Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 г. была завершена фенотипическая характеристика двух видов рода ‘Tardisphaera’ - ‘T. miroshnichenkoae’ MP-3918 и ‘T. saccharovorans’ АК-3817 - первых представителей нового порядка ‘Tardisphaerales’ внутри Thermoproteota. Новые археи представлены медленно растущими кокками и являются анаэробами, термоацидофилами, сбраживающими широкий спектр углеводных субстратов, особенно полисахаридов. Это связано с разнообразием в их геномах генов белков, участвующих в гидролизе углеводов (CAZymes). Ранее способность расти на единичных полисахаридах была показана лишь у некоторых термоацидофильных прокариот. Мембраны новых изолятов на 20-40% состоят из дифитанил глицерол диэфиров, остальная часть - тетраэфиры, что является абсолютно нетипичным для известных термоацидофильных архей, у которых мембраны состоят исключительно из GDGT. При этом клетки штаммов показывают значительную устойчивость при длительном инкубировании в кислых условиях. Способность получать энергию только за счет брожения также является уникальной чертой новых изолятов среди всех выделенных на данный момент термоацидофильных прокариот. Кроме того, in silico анализ показал, что метаболизм сахаров у новых архей протекает через гликолиз, путь ЭД и/или ПФП. Исследуемые штаммы способны выдерживать длительную инкубацию в присутствии О2 в атмосфере, что связано с наличием системы детоксификации, обнаруженной в обоих геномах. Сравнительный геномный анализ представителей ‘Tardisphaerales’ показал, что гидролиз разнообразных углеводов является характерной чертой всего порядка. А количественный анализ представленности нового порядка, проведенный с помощью кПЦР со специально разработанными праймерами на целевую группу продемонстрировал, что археи ‘Tardisphaerales’ являются одними из доминирующих таксонов в кислых горячих источниках, достигая до 40% от общего состава прокариот. Такая значительная доля в сообществе говорит о том, что эти археи являются основными первичными деструкторами сложных органических соединений, присутствующих в изобилии в горячих источниках, и поставляют другим прокариотам легкоусвояемые органические соединения. В первом широкомасштабном исследовании микробных сообществ гидротерм Курильских островов молекулярно-генетическими методами было показано, что археи доминируют в кислых горячих источниках. Помимо ‘Tardisphaerales’, в подобных экосистемах доминируют археи филума Thermoplasmatota, часто не имеющих культивируемых представителей. В рамках проекта нам удалось получить две накопительные культуры (4345-BSL и 4364-BSL), содержащие 80-98% архей группы BSLdp215, предварительно отнесенной к новому порядку этого филума. Они представлены ацидофильными, умеренно термофильными кокками, растут очень медленно на анаэробной среде на ряде углеводов. Также нами получена высокообогащенная аэробная культура кокков 4311-А, растущая на полисахаридах при экстремально низком рН (1,0), содержащая 95% в своем составе архей некультивируемой группы A-plasma. Выделение в чистые культуры новых архей глубоких филогенетических линий будет продолжено в следующем году. Однако, уже к концу 2024 г. нам удалось получить чистую культуру некультивируемой ранее группы А10, представляющей новый порядок внутри Thermoplasmatota. Эта группа широко распространена в кислых горячих источниках по всему миру и может составлять до половины от всего состава сообщества. Первый изолят, штамм АК-4214, представлен очень мелкими анаэробными термоацидофильными кокками, предпочитающими пептидные субстраты и растущими очень медленно. Кроме этого, получены еще две накопительные культуры (4218-Х и 4345-А10), содержащие до 70-95% архей А10. Метагеном одной из них был секвенирован, и вместе с другими композитными геномами архей, относящихся к этой группе из базы GTDB, был начат сравнительный геномный анализ метаболических возможностей нового порядка. Работа по фенотипическому описанию и реконструкции метаболизма нового порядка архей будет продолжена в следующем году. Кроме исследования кислых гидротермальных систем, мы также изучали разнообразие архей в горячих нейтральных источниках. В особенности, нас интересовали археи, способные расти на трудно разлагаемых