Симбиоз как наука выживания

В том, что научные центры Уральского отделения РАН ориентированы на нужды регионов, участвуют в формировании инновационной среды на этих территориях, корреспонденты «НУ» нынешним летом убедились дважды — побывав на крайнем северо-западе УрО РАН, в Архангельском НЦ (подробный отчет об этом см. в «НУ» №№ 16–18), и на его южной границе, в Оренбурге.
В марте 2011 года было заключено очередное, уже третье соглашение о сотрудничестве между Оренбургским научным центром и администрацией Оренбургской области. Академические ученые создают новые диагностические и терапевтические технологии, системы микроэкологического мониторинга региона, разрабатывают геоэкологические основы устойчивого природопользования в степной зоне Евразии и на Урале, готовят рекомендации по водоснабжению Оренбургской области.
Сегодня мы представляем новейшие фундаментальные и прикладные разработки Института клеточного и внутриклеточного симбиоза ОНЦ УрО РАН. При небольшой численности (после реализации пилотного проекта реформирования Академии из 112 человек здесь осталось 60), практически все научные сотрудники института «остепенены», на выходе четыре докторские диссертации. По кадровому составу ИКВС — самый молодой из биологических институтов УрО, средний возраст ученых — 27 лет. На счету коллектива за последние восемь лет две премии правительства РФ (2003, 2011). И это неслучайно: фундаментальные исследования клеточного и внутриклеточного симбиоза имеют массу приложений, прежде всего в медицине и мониторинге экологического состояния природной среды.
 

Союз, неотделимый от вражды

Перефразируя слова Станислава Лема о живой природе, где присутствует «как сотрудничество, так и взаимное пожирание», директор ИКВС член-корреспондент РАН О.В. Бухарин назвал симбиоз союзом, неотделимым от вражды. Разнообразные симбиотические отношения, и прежде всего взаимоотношения человека с микробным миром оренбургские микробиологи рассматривают в рамках концепции ассоциативного симбиоза, под которым понимается многокомпонентная система, включающая хозяина, стабильную доминантную нормофлору и ассоциированные (патогенные и условно-патогенные) микроорганизмы. Соответственно существуют три вектора взаимодействия симбионтов: «хозяин — доминантная микрофлора», «хозяин — ассоциативные партнеры», «доминант — ассоциант». Первые два вектора всегда были в центре внимания микробиологов, а третий — отношения доминантной и ассоциативной микрофлоры, или микросимбиоценоз — на сегодняшний день изучен в наименьшей степени и представляет огромный фундаментальный интерес.
 

Оренбургские микробиологи стараются вычленить универсальные закономерности микросимбиоценоза на разных объектах — будь то водоем или репродуктивный тракт женщины. И цель этих исследований — найти способы защиты организма от инфекции или поддержания баланса экосистемы.
 

В здоровом водоеме — здоровый микросимбиоценоз

Сотрудники лаборатории природных микробиоценозов во главе с доктором медицинских наук Н.В. Немцевой впервые исследовали фитопланктонные сообщества во многих водоемах Оренбургской области. Точкой отсчета этих работ стала монография «Альгофлора Оренбуржья» (2005), где представлен чек-лист региональных водоемов. С тех пор собран огромный материал по микроводорослям и простейшим, соотношение которых в биоценозе постоянно меняется: какие-то виды исчезают, новые добавляются. Помимо фундаментального значения изучения биологического разнообразия водных сообществ, эти исследования очень важны для региона, ведь на их основе разрабатываются оригинальные методы биологической оценки экологического состояния водоемов.
 

Особое внимание оренбургские микробиологи уделяют уникальным природным объектам, в частности грязевым озерам Соль-Илецка, представляющим собой прототипы древних водоемов. В них сформировался уникальный микробиоценоз водорослей, простейших, бактерий, продукты жизнедеятельности которых обладают лечебными свойствами. За сезон Соль-Илецкие озера посещают сотни тысяч отдыхающих. Однако чтобы лечебная грязь озера Тузлучное и минеральная вода озера Развал продолжали служить людям, состояние этих водоемов нужно отслеживать и вовремя принимать меры по их сохранению. Сейчас прилегающая к озерам территория огорожена, вход туда платный. Но турникеты не всегда помогают. Оренбургские микробиологи, ежегодно обследующие Соль-Илецкие озера, считают, что они не успевают восстанавливаться за ночь. Баланс озерного микробиоценоза нарушается также из-за экспансии новых видов, которых люди сюда привозят со всего света на подошвах обуви.
 

