Российские ученые определили самые оптимальные условия для консервации специфических микроорганизмов, способных выживать в условиях экстремально высокой солености. Авторы исследования с помощью искусственной нейронной сети нашли лучший способ сохранения таких микроорганизмов в течение долгого времени. Результаты исследования опубликованы в журнале Extremophiles. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

 

Некоторые микроорганизмы обитают в настолько неблагоприятных условиях, что выжить в них, кажется, невозможно. Например, Halobacterium salinarum – экстремально галофильная (в дословном переводе с греческого — «любящая соль») архея, то есть одноклеточный организм без ядра и мембранных органелл, способный выживать в концентрированном растворе соли. Весьма вероятно, что галофильные археи были первыми живыми существами на Земле и со временем приобрели устойчивость не только к высокому содержанию соли, но и к высушиванию, высокой температуре, радиации и некоторым ядам. Благодаря своим уникальным свойствам галофильные бактерии и археи, попадая в организм животных, могут выполнять защитные функции. Разные группы исследователей ищут новые возможные применения галофилов в биотехнологии и промышленности (например, в производстве кормовых добавок и в биомедицине). Однако для массового применения галофильных микроорганизмов необходимо развитие технологий их высушивания и хранения. Авторы нового исследования определили, каким образом это делать лучше всего.

«Галофильные микроорганизмы, в частности галобактерии, продолжают рассматриваться многими исследователями как возможный первый живой организм, занесенный на Землю из просторов космоса и давший, благодаря эволюционным преобразованиям, все разнообразие живых форм на нашей планете. В подтверждение данной гипотезы упоминают более высокую выживаемость клеток микроорганизмов при их высушивании и инкапсуляции, в частности, в кристаллы соли NaCl. Получение и использование высушенных клеток галобактерий дает возможность длительного хранения жизнеспособных клеток, обладающих всеми ценными свойствами, характерными для живой материи вообще», — рассказал Дмитрий Складнев, один из авторов работы, заведующий лабораторией выживаемости микроорганизмов Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН.

Существует два способа высушивания галофильных микроорганизмов: распылительная сушка и лиофилизация. В первом случае раствор с организмами распыляют в поток горячего воздуха, в результате жидкость удаляется и остаются только сухие твердые частицы. При лиофилизации вещество сначала замораживается, а затем помещается в вакуумную камеру. Качество консервации зависит не только от того, каким методом ее проводят, но и от конкретных условий эксперимента: температуры, давления и так далее. Ученые из Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева совместно с коллегами из Института биохимии и физиологии микроорганизмов имени Г.К. Скрябина, Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова, Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН и Института микробиологии имени С.Н. Виноградского РАН определили, какие условия консервации подходят лучше всего.

В качестве индикаторов сохранности компонентов биомассы ученые использовали каротиноиды – аналоги природного пигмента моркови каротина, которые выполняют в галофилах защитную функцию. Для подбора лучших параметров консервации ученые применили модель искусственной нейронной сети. Она способна обучаться на примере различных условий и различных исходов эксперимента, а затем предсказывать результат для любых заданных входных параметров. Исследователи использовали метод распылительной сушки для нескольких образцов биомассы с Halobacterium salinarum, каждый раз изменяя один или несколько параметров: температуру воздушной струи, высушивающей препарат, ее интенсивность и скорость, а также интенсивность распыления биомассы. Эти параметры затем использовались в качестве «входных нейронов» нейросети. «Выходными нейронами» стала концентрация каротиноидов через 4, 6 и 12 месяцев после эксперимента. В результате нейронная сеть подобрала оптимальные параметры распылительной сушки, при которых сохранность каротиноидов максимальная, а повреждения микроорганизмов – минимальные.

«В настоящей работе оптимизировались практически значимые режимы распылительной сушки галобактерий и исследовались характеристики высушенной биомассы в процессе длительного хранения. Определение в лабораторных условиях параметров распылительной сушки галофильных микроорганизмов позволит в дальнейшем экстраполировать полученные данные для применения в промышленных масштабах», — пояснил Сергей Каленов, еще один автор исследования, доцент кафедры биотехнологии РХТУ имени Д.И. Менделеева.

В экспериментах клетки микроорганизмов высушивались, «прячась» в кристаллы соли. В дальнейших исследованиях ученые планируют провести аналогичные эксперименты с использованием органических протекторов, например, полисахаридов.