растительных полисахаридах - камедях. Данные об архейных ферментах, так же как и о самих археях, способных гидролизовать подобные субстраты, отсутствуют в литературе. В рамках проекта нами выделены 4 чистых культуры гипертермофильных нейтрофильных архей, относящихся к филуму Thermoproteota и растущих на камедях, а также на широком спектре других полисахаридов. (1) Новый вид Ignisphaera cupida 4213-co (второй вид в семействе Ignisphaeraceae) был полностью охарактеризован. В его геноме обнаружены гены различных гликозидаз, ранее не показанных для архей. Также мы впервые провели сравнительный анализ способности всего семейства к росту на полисахаридах и показали большое разнообразие генов CAZymes в доступных геномах, относящихся к этой группе. (2) Новый вид Thermosphaera chiliensis 3507, способный к гидролизу различных полисахаридов, в том числе целлюлозы, бета-глюкана, гуаровой и карайя камедей, был полностью охарактеризован. В геноме штамма 3507 были обнаружены гены CAZymes, гидролизующих альфа-связи в полисахаридах, но не бета. Высокие нативные активности против целевых субстратов были получены для внеклеточных ферментов Ts. chiliensis, что подтвердило работу у этих архей бета-гликозидаз неизвестных ранее семейств GH. (3) В геноме нового вида Thermogladius (штамм KZ2Tp1), выделенного из in situ накопительной культуры, было обнаружено 34 гена CAZymes, что также объясняет способность археи к гидролизу большого разнообразия полисахаридов, в том числе камедей. (4) Новый вид рода Thermoproteus (штамм 4323bGlu) выделен из in situ накопительной культуры на камеди. Описание его свойств и геномный анализ будет проведен в следующем году. По результатам проекта в текущем году опубликовано две статьи, одна статья принята к печати, одна рукопись подана на рассмотрение в редакцию.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном году в рамках проекта были получены ключевые результаты по выделению, описанию и сравнительному анализу новых линий экстремофильных архей из горячих источников Камчатки и Курильских островов, ранее относившихся к «микробной темной материи». Эти работы существенно расширили понимание филогенетического разнообразия, экологической роли и метаболического потенциала архей-деструкторов, доминирующих в кислых гидротермах. Прежде всего, выделена чистая культура первого представителя древней линии A10 филума Thermoplasmatota – широко распространенной в кислых и горячих местах обитания группы архей. С начала «геномной эры» в исследовании микробных сообществ метаболизм и роль этих архей были не известны. Организму присвоено имя 'Thermolimicoccus acidophilus' AK‑4214. Показано, что это анаэробный термоацидофильный (опт. 70°С/рН 4,0) медленнорастущий органогетеротроф с необычной для архей морфологией, способный расти на пептидах и некоторых углеводах, и, вероятно, запасающий энергию за счет брожения. Сравнительный анализ полногеномной последовательности AK‑4214 и композитных геномов этой группы позволил выделить группу А10 в новый порядок 'Thermolimicoccales'. Разработаны и апробированы специфические праймеры и FISH‑зонды для данной группы, что позволило провести количественную оценку их распространенности в горячих источниках Камчатки (до 88% от всего состава сообщества в кислых и умеренно кислых горячих источниках до 70°С) и создало основу для дальнейшего мониторинга этих архей в культурах и природных сообществах. Выделены и охарактеризованы первые представители двух групп филума Thermoplasmatota, ранее считавшихся некультивируемыми – BSLdp215 и A‑plasma. Два умеренно термоацидофильных штамма BSL‑4345 и BSL‑4364 (опт. 50°С/рН 4,0) представляют новый вид нового рода 'Calidiplasma lacustris' и новое семейство 'Calidiplasmataceae' в порядке Thermoplasmatales. Для них были характерны медленный анаэробный рост и использование пентоз и некоторых полисахаридов, впервые показанное для этого порядка. Катаболизм углеводов идет через полуфосфорилирующий путь Энтнера-Дудорова и неокислительный вариант пентозо-фосфатного пути. Выделен первый представитель группы A-plasma - штамм 4311‑A. Для него продемонстрирован рост в аэробных мезофильных гиперацидофильных условиях (опт. 37°С/рН 1,5) на различных белках. Анализ генома и фенотипичеcкие