Большинство микробиологов выращивают свои бактерии в чашках Петри для того, чтобы понять, как они растут и как они реагируют на неблагоприятные условия. Однако исследователи факультета биологических наук Университета штата Луизиана предпринимают нечто почти неслыханное: они изучают микробы при температурах ниже точки замерзания для того, чтобы понять, каким образом организмы выживают в течение тысяч лет в глубоких слоях антарктической вечной мерзлоты или даже во льдах на Марсе.
«Я мог бы провести вас в конец коридора, где у нас расположена общая комната, наполненная морозильниками», - сказал Брент Кристнер (Brent Christner), доцент факультета биологических наук Университета штата Луизиана и выдающийся исследователь антарктических микробов. Во время разговора он склонился над своим столом, показывая мне полученные с помощью микроскопа изображения клеток, находящихся во льду. «И в этих морозильниках хранятся клетки и образцы тканей. Мы помещаем их туда, поскольку, на самом деле, это один из способов их сохранения».
В лаборатории Кристнера содержатся тысячи различных видов микробов, и хранятся они при температуре минус 80 градусов Цельсия. Эти микробы, объясняет он, вполне можно оживить, если вынуть их из морозильника и поместить в богатую питательными элементами среду. «Но что произойдет, если морозильники будут работать в течение миллиона лет? - спрашивает Кристнер. – Мы полагаем, что некоторая часть бактерий погибает каждый год, потому что они состоят из молекул, которые даже в замороженном состоянии подвержены разложению».
Кристнер и его коллеги из Университета штата Луизиана – аспиранты Маркус Дизер (Markus Dieser) и Мэри Эпплуайт (Mary Lou Applewhite), а также профессор биологии Джон Баттиста (John Batista), недавно подготовили статью на тему о механизмах восстановления ДНК у замороженных микробов, которая была принята журналом «Прикладная биология и экомикробиологии» (Applied and Environmental Microbiology). Для понимания того, как микробы выживают при низких температурах, Кристнер и его коллеги сфокусировали свое внимание на ДНК, на наследственной молекуле, в которой закодированы генетические инструкции, используемые в процессе развития и функционирования живых организмов – от человека до микробов. Микробы ДНК обычно представляют собой миллионы пар оснований (base pairs) или единиц - они имеют относительно большую длину, часто организованы в одну кольцевую структуру, в которой закодированы тысячи генов.
«Нам известно о том, что существует спонтанная реакция, которая происходит в том случае, когда молекула повреждается», - отметил Кристнер. Самым серьезным повреждением является двухспиральный разрыв, когда единственная кольцеобразная «хромосома» разрывается на две отдельные части, которые необходимо соединить для того, чтобы она вновь начала функционировать.
«Такого рода повреждение, насколько нам известно, происходит в том случае, когда клетки находятся в замороженном состоянии на протяжении тысяч лет, - отметил Кристнер. – Представьте себе, что микроб находится в течение такого продолжительного времени во льду, и его ДНК при этом разрывается на части. В определенный период наступает момент, когда ДНК микроба получает такие повреждения, что она уже, в принципе, не может больше служить хранилищем информации. И в таком случае бактерии как таковой уже больше нет, и остается, по сути, ее труп».
Казалось бы, это весьма неблагоприятная ситуация с точки зрения продолжительности жизни микробов во льду. Однако любопытно то, что ученые способны оживить микробы, погребенные в толще льда в течение сотен тысяч лет. В действительности Кристнеру удалось оживить несколько микробов различных видов, находившихся на дне ледниковой шапки Гулия (Guliya) Тибетского нагорья в западной части Китая – этому леднику 750 000 лет, и он возник задолго до появления человека.
«Еще недавно покрытые ледниками значительные территории Земли считались лишенными жизни пустынями, - отметила Ваня Митева (Vanya Miteva), профессор Университета штата Пенсильвания и автор главы о микроорганизмах, ассоциированных с ледниками, в «Энциклопедии снега, льда и ледников» (Encyclopedia of Snow, Ice and Glaciers). – В течение последних двадцати лет эта точка зрения изменилась, и теперь мы говорим о криосфере как о важной обитаемой экосистеме на Земле».
