБ РАН создан микрочип, позволяющий исследовать биоразнообразие термофильных прокариот в природных местообитаниях (Bonch-Osmolovskaya et al., 2003). Микрочип был использован при исследовании термофильных микробных сообществ высокотемпературного нефтяного месторождения (в сотрудничестве с Лабораторией нефтяной микробиологии ИНМИ РАН). Одновременно были использованы культуральные, радиоизотопные и молекулярно-биологические методы и получены убедительные доказательства существования на глубине 2500-3000 м при температуре 85°С аборигенного гипертермофильного микробного сообщества. Совместно с Лабораторией микробиологии и биогеохимии водоемов радиоактивными методами исследованы основные микробиологические процессы в наземных и морских гидротермах: литотрофный и ацетокластический метаногенез, сульфатредукция, первичная продукция и минерализация органического вещества, а также влияние на эти процессы потенциальных доноров и акцепторов электронов (Бонч-Осмоловская и др., 1999; Bonch-Osmolovskaya et al., manuscript in preparation). Полученные данные не только позволяют судить о скорости процессов, но и указывают на существование новых групп микроорганизмов, еще не известных в лабораторных культурах, например, высокотемпературных ацетокластических метаногенов. Особенности использования радиоизотопных методов при исследовании термальных местообитаний описано в специальном томе Methods in Microbiology (Pimenov, Bonch-Osmolovskaya, 2006).
    Работа поддержана Программой Президиума РАН «Молекулярная и
    клеточная биология» и грантом РФФИ