особенности позволили отнести данную архею к новому виду нового рода 'Pumiliplasma ruvilicola' в семействе Thermoplasmataceae. За рамками поставленных задач дополнительно выделен штамм KZ1 – второй культивируемый представитель древней линии THSCG (класс Nitrososphaeria, филум Thermoproteota), для которого начато фенотипическое описание и анализ генома. Эта группа представляет большой интерес в эволюции Nitrososphaeria и перехода между разными трофическими стратегиями у прокариот (от облигатной органотрофии к облигатной хемолитоавтотрофии). Второе направление работ было посвящено гипертермофильным органотрофным археям, растущим на камедях и других природных полисахаридах, и исследованию их биотехнологического потенциала. Охарактеризованы три штамма рода Thermoproteus (4305KG, 4323BGlu, 4221R), растущие при 90°С и рН 6,8 и принадлежащие новому виду. Для представителей этого рода, описанного более 40 лет назад, впервые показана способность расти на широком спектре полисахаридов и высокий гидролитический потенциал: в геномах обнаружено по 19–20 гликозидаз и углеводэстераз различных семейств. Филогенетический анализ белков семейств GH57 и GH5 указал на существование ранее не описанных вариантов каталитической активности, а сравнительный геномный анализ выявил отличия в дыхательных цепях и метаболизме серосодержащих соединений между новыми штаммами и описанными видами Thermoproteus. В другом гипертермофильном роде Thermogladius описан новый вид 'Thermogladius gummivorans' KZ2Tp1 sp. nov. (опт. 83°С/рН 6,5), а также выделен еще один вид (штамм 4427co), описание которого только началось. Впервые было показано, что археи этого рода специализируются на утилизации широкого спектра полисахаридов, при этом в геномах закодирован относительно небольшой набор углевод-активных ферментов.​ Третье направление проекта связано с поиском перспективных в фундаментальном и биотехнологическом аспектах новых гликозидаз у архей, выделенных и подробно описанных на предыдущих этапах проекта. Для штаммов Tardisphaera miroshnichenkoae MP‑3918, Ta. saccharovorans AK‑3817 и Ignisphaera cupida 4213‑co выполнен детальный in silico анализ генов гликозидаз, выявивший редкие для архей семейства GH5, GH12, GH50 и GH116 с нетипичной доменной архитектурой. Проведена гетерологическая экспрессия пяти гликозидаз (три GH12 и две GH50) в клетках E. coli, получены ферментативные препараты и выполнен первичный скрининг субстратной специфичности. Наиболее подробно охарактеризован фермент PRQ50 (семейство GH50), ставший первым описанным представителем этого семейства из домена Археи. Показана его высокая активность в отношении бета‑(1‑3)/(1‑4)‑глюканов, широкий диапазон рабочих температур (37-100°С) и pH (3,0-8,0), а также устойчивость к присутствию детергентов, что подчеркивает его потенциал для применения в биотехнологии. Результаты проекта вызвали значительный интерес научного сообщества и были представлены на крупных конференциях, включая Gordon Research Conference и Российский микробиологический конгресс, в формате приглашенных, пленарных, устных и стендовых докладов, а также в рамках Международного фестиваля Наука 0+. Научные достижения по проекту освещены в новостных и научно‑популярных материалах РНФ, РАН, региональных и федеральных СМИ, специализированных интернет‑ресурсах, посвященных биотехнологии и микробиологии. основные ссылки: https://rscf.ru/news/release/uchenye-vyrastili-arkhey-davno-schitayushchikhsya-nekultiviruemymi-/ https://www.interfax-russia.ru/academia/news/novye-mikroorganizmy-s-unikalnymi-svoystvami-obnaruzhili-v-goryachih-istochnikah-kamchatki-i-kurilskih-ostrovov http://biotech2030.ru/uchenye-vyrastili-arhej-davno-schitayushhihsya-nekultiviruemymi/ http://biotech2030.ru/otkrytie-v-kronotskom-zapovednike-mozhet-navsegda-izmenit-pererabotku-musora/ https://web.telegram.org/a/#-1001149078029 https://vkvideo.ru/video-152260072_456246439 https://new.ras.ru/activities/news/vydeleny-predstaviteli-drevney-linii-arkhey-davno-schitayushchikhsya-nekultiviruemymi/ https://indicator.ru/biology/uchenye-vyrastili-arkhei-davno-schitayushikhsya-nekultiviruemymi-04-10-2025.html https://www.dv.kp.ru/daily/27738/5164293/ https://kamchatkamedia.ru/news/2279598/