Но как можно оживить бактерию, находившуюся в течение 750 000 лет в толще льда? Выживание микроорганизмов в древних ледниках и в условиях вечной мерзлоты традиционно приписывается их способности существовать в сонном и в метаболическом смысле инертном состоянии. Но даже это объяснение не принимает в расчет фоновые значения ионизирующей радиации, которая, несомненно, наносит ущерб ДНК микробов независимо от того, находятся ли они в замороженном состоянии на дне ледника, или нет.
«Способность выживать в течение столь длительного времени, по мнению многих специалистов, объясняется состоянием сна или «замедленного метаболизма» (slow motion metabolism), однако, независимо от физиологического состояния, без активной работы ДНК по восстановлению организм будет накапливать ущерб в ДНК до того момента, пока клетка не погибнет», - отметил Дизер.
Однако сегодня существует поддерживаемое некоторыми учеными альтернативное объяснение подобного странного долголетия микробов в толще льда: «рабочие» ферменты занимаются устранением повреждений ДНК даже в условиях замерзания. «В ваших клетках прямо сейчас находятся занятые ремонтом ДНК ферменты, хотя вы и не подвергаетесь в настоящий момент воздействию высокого уровня радиации», - подчеркнул Кристнер. Он ссылается на фоновый уровень ионизирующей радиации, исходящей как от естественных, так и от искусственных источников вокруг нас, включая радоновые источники, космическое и земное излучение. Хотя обычно уровень фонового излучения на Земле очень низок в любое время, легко себе представить, что микробы, сохраняющие жизнь в течение сотен тысяч лет, подвергаются значительному разрушительному воздействию даже от небольших доз фоновой радиации.
В 2007 году, обнаружив в неповрежденном виде ДНК микроба, сохранившуюся в насчитывающих 600 000 лет образцах вечной мерзлоты, ученые предположили, что, вероятно, причиной этого является активный механизм восстановления ДНК. Но в отличие от группы Кристера, у них не было специальных знаний о том, каким образом микробы способны восстанавливать свои ДНК в подобного рода неблагоприятных условиях и при столь низких температурах. «Все меняется, если микробы не просто находятся там в состоянии полного прекращения жизненных функций, а в них, на самом деле, происходит активный метаболизм, - отметил Кристнер.
«Трудно себе представить, что нечто подобное в толще льда, не так ли?» У НАСА существует мантра «следуй за водой», и основана она на общей идее о том, что там, где есть вода, есть и жизнь, а также на том, что клетки нуждаются в воде для роста и метаболизма. Однако важно помнить, добавляет Кристнер, что даже во льду всегда есть небольшое количество воды в жидком состоянии. Мы сидим у него в кабинете, и он выводит на монитор своего компьютера сделанное с помощью микроскопа изображение кристаллов льда. Структура кристаллов льда выглядит как сложная головоломка, составленная с помощью крупных шестиугольных частей. Однако Кристнер указывает на узкие разрывы между краями и вершинами элементов этой ледяной головоломки.
«Вот вода в жидком состоянии, - отметил он. – В этом куске льда есть вода». Еще большее удивление вызывает показанное Кристнером изображение того же кристалла льда, обработанного специальным зеленым красителем, показывающим только живые клетки. Полости между отдельными кристаллами льда заполнены крохотными зелеными микробами.
«Организмы в этих образцах, в действительности, мигрируют в подобного рода водяную среду внутри льда, - подчеркнул Кристнер. – И, на самом деле, из других проведенных экспериментов нам стало известно, что микробы способны к метаболизму и создают новые ДНК при низких температурах». Проведенные исследования показали, что микробы продолжают метаболическую активность внутри льда даже при температурах значительно более низких, чем уровень замерзания, то есть при температурах минус 40 градусов Цельсия и ниже.
В последней статье Кристнера полученные результаты переносятся на другой уровень. Они показывают, что микробы при низких температурах не только могут производить новые ДНК, но и способны исправлять поврежденные ДНК, в том числе даже те, в которых произошли двухнитиевые разрывы. Кристнер и его коллеги брали образцы замороженных при температуре минус 15 градусов Цельсия бактерий Psychrobacter arcticus - эти адоптированные к холоду и служащие в качестве модели бактерии были недавно обнаружены в сибирской вечной мерзлоте, - и подверг их определенной дозе разрушающего ДНК ионизирующего облучения, эквивалентного тому объему, который эти микробы получили бы в течение 225 000 лет нахождения в вечной мерзлоте.
