Большинство людей склонны думать о бактериях как о чем-то, что нужно уничтожить, но многие из этих одноклеточных организмов играют неоценимую роль в поддержании здоровья человека. Взять хотя бы пробиотики – они позволяют поддерживать здоровье пищеварительной системы, а доступны они всем желающим в ближайшей аптеке. Аналогично, бактериальные и грибковые добавки для почвы стимулируют рост растений, оптимизируя процессы усвоения питательных веществ и водоснабжения. Но в нынешнем виде эти полезные микроорганизмы довольно хрупки. Суровые условия производства, транспортировки и хранения часто губительны для них, что приводит к снижению эффективности конечного продукта.
Однако ситуация может измениться: полезные бактерии и грибки теперь имеют более высокий шанс успешно достигнуть своей цели – будь то желудок человека или сельскохозяйственные поля. Группа инженеров из Массачусетского технологического института (MIT) разработала способ повышения стойкости полезных бактерий и грибов. Новая технология позволяет им выдерживать высокие температуры, радиацию, обезвоживание и другие экстремальные условия промышленных процессов. Искусственно усовершенствованные микроорганизмы, названные синтетическими экстремофилами, настолько выносливы, что способны пережить даже космическое путешествие.
Вдохновленные природными экстремофилами - микроорганизмами, процветающими в суровых условиях, таких как знойные пустыни или кипящие гейзеры, шесть лет назад ученые MIT начали свой перспективный эксперимент. Ученые считают, что если некоторые микробы способны выживать в таких условиях, должен существовать способ наделить подобной стойкостью и более уязвимые виды. При поддержке Института трансляционных исследований космического здоровья НАСА они приступили к поиску коммерческих штаммов бактерий и грибов, нуждающихся в повышении выживаемости. Их выбор пал на Ensifer meliloti, способствующей росту растений, ферментационной бактерии Lactobacillus plantarum, а также пробиотическим культурам Escherichia coli Nissle 1917 и Saccharomyces boulardii, которые теряют жизнеспособные клетки во время стандартных промышленных процессов.
Образцы микробов из Массачусетского технологического института на борту МКС. Источник: НАСА.
Как правило, полезные микроорганизмы, предназначенные для оздоровительных или сельскохозяйственных целей, подвергаются обезвоживанию и превращаются в порошок методом лиофилизации. После этого микробы для почвенных добавок обычно готовы к упаковке, транспортировке и продаже. Однако кишечные пробиотики, такие как E.coli Nissle 1917 и S.boulardii, требуют дополнительной обработки органическими растворителями перед тем, как их можно будет упаковать в капсулу. Данный процесс нарушает целостность микробных клеток, снижая их шансы на выживание.
Чтобы сделать своих одноклеточных подопечных более стойкими, исследователи из MIT обратились к пищевым и лекарственным добавкам – веществам, которые Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) считает "общепризнанно безопасными" для употребления в пищу, медицинского или косметического применения. В своей статье, опубликованной в журнале Nature Materials, они описывают тестирование более 2000 комбинаций микробов и добавок. Каждая смесь подвергалась серьезным испытаниям, включая высушивание, воздействие высоких температур, ионизирующего излучения и органических растворителей.
В результате ученые выявили четыре комбинации микроорганизмов и добавок, существенно повышающих выживаемость микробов в неблагоприятных условиях. К примеру, устойчивость E.coli Nissle 1917 к стандартной промышленной обработке возросла более чем в 10 000 раз по сравнению с существующими коммерческими продуктами. При этом все четыре синтетических экстремофила сохранили свою функциональность на уровне менее стойких аналогов, что подтвердили эксперименты на живых организмах и растениях. Исследователи предполагают, что подобранные добавки укрепляют целостность клеточных мембран, предотвращая их разрушение – главную причину гибели клеток при обработке.
Одним из наиболее интересных этапов исследования стала отправка образцов синтетических экстремофилов на Международную космическую станцию (МКС). Часть образцов находилась внутри станции, а другая была прикреплена снаружи. Сейчас, после возвращения образцов на Землю, ученые проводят их сравнительный анализ с контрольной группой, не подвергавшейся воздействию космической среды. Если окажется, что микробы пережили космическое путешествие, синтетические экстремофилы могут найти применение в поддержании здоровья астронавтов или даже в развитии космического сельского хозяйства.
