Новости

20 ноября, 2017 15:02

Служили два эндемика. Байкальские биологи нашли применение уникальной живности

Источник: Поиск
Так уж вышло, что вся жизнь профессора Максима Тимофеева связана с Байкалом. Здесь прошло детство директора Научно-исследовательского института биологии Иркутского государственного университета, лауреата премии Правительства РФ в области науки и техники для молодых ученых, автора более 50 статей, опубликованных ведущими иностранными журналами, здесь он ведет перспективные исследования, Байкалу обязан известностью в научном мире.
Служили два эндемика. Байкальские биологи нашли применение уникальной живности
Фото предоставлены Максимом Тимофеевым
3 / 4
Служили два эндемика. Байкальские биологи нашли применение уникальной живности
Фото предоставлены Максимом Тимофеевым

- Байкал - удивительное место, - рассказывает Максим Тимофеев. - Гигантское озеро содержит 23 тысячи кубических километров воды и по объему превосходит, например, Балтийское море. Здесь обитают более 2500 видов животных, большая часть из которых - эндемики. Биоразнообразие организмов огромно: на многих участках побережья озера на одном квадратном метре дна можно обнаружить несколько десятков видов эндемиков, их количество исчисляется тысячами. Это уникальное явление, ничего подобного нет ни в одном пресноводном водоеме мира. Здешнее биоразнообразие организмов сопоставимо с экосистемами коралловых рифов тропических морей. 

Почти 20 лет я занимаюсь изучением механизмов стрессовой устойчивости байкальских обитателей. Эндемичная фауна - уникальный объект для подобных исследований. В озере встречаются виды, крайне чувствительные к малейшему изменению условий среды, и виды, обладающие выдающимися адаптивными способностями, например, способностями приспосабливаться к критическим перепадам температуры. В прибрежной зоне озера часто можно наблюдать резкие понижения температур - даже на 20 градусов (когда ветер сгоняет с поверхности нагретую до 20-25оС воду и почти мгновенно ее охлаждает до 4-6о С. При этом прибрежные обитатели испытывают так называемый холодовой шок. Незакаленный человек с трудом выдержит подобные перепады, а многие байкальские рачки, моллюски, другие организмы прекрасно их переживают. Они всегда наготове, а потому специально накапливают мощные энергетические ресурсы и большие запасы так называемых универсальных стрессовых белков - это позволяет им переживать неожиданные стрессовые ситуации. Зимой некоторые виды примерзают ко льду, но, разморозившись, обязательно выживают. В то же время в Байкале встречается множество видов, суперчувствительных к малейшим изменениям среды обитания. Некоторые глубоководные виды не способны переносить даже минимальные отклонения газового состава среды или сдвиг температуры обитания на 1-2 градуса, другие крайне чувствительны к загрязнениям. 

Служили два эндемика. Байкальские биологи нашли применение уникальной живности

- Когда говорят о многообразии фауны Байкала, обычно имеют в виду сохранность эндемиков. Вы же используете добытое знание еще и в практических целях? 

- Да, уникальность древнего озера открывает широкие возможности прикладных исследований, но о них мало кто задумывался. Наш институт старается не только придерживаться определенного уровня “фундаментальности” исследований, но и не забывать про перспективы дальнейшего прикладного использования их результатов. Изучая, например, влияние симбиотических актинобактерий - они водятся в глубоководных байкальских рачках-падальщиках - на стрессовую устойчивость этих рачков, мы обнаружили, что многие бактерии интенсивно синтезируют биологически активные вещества и антибиотики. Интересно, что, питаясь трупами, содержащими токсины и болезнетворные бактерии, эти “санитары” Байкала живут довольно долго (некоторые - больше 10 лет), успешно размножаются и достигают гигантских для этой группы размеров - более 10-15 сантиметров. И помогают им выживать эти самые симбиотические бактерии. Мы основательно взялись за изучение этого вопроса и сформировали в институте новое прикладное направление. Его задача - поиск актинобактерий, синтезирующих новые антибиотики. А конечная цель - выделение неизвестных науке штаммов и химических молекул с фармацевтической активностью. 