Если варварская эксплуатация озер продолжится, лечебная грязь скоро превратится в обыкновенную грязь, а сами озера могут уйти в землю, ведь по своему происхождению они провальные. Увы, к мнению ученых, которые владеют методологическими ключами, позволяющими проводить высококвалифицированные исследования и делать научно обоснованные выводы, власти прислушиваются не всегда, не говоря уже о хозяевах и арендаторах Соль-Илецкого курорта.
 

В сотрудничестве с коллегами из Тольятти оренбургские специалисты исследовали также одно из самых крупных грязевых озер в Европе — озеро Эльтон в Волгоградской области, выделили и описали несколько новых видов простейших и водорослей, на территории России обнаруженных впервые.
 

Благодаря фундаментальному заделу в изучении ассоциативного симбиоза ученые могут дать рекомендации, что делать с водоемом, чтобы он не начал цвести. Для этого следует выяснить «распределение ролей» в микробиоценозе, определить, кто главный, кто второстепенный, и «нужных» поддержать.
 

Другое направление работы лаборатории природных микробиоценозов — выделение штаммов микробов, перспективных для создания биотехнологий. Так, в ходе совместных исследований с коллегами из комитета охраны окружающей среды (проект поддержан администрацией Оренбургской области) ученые ИКВС выделили штаммы бактерий-нефтедеструкторов. Они обратили внимание также на водоросль Dunaliella salina. Этот обитатель соленых озер — очень сильный антиоксидант. Микробиологи предложили способы его выращивания в лаборатории. Эти и другие инновационные разработки были представлены на международных и всероссийских выставках инноваций и не раз получали дипломы и медали.
 

Обезоружить — значит обезвредить

Как известно, в процессе многовековой эволюции микроорганизмы заселили практически все биотопы человека, сформировав доминантную, или нормальную микрофлору, которая выполняет ряд полезных для организма функций, прежде всего обеспечивает его способность противостоять инфекции. Бактерии-ассоцианты, вторгаясь в организм, стремятся «забронировать» себе место в соответствующем биотопе. Если им удается вытеснить нормальную микрофлору, то формируется дисбиоз, нежелательный для хозяина. С этими ситуациями постоянно сталкиваются медики при лечении различных заболеваний. Поэтому важнейшая задача микробной экологии человека — выяснение механизмов выживания нормофлоры. Оказывается, при ассоциативном симбиозе не только сам хозяин в состоянии организовать защиту от ассоциантов (патогенов), различая «чужаков» при помощи механизмов врожденного иммунитета клеток, но и его нормофлора способна «распознавать» микробов-ассоциантов, определять «своих» и «чужих», первых — поддерживать, а последних — отталкивать. Так нормальная микрофлора образует первую линию обороны организма против инфекции. Результаты последних исследований оренбургских микробиологов в этой области изложены в вышедшей в 2011 году монографии О.В. Бухарина, Е.С. Лобаковой, Н.Б. Перуновой, Б.Я. Усвяцова, С.В. Черкасова «Симбиоз и его роль в инфекции».
 

На основе изучения взаимодействий микроорганизмов в микросимбиоценозе сформировалось новое направление — микробиологическая терапия. Ученые все чаще пытаются найти способы, не убивающие возбудителя инфекции, а модифицирующие его биологические характеристики, прежде всего способность к персистенции, т.е. к длительному выживанию в организме. Для пояснения этого термина Олег Валерьевич Бухарин привел простой образ: идет рота вражеских солдат; можно их перестрелять, а можно разоружить и таким образом обезвредить. Очень перспективны в этом смысле исследования генетики персистентных свойств микроорганизмов. Обезвредить микробную клетку можно, убрав из нее плазмиды — дополнительные факторы наследственности, расположенные вне хромосом.
 