«Галобактерии используют в качестве источника углерода только аминокислоты. Это значит, что углеводы и полисахариды не потребляются и могут служить протекторами при распылительной сушке. Такой процесс интересно было бы исследовать. Снижение стоимости биотехнологического сырья и возможный протекторный эффект полисахаридов при распылительной сушке может дать значимый экономический эффект», — добавил Сергей Каленов.

Похожие новости

  • 12/09/2018

    Ученые научились восстанавливать яблоко по срезу

    ​Сотрудники Института физики Земли РАН, Казанского федерального университета, Левенского университета и других исследовательских организаций России и Бельгии показали, что методы моделирования пористых сред подходят для того, чтобы определять трехмерное строение продуктов питания.
    93
  • 23/06/2018

    Российские ученые нашли вещество, ослабляющее защиту раковых клеток

    ​Российские молекулярные биологи открыли вещество, способное "отключать" белки, мешающие химиотерапии убивать раковые клетки, и успешно проверили его работу на культурах рака прямой кишки.
    390
  • 10/03/2017

    Российские ученые разработали новое вещество против вируса гриппа на основе природных соединений

    ​Ученые из Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и Научно-исследовательского института гриппа в Санкт-Петербурге разработали новый продукт широкого спектра противовирусной активности, в основе которого лежат природные соединения: терпены и терпеноиды.
    1830
  • 12/10/2016

    АлтГУ и ИЦиГ СО РАН развивают сотрудничество

    ​Алтайский государственный университет совместно с Федеральным исследовательским центром Институтом цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук приступает к реализации научно-образовательного проекта по селекции и семеноводству.
    1656
  • 25/07/2018

    ТюмГУ и Университет Северной Аризоны создадут совместную научную лабораторию

    ​В ТюмГУ побывала делегация из Университета Северной Аризоны (г. Флагстафф, США) во главе с заместителем проректора по глобальным инициативам Дэниелом Палмом.  По итогам переговоров с ректором ТюмГУ Валерием Фальковым была согласована разработка совместного исследовательского проекта по биобезопасности лесов, что включает в себя создание новой «зеркальной» научной лаборатории, академические стажировки в США магистрантов программы «Биобезопасность растений» нового института ТюмГУ – X-BIO и стажировки американских студентов в X-BIO, научное соруководство диссертациями аспирантов и, в перспективе, разработку программ двойных дипломов.
    171
  • 14/04/2017

    Российские ученые приблизились к разгадке механизма выработки лечебных белков

    ​Ученые ТГУ и МГУ выявили механизмы, которые играют главную роль в продукции миокинов - белков, обладающих противовоспалительным действием. Полученные данные помогут активизировать выработку в организме веществ, снижающих уровень воспалительных процессов.
    708
  • 29/12/2017

    Ученые разработали алгоритм для ДНК-оригами

    Международный коллектив российских и американских ученых предложил алгоритм компьютерного моделирования сложенных из ДНК трехмерных конструкций. Такие нанороботы могут использоваться в электронике и медицине, например, для доставки лекарств.
    506
  • 08/08/2017

    Ученые установили, что древние жители Алтая выращивали гигантских овец

    Ученые из Алтайского государственного университета (АлтГУ) совместно со специалистами из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН подготовили и осуществили палеогенетические исследования костных останков овец, обнаруженных на юге Западной Сибири при раскопках археологических памятников, которые датируются с помощью радиоуглеродного метода второй половиной III – началом II тыс.
    1034
  • 12/10/2017

    ИХБФМ СО РАН примет участие в реализации стратегического проекта АлтГУ

     10 октября делегация Алтайского государственного университета во главе с ректором Сергеем Валентиновичем Землюковым с рабочим визитом посетила Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук.
    933
  • 03/06/2016

    Экспедиция ТюмГУ продолжает исследования в томской тайге

    ​Исследователи Тюменского государственного университета - акарологи и энтомологи - продолжают обследование хвойных лесов Сибири на предмет поражения деревьев опасными вредителями - жуками-короедами.  Из последних особую опасность представляет уссурийский полиграф, широко распространившийся в Сибири и Европейской части России и приведший к масштабной гибели ценнейших деревьев - пихт.
    1395