Мы получили уже несколько сотен штаммов таких высокоэффективных продуцентов, убивающих болезнетворные бактерии, изучили их и описали. Из этого “сырья” можно получать антибиотики для борьбы с инфекциями. И не только в медицине, но и ветеринарии - животноводстве, птицеводстве, в аквакультуре. Последние четыре года исследуем штаммы-продуценты вместе с коллегами из Института фармацевтических исследований им. Гельмгольца в Саарбрюккене (Германия). Выделенными нами штаммами заинтересовались и несколько отечественных фармкомпаний. Сейчас ведем переговоры о возможности дальнейших исследований, так что перспективы серьезные. 

- Но исследования требуют немалых средств, есть ли они у университета? 

- Нет, у университета, конечно, таких средств нет. Мы работаем исключительно благодаря грантам - отечественным и международным. Многие работы, особенно высокотехнологичные, выполняем в зарубежных научных центрах, в основном в Германии. Сейчас интенсивно сотрудничаем сразу с тремя институтами объединения им. Гельмгольца: вышеупомянутым Институтом фармацевтических исследований в Саарбрюккене (HIPS), Центром экологических исследований в Лейпциге (UFZ) и Институтом полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера в Бремерхафене (AWI). Это крупнейшие известные научные центры Германии и Европы. С ними мы образовали коллаборации, разрабатывающие совместные проекты, рассчитанные на 5-10 лет. Сотрудничаем также с коллегами из Финляндии, США, Сингапура. 

- А в РФ кто вам помогает?

- Три года назад в отечественной науке произошли серьезные изменения: был создан Российский научный фонд (РНФ). Благодаря РНФ появились ранее недоступные возможности привлечения средств на научные исследования, сопоставимые с крупными международными грантами. Нам удалось победить в самом первом конкурсе 2014 года. Думаю, фонд привлекла возможность поддержать фундаментальные исследования на уникальной научной площадке - Байкале. В следующем году сотрудники нашего института вместе с коллегами из Финляндии получили еще один грант. И мы запустили принципиально новое для нас направление исследований по разработке новейших методов оценки состояния живых организмов с помощью имплантируемых оптических сенсоров, о них я расскажу позже. В этом году, когда закончился наш первый грант, выиграли новый (третий по счету) - на разработку темы стресс-адаптации эндемиков.

Сейчас изучаем группу организмов, обитающих под метровым байкальским льдом. Зимой там возникают уникальные условия перенасыщения кислородом - гипероксия. Сквозь прозрачный байкальский лед проникают солнечный свет и ультрафиолет. Это приводит к тому, что фитопланктон и разнообразные подледные водоросли усиленно размножаются, формируя второй (зимний) пик цветения. Подо льдом происходит накопление выделяемого ими кислорода - он скапливается, не имея возможности покинуть воду. Образуется перенасыщенная кислородом “газировка”, в которой при температурах, близких к точке замерзания, и в практически дистиллированной ультрапресной воде находятся эндемичные виды. Обитание в подобных условиях для большинства водных организмов токсично, а переизбыток кислорода в среде крайне разрушительно действует на организмы и вызывает окисление клеточных структур: мембран, белков, ДНК. Наблюдается так называемый окислительный, или оксидативный, стресс. Отмечу, что оксидативные повреждения - одни из главных причин многих тяжелых патологий не только у байкальских подледных рачков, но и в целом у всех аэробов - от насекомых до человека. Они лежат в основе множества заболеваний, например сердечно-сосудистых и онкологических, а также процессов старения. И если мы выясним, как байкальские эндемики с ним справляются и почему рачкам не страшен окислительный стресс, то, возможно, удастся выработать меры повышения антиоксидантной устойчивости и для других организмов, включая человека. 