Новые противомикробные средства призваны воздействовать на молекулярные мишени в микробных клетках, снижающие их персистентную активность. Так, в институте были созданы и запатентованы две мази для лечения гнойных ран: одна применяется в начале раневого процесса, а вторая — на этапе заживления раны. Запатентован также модельный штамм условно-патогенной бактерии клебсиеллы, который служит индикатором эффективности антибактериальных препаратов как существующих, так и вновь создаваемых. Эта разработка была отмечена медалью на международном салоне инноваций (Москва, 2010)
 

Большой интерес представляет изучение антицитокиновой активности микроорганизмов. Цитокины — это пептидные информационные молекулы, регулирующие межклеточные и межсистемные взаимодействия. Одни цитокины, угнетая иммунную систему, способны вызывать воспаление, а другие — купировать его, стимулируя иммунитет. Если блокировать соответствующие цитокины, можно останавливать развитие инфекции. Это актуально в частности при создании противовоспалительных препаратов для лечения ревматических и аллергических заболеваний. К наработкам ИКВС в этой области проявляют интерес ведущие фармацевтические фирмы.
 

Наши друзья лактобациллы

Хорошей модельной системой для исследования механизмов формирования ассоциативного симбиоза служит репродуктивный тракт женщины. Благодаря мудрости природы эти органы неплохо защищены от инфекции, поскольку здесь сложился относительно устойчивый микросимбиоценоз с лактобациллами в качестве доминантной микрофлоры. Лактобациллы обладают замечательной способностью подавлять рост патогенных и условно-патогенных бактерий. Их антибактериальное действие может быть прямым благодаря тому, что они продуцируют антимикробные факторы — лактат, лизоцим, перекись водорода, различные бактриоцины, и непрямым, когда они лишают болезне-творные бактерии персистентных свойств, т.е. способности к долгому выживанию в организме. Лактобациллы, продуцирующие перекись водорода, значительно снижают возможность развития восходящей инфекции половых путей, что очень важно для предупреждения преждевременных родов. Лактобациллы способны также стимулировать нормофлору и улучшать ее, отбирая микроорганизмы, которые наиболее подходят для организма.
 

Сотрудники лаборатории по изучению механизмов формирования микробиоценозов человека во главе с кандидатом медицинских наук С.В. Черкасовым проследили связь состояния ассоциативного симбиоза репродуктивного тракта женщин с воспалительными заболеваниями, как острыми, так и рецидивирующими, и дали классификацию микробиологических «сбоев». Нарушения ассоциативного симбиоза сопровождаются дефицитом доминантной микрофлоры, т.е. лактобацилл и соответственно ростом ассоциативной микрофлоры — ведь лактобациллы уже не могут противостоять патогенным микробам. В результате снижается местный иммунитет организма, и возникают различные заболевания. Чтобы их вылечить, надо восстановить здоровый микробиоценоз.
Прикладное значение этих фундаментальных выводов оренбургских ученых трудно переоценить. Ведь понимание того, что причина возникновения патологий — микроэкологические нарушения, позволяет усовершенствовать диагностику, профилактику заболеваний и применять новый подход к их лечению. Разработанный микробиологами ИКВС способ коррекции микрофлоры репродуктивного тракта женщины запатентован и удостоен международных наград.
 

Выявленное в ходе изучения микробиоценоза женских половых путей свойство лактобактерий продуцировать перекись водорода, убивающую болезнетворных микробов, натолкнуло ученых еще на одну перспективную идею. Выяснилось, что если в перекись водорода добавить ионы железа, то бактерицидное действие тысячекратно усиливается. На этой основе был разработан эффективный способ дезинфекции.
 

* * *
 

Как уже говорилось, Институт клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН серьезно пострадал в результате реструктуризации, что, однако, не мешает его сотрудникам получать значимые результаты. С большинством трудностей они стараются справляться сами, но есть проблемы, которые ученые самостоятельно решить не могут: это старение оборудования и нехватка площадей. Например, сегодня оренбургским микробиологам остро необходим лазерный сканирующий конфокальный микроскоп. А пока, чтобы поработать на оборудовании мирового класса, им приходится ездить в Москву, в МГУ. Что касается нехватки помещений, то тут есть подвижки. При содействии губернатора области Оренбургскому НЦ выделен участок для строительства нового здания. К юбилею центра, который будет отмечаться в январе будущего года, построить его, конечно, не успеют, однако перспектива обнадеживает.
 

Е. ПОНИЗОВКИНА
 

На фото:

отбор проб на озере Развал.

Водоросль Dunaliella salina, источник природных антиоксидантов.