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

  • 05/04/2017

    Байкальские водоросли вошли в крупнейшую коллекцию живых водорослей и в банк геномной ДНК

    ​Ученые из Института биологии внутренних вод имени И.Д. Папанина РАН совместно с коллегами из США создали одну из крупнейших коллекций разнообразных культур живых водорослей и банк геномной ДНК, содержащий более двух тысяч образцов, которые могут использоваться для поиска организмов, необходимых в биотехнологии и создании биотоплива.
    1083
  • 07/09/2017

    Российские ученые создали наночастицы для ранней диагностики рака

    Сотрудники Института органической и физической химии имени А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН вместе с коллегами разработали новые высокоэффективные наночастицы, которые могут использоваться для ранней диагностики рака методом ядерной магнитно-резонансной томографии (МРТ).
    373
  • 17/01/2018

    Российским химикам удалось снизить порог обнаружения онкопрепаратов в опухолевых тканях

    Ученым удалось в 10 раз снизить порог обнаружения онкопрепаратов в раковых клетках. Работа выполнена в Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН. Применение этого открытия позволит анализировать воздействие лекарств на отдельные фрагменты опухоли и разрабатывать программы индивидуальной терапии для онкобольных.
    283
  • 09/08/2016

    Российские и американские ученые нашли способ победить вирус африканской чумы свиней

    ​Российские ученые в сотрудничестве с коллегами из США (Университет Иллинойса, Университет Коннектикута, Университет Небраски) изучили гены, кодирующие белки вируса африканской чумы свиней, и впервые получили антигены, стимулирующие иммунную систему животных и нейтрализующую действие вируса.
    963
  • 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.
    1396
  • 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.
    64
  • 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.
    1424
  • 27/02/2017

    Иван Звягин: персональная медицина будет слишком дорогой для людей

    ​Научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Иван Звягин рассказал о том, какие проблемы стоят на пути "наук о жизни" в России и коммерциализации их результатов, почему персональная медицина пока остается мечтой и о том, почему медицинские стартапы нередко проваливаются.
    931
  • 06/12/2017

    АлтГУ разрабатывает инновационные лекарственные препараты в рамках стратегического проекта

    ​Алтайский государственный университет активно реализует стратегический проект по внедрению инновационных методов получения и использования лекарственного сырья природного происхождения и лекарственных средств на его основе.
    485
  • 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.
    549