​Российские ученые с помощью нейросети определили самые оптимальные условия для длительного хранения микроорганизмов, выживающих при экстремально высокой солености. Статья об этом опубликована 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

  • 11/05/2018

    Российские ученые улучшат препараты для генной терапии

    ​Российские молекулярные биологи разработали новую технологию ввода в клетки генной терапии, изучив, как миниатюрные жировые капсулы взаимодействуют с нитями ДНК. Рецепт по сборке наношприца опубликован в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
    148
  • 28/04/2018

    Светящиеся биосенсоры позволили регистрировать разные показатели в организме

    ​Российские биохимики рассмотрели возможности биологических сенсоров на основе флуоресцентных белков и показали, какие биохимические параметры в живом организме можно измерить с их помощью.  В частности, разработанный подход позволяет почти мгновенно получать данные с самых ранних стадий развития ишемического инсульта у крыс.
    183
  • 30/03/2018

    Трехпетельные белки млекопитающих замедлили рост раковых клеток

    Российские ученые обнаружили, что белки человека SLURP способны подавлять рост раковых клеток. Эти белки регулируют функционирование эпителия, однако механизм их действия не до конца ясен. Полученные результаты в будущем могут быть использованы для разработки и улучшения противораковых препаратов.
    166
  • 29/05/2018

    МикроРНК поможет ученым диагностировать рак яичников

    ​Группа ученых из Научно-исследовательского института общей патологии и патофизиологии во главе с профессором Элеонорой Брагой разработала новый способ диагностики рака яичников на основе микроРНК – маленьких молекул, участвующих в подавлении активности генов.
    103
  • 27/03/2018

    Российские ученые нашли причину неэффективности вакцины от гриппа

    Исследователи из Института биоорганической химии (ИБХ) РАН показали, что различные варианты вакцины против вирусов сезонного гриппа фактически не увеличивают число разных типов Т-клеточных рецепторов (ТКР), а значит и не повышают шанс распознавания вирусов гриппа иммунной системой организма.
    294
  • 16/05/2018

    Российские биохимики нашли новые ферменты с необычной активностью

    ​Российские ученые охарактеризовали новые ферменты-трансаминазы, которые могут работать как в типичных для своего семейства реакциях, так и в нехарактерных для него. Результаты работы будут полезны в фундаментальном аспекте для поиска и предсказания свойств ферментов по их аминокислотной последовательности и для использования в биотехнологических процессах.
    120
  • 30/05/2018

    Подсказки нефтяникам даст суперкомпьютер

    Математику не зря называют царицей наук. Она играет решающую роль в исследованиях, относящихся к самым разным областям. Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша был образован вначале 1950-х для решения важнейших научно-технических и оборонных задач, стоящих перед страной: для расчетов по атомному проекту и баллистики космических аппаратов.
    95
  • 08/06/2018

    Ученые избавили клетки от «кислородного стресса»

    Российские ученые совместно с британскими коллегами предложили технологию, позволяющую анализировать живые ткани и клетки под микроскопом. Метод позволит проводить экспресс-анализ токсичности магнитных наночастиц размером около 10 нанометров, которые применяются для создания противоопухолевых препаратов.
    114
  • 15/06/2018

    Туберкулез научились диагностировать по выдоху до появления симптомов

    ​Исследователи из Института теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ) РАН совместно с коллегами из Центрального научно-исследовательского института туберкулеза предложили определять присутствие возбудителя данного заболевания — Mycobacterium tuberculosis в организме по количеству и составу иммуноглобулинов в выдыхаемом потенциальными больными воздухе.
    105
  • 28/03/2018

    Российские химики раскрыли механизм важнейшей для промышленности реакции

    ​Механизм важнейшей окислительной реакции Байера-Виллигера, известной больше ста лет, раскрыт международной группой ученых. Реакция является универсальным путем получения эфиров органических кислот - базовых соединений для химической промышленности.
    193