В 2026 году исполняется 350 лет с момента, когда Антони ван Левенгук впервые описал микроорганизмы. Несмотря на то, что с тех пор микробиология сильно шагнула вперед, в лабораториях выделено и культивируется всего около пяти процентов микробов, живущих на Земле. В интервью университетской газете Alma Mater заведующая кафедрой физиологии растений, биотехнологий и биоинформатики Биологического института ТГУ Ольга Карначук рассказала, как ученые «охотятся» за микробами, для чего бактерии нужны человеку и почему знания о вирусах и бактериях нужно давать уже в детском саду.
Справка АМ:
Антони ван Левенгук в 1676 году первым в истории человечества описал микроорганизмы, назвав их «анималькулями» (лат. animalcule «зверушки» или «маленькие животные»). Он обнаружил бактерии, простейших и инфузорий в капле воды с помощью самодельного микроскопа. Микробов перестали считать животными во второй половине XIX века, окончательно отделив их от животных после исследований Луи Пастера и Роберта Коха.
ОТ РАСТЕНИЙ К МИКРОБАМ
– Ольга Викторовна, кафедре физиологии растений, биотехнологий и биоинформатики Томского госуниверситета уже