Изучение микробного сообщества глубокого подземного минерального источника с использованием инфраструктуры Баксанской Нейтринной Обсерватории

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-24-00003

НазваниеИзучение микробного сообщества глубокого подземного минерального источника с использованием инфраструктуры Баксанской Нейтринной Обсерватории

Руководитель Яхненко Алёна Сергеевна,

Организация финансирования, регион Международная межправительственная научно-исследовательская организация Объединенный институт ядерных исследований , Московская обл

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-110 - Общая и молекулярная микробиология; вирусология

Ключевые слова микробиом, метагеном, глубокий подземный, минеральный источник, биотехнологии, тяжелые металлы, биоремедиация, метаболическое моделирование

Код ГРНТИ34.27.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Экстремофилы - организмы, которые обитают в условиях, сильно отличающихся от тех, что мы наблюдаем на поверхности Земли. Такими условиями могут быть любые экстремально низкие или экстремально высокие значения таких параметров как рН, соленость, температура, давление, ионизирующее или ультрафиолетовое излучение, концентрация тяжелых металлов (по сравнению с поверхностным уровнем). Благодаря уникальным эволюционным адаптациям экстремофилы могут выдерживать такие условия и потому представляют огромный интерес для исследований, ведь многие их уникальные адаптации и обеспечивающие их гены еще не выявлены. Исследования, связанные с экстремофилами, актуальны для таких областей, как биотехнология, астробиология, биоремедиация загрязненных сред, биовыщелачивание руд. Для биотехнологических приложений в основном используются различные ферменты функционирующие в широком диапазоне условий. Среди них ПЦР-полимеразы, гидролазы крахмала, ферменты для холодной стирки, холодоустойчивая галактозидаза для производства безлактозного молока и многие другие. Каротиноиды, лекарственные вещества, биотопливо – другие продукты, полученные с участием экстремофилов. Еще одно важное направление — астробиология. Установление предельных границ физико-химических параметров существования жизни на Земле могло бы иметь большое значение при оценке вероятности наличия жизни на других планетах. Еще одно применение экстремофилов – биоремедиация загрязнений из различных сред. Многие промышленные объекты производят сильно загрязненную воду, часто тяжелыми металлами. Многие экстремофилы оказались полезными для очистки таких загрязненных вод. Развитие технологий высокопроизводительного секвенирования обеспечило повсеместное распространение методов метагеномики в микробиологии. Метагеномика предоставляет исследователям данные о биоразнообразии, позволяет проводить скрининг функциональных генов и изучать метаболические сети между членами сообщества. Это позволило микробиологам изучить некоторые ранее неизвестные особенности некультивируемых микробных сообществ, в особенности, из подземных горячих источников. Возможности изучения глубоких подземных организмов немногочисленны и в основном связаны с местами буровых работ, шахтами горнодобывающей промышленности и подземными объектами науной инфраструктуры. Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН (БНО) — подземное сооружение, созданное для исследований в области ядерной физики. Это 4-километровый горизонтальный туннель под горой Андырчи, на дальнем конце которого имеются выходы высокоминерализованного источника. Источник представляет интерес в связи с исследованием его микробного сообщества, так как исследования глубоких подземных сообществ в БНО, как и в республике Кабардино-Балкария в целом, ранее не проводились. В рамках реализации проекта планируется проведение комплексного исследования глубоко подземного микробного сообщества из минерального источника БНО. Для некультивируемой части сообщества будет проведено секвенирование метагенома биопленки, сборка геномов, анализ биоразнообразия, построение метаболической сети, оценка генов-кандидатов для биотехнологии и биоремедиации. Для культивируемой части микробного сообщества, представленной ранее выделенным нами видом Cytobacillus pseudoceanisediminis, будут поставлены эксперименты по анализу механизмов устойчивости к тяжелым металлам и поиск таргетных генов, обуславливающих эту устойчивость. Будет оценена возможность использования Cytobacillus pseudoceanisediminis для создания биосенсоров и биоремедиации загрязненных тяжелыми металлами вод. Результаты этой работы внесут большой вклад в понимание функционирования глубоких подземных микробных сообществ. Новизна и высокая актуальность изучения микробного сообщества БНО не поддаются сомнению, поскольку в республике Кабардино-Балкария подобных исследований ранее не проводилось.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Для образца биопленки из глубокого подземного минерального источника получены данные метагеномного секвенирования, содержащие 31,061,948 парных чтений длиной 300 п.н. Данные были проанализированы и из них были собраны 19 MAG (metagenome assembled genomes), которые были аннотированы и классифицированы. Полученные MAG в среднем имеют покрытие 97Х и описывают 81.53% сообщества. Согласно полученным данным, сообщество источника представлено, в основном, типами Proteobacteria (74% метагеномной ДНК) и Planctomycetota (16%). Типы Nitrospirota, Myxococcota, Cyanobacteriota, Armatimonadota и Gemmatimonadota также представлены в сообществе и составляют в сумме около 10%. На основании аннотации MAG, а также поиска маркерных генов биохимических путей была составлена экологическая модель обмена веществ в источнике. Таким образом, было выявлено, что исследуемое сообщество имеет сложный состав: в нём присутствуют продуценты первичных органических соединений, консументы, а также хищные бактерии. Первичными источниками углерода для сообщества может являться абиогенный метан (присутствуют метанотрофы I и II типа), углекислый газ (имеются представители, осуществляющие фиксацию углекислого газа в цикле Кальвина-Бенсона-Бассама, пути Вуда-Льюнгдала, обратном цикле трикарбоновых кислот), а также органические соединения (многие члены сообщества имеют гены утилизации органических субстратов). Представлены разнообразные группы, участвующие в биогенном цикле азота: азотфиксаторы, организмы, разлагающие органические соединения азота, нитрификаторы, денитрификаторы, анаммокс-бактерии. Имеются представители, способные использовать восстановленные соединения серы в качестве донора электронов. Многие организмы имеют возможности к окислению либо восстановлению соединений железа, что обусловлено наличием большого количества этого элемента в воде источника. Водород, метан, аммиак вулканического и корового происхождения могут служить источниками энергии для микробного сообщества. Наличие таких групп, как нитратредукторы, азотфиксаторы, анаммокс-бактерии, бактерии, осуществляющие железное дыхание свидетельствует о том, что в биоплёнке источника имеются зоны с пониженным содержанием кислорода. Большая доля микроорганизмов, способных разлагать сложные субстраты, особенно такие, которые не производятся или крайне редко производятся микроорганизмами (крахмал, целлюлоза, хитин) свидетельствует о возможном наличии питания источника также и поверхностными водами с растворённой органикой. С другой стороны, присутствие большого количества органотрофов, снабжаемых органическим веществом небольшим количеством продуцентов, - не редкое явление для глубоких сообществ (так, например, обстоит дело в шахтах Outokumpu (Purkamo et al., 2016), или в шахтах Южной Африки (Simkus et al., 2016) . Проведен сравнительный анализ состава сообщества из источника БНО и других глубоких подземных микробных сообществ, расположенных в России, ЮАР, Финляндии, Швейцарии, Швеции, Канаде, Индии, Мексике, США, Великобритании и Японии. Наиболее схожие по составу с исследуемым нами сообществом микроорганизмов сообщества были выявлены в точках из Финляндии (законсервированный рудник по добыче хрома Outokumpu) и Канады (нефункционирующая шахта по добыче серебра, меди и цинка Kidd Creek). Для культивируемой части сообщества (C. pseudoceanisediminis) определены минимальные концентрации тяжелых металлов, угнетающие рост культуры (MIC). Они составили: 2 mM для Pb(NO3)2, 0.6 mM для CuSO4, 0.16 mM для Cd(NO3)2. Определены основные механизмы устойчивости C. pseudoceanisediminis к Cd(NO3)2, Pb(NO3)2 и CuSO4. Основным механизмом устойчивости к Cu2+ и Cd2+, по всей видимости, является активный транспорт ионов металлов из клеток, поскольку в геноме C. pseudoceanisediminis были найдены гены czcD и CopB, участвующие в активном транспорте катионов Cd2+ и Cu2+, в то время как способности к адсорбции и преципитации отсутствуют (концентрация металлов в супернатанте культуры C. pseudoceanisediminis значимо не менялась). Выявлены более разнообразные механизмы устойчивости к Pb2+, чем к Cd2+ и Cu2+. Показано наличие как пассивной, так и метаболизм-зависимой способности к снижению концентрации катионов Pb2+ среде. Помимо этого, вероятным механизмом устойчивости является активный транспорт Pb2+ из клеток. Учитывая отсутствие в геноме единственного специфичного для детоксификации Pb2+ оперона - pbr, мы предполагаем, что устойчивость C. pseudoceanisediminis к Pb2+ обеспечивается группами генов, имеющих также и дополнительные функции.

Публикации

1. Тарасов К.А., Зарубин М.П., Яхненко А.С., Гангапшев А.М., Кравченко Е.В. Метагеномный анализ микробного сообщества из глубокого подземного источника баксанской нейтринной обсерватории Материалы IX Молодежной школы -конференции по молекулярной и клеточной биологии Института ци - тологии РАН, Материалы IX Молодежной школы -конференции по молекулярной и клеточной биологии Института ци - тологии РАН, С.-Петербург, 15–18 октября 2024 г. – СПб. : Астерион, 2024. – 332 с. – DOI: 10.53115/9785001885320 (год публикации - 2024)

2. Тарасов К.А., Кравченко Е.В., Зарубин М.П., Яхненко А.С. Deep underground metagenome-assembled genomes from hydrothermal spring Microbiology Resource Announcements, Vol. 13, Issue 10, P. 1-5 (год публикации - 2024)
10.1128/mra.00574-24