Следует отметить, что подобная доза в 45 раз выше смертельной дозы для человека. После этого эксперты держали облученные микробы в условиях низких температур в течение двух лет, периодически проверяя их ДНК. Как и ожидалось, высокая доза радиации, полученная бактериями, не обладающими защитными механизмами, сильно повредила одноокружные хромосомы микробов Psychrobacter arcticus, превратив их во взвесь более мелких частей, образовавшихся в результате двухнитиевых разрывов в молекуле. Ученых также удивило то обстоятельство, что в течение двух лет, проведенных микробами в морозильной камере, части ДНК микробов начали постепенно собираться в первоначальном порядке.
«Это не может быть случайным процессом, - отметил Кристнер. – Если разорвать хромосому на отдельные куски, то клетка начинает составлять их вновь, и она не может сложить их вместе произвольно. Хромосома составлена в определенном порядке, и для выживания организма она должна быть восстановлена в правильном порядке. Это показывает нам, что клетки исправляют ДНК».
Согласно полученным данным, бактерии Psychrobacter arcticus, судя по всему, обладают способностью исправить от 7 до 10 двухнитиевых разрывов в год в условиях низких температур. Полученные данные важны, по мнению Кристнера, поскольку обычно мы не считаем низкие температуры теми условиями, при которых могут происходить сложные биологические процессы.
«Полученные результаты показывают, что, несмотря на низкие температуры порядка минус 15 градусов Цельсия, и высокую засоленность прожилок в кристаллах льда, определенные организмы способны в таких условиях исправлять свои ДНК, усиливая таким образом способность выживать при низких температурах во льду», - отметил Марк Скидмор (Mark Skidmore), доцент факультета землеведения Университета штата Монтана. Эти результаты подтверждают данные проведенных ранее Скидмором и Кристнером экспериментов относительно того, что жидкость во разрывах льда является возможным местом обитания для микроорганизмов.
«Проведенное исследование предоставляет значительное количество полученных экспериментальным путем доказательств того, что при низких температурах клетки могут успешно исправлять причиненный радиацией ущерб ДНК и таким образом сокращать летальный эффект и существенно продлять время выживания клеток, - подчеркнула Митева. – В целом эта хорошо написанная статья, несомненно, окажет положительное воздействие, а также поможет нам лучше понять продолжительность жизни микроорганизмов на Земле и, возможно, в других местах».
До проведенного Кристнерем эксперимента существовали доказательства того, что микробы способны сохранять активность низкого уровня при температурах ниже точки замерзания, однако их способность предпринимать определенные действия для улучшения выживания в подобных условиях оставалась лишь предметом спекуляций. Полученные данные позволяют говорить о том, что жизнь способна эволюционировать на Марсе и что микробы, находящиеся в замороженном состоянии где-то на поверхности, могут сохранять жизнеспособность при наличии соответствующих условий.
«Это тот путь, который является важным для организмов, выживающих в таких местах как Антарктика или в глубоких слоях вечной мерзлоты, как это происходит на Марсе, - подчеркнул Кристнер. – Это важно для астробиологии, потому что подобные механизмы работают в нашей крио-биосфере, а это означает, что микробы могут использовать похожий механизм выживания во льду на других спутниках и телах Солнечной системы. Мы очень взволнованы по поводу полученных нами результатов».
Однако исследования в области хладолюбивых бактерий далеки от завершения. Кристнер и его коллеги занимались в основном изучением проблем исправления ДНК этими микробами-долгожителями, однако при этом остается открытым вопрос о том, каким образом бактерии получают энергию для поддержания метаболической активности ДНК в течение сотен тысяч лет. Будущие исследования будут вынуждены дать ответ на этот вопрос, а также обратить внимание на другие механизмы выживания бактерий в экстремальных условиях.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ
Каким образом организмы выживают в течение тысяч лет в глубоких слоях антарктической вечной мерзлоты или даже во льдах на Марсе? Оказывается, микробы способны сохранять активность при температурах ниже точки замерзания, однако их способность предпринимать определенные действия для выживания в подобных условиях оставалась лишь предметом спекуляций. Полученные данные позволяют говорить о том, что жизнь способна эволюционировать на Марсе.