Еще одно важное направление, о котором я уже говорил, связано с биосенсорикой. В настоящее время разработка технологий непрерывной прижизненной (так называемой in vivo) оценки стрессовых состояний живых организмов - один из самых актуальных и востребованных трендов в мировой науке. Несколько десятков лабораторий по всему миру конкурируют в этой области. Мы вплотную занялись сенсорными исследованиями несколько лет назад после знакомства с работами коллег из Сингапура и Финляндии. Сначала мы учились у них, а теперь они уже многому учатся у нас. Так нам удалось не только создать работающие микросенсоры, чувствительные к pH (уровню кислотности внутренней среды), но и с их помощью впервые измерить динамику изменения кислотности в разных организмах в условиях стрессовых воздействий. Созданные нами микросенсоры - это полупроницаемые полимерные капсулы диаметром несколько микронов - с биосовместимым покрытием - которые содержат флуоресцентные красители, реагирующие на различные воздействия. Сенсоры впрыскивают в жидкую среду организмов (кровь или гемолимфу), и они, легко проходя через капилляры, распространятся по всему кровотоку. С одной стороны, они служат своего рода маячками, позволяя отследить перемещение организмов, с другой - постоянно флуоресцируют, и характер их флуоресценции непрерывно меняется в зависимости от изменений химических условий среды (крови или гемолимфы), а следовательно, и состояния тестируемого организма. Мы считываем эти сигналы. Это практически идеальное средство для постоянного контроля ключевых показателей живых организмов. Сейчас у нас в разработке сенсоры на содержание кислорода, накопление разных метаболитов или тяжелых металлов и т.п.

Первую нашу статью о сенсорах-маячках мы опубликовали в одном из журналов издательства Nature Publishing Group, затем была целая серия статей. Недавно напечатали очередную статью, в которой показали возможность изменения кислотности in vivo в сверхмалых органах - в мозге микроскопических эмбрионов рыб данио-рерио (рыбы-зебры) - классического лабораторного объекта. Отмечу, что разрабатывают эти направления молодые и очень увлеченные наши сотрудники. Благодаря публикациям к нам обращаются желающие работать в данном направлении. Мне регулярно поступают письма с обращениями молодых и амбициозных исследователей из разных городов России (включая Санкт-Петербург и Москву), а также из Белоруссии, Украины и даже Германии. Молодежь готова приехать в Иркутск на работу, за тысячи километров от родного дома. Считаю, что этим можно гордиться, рассматривая как немаловажное свидетельство нашего признания в научном мире. 

Естественно, молодые люди не представляют особенностей нашего положения, что у нас, например, нет ставок и я не могу гарантировать им постоянную зарплату. Ведь на весь наш институт с более чем 50 сотрудниками у нас всего семь (!) гарантированных бюджетных ставок, остальные - проектные и хозрасчетные. Конечно, это заставляет много работать, изрядно изматывает, зато помогает держать форму. 

- Что дальше? Как собираетесь развивать новые научные направления?

- Все зависит от финансирования, поэтому главная наша цель - подготовить полновесные отчеты и заработать новые гранты. Но и о старых не забывать: второй грант РНФ заканчивается в этом году, и мы рассчитываем на продолжение, поскольку уверены, что наши новые направления чрезвычайно перспективны и важны. Надеемся, что микросенсоры быстро найдут применение не только в научных исследованиях, но и в промышленности. У нас полно идей, как применить наши сенсоры для нужд сельского хозяйства и животноводства. Есть интересные мысли их использования в медицине, например, для наблюдения за распространением метастаз при онкозаболеваниях. Так что работы хватит на много лет. 

В заключение отмечу, что сегодня внимание к Байкалу концентрируется исключительно на природоохранной деятельности и фундаментальных исследованиях. Безусловно, это чрезвычайно важно, но нельзя игнорировать эксклюзивные возможности этого озера для развития прикладных направлений, разработки современных технологий, особенно биотехнологических. Надеюсь, научный интерес к Байкалу будет только возрастать.

 

Работа М. Тимофеева поддержана грантом РНФ.

14 июня, 2024
Обнаружен эффективный способ предсказания развития отдаленных метастазов при раке молочной железы
Ученые НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра РАН обнаружили ...
14 июня, 2024
Природная аптека: ученые открыли способность растительных пигментов усиливать действие противогрибкового препарата
Российские ученые выяснили, что природные растительные пигменты флавонолы способны в несколько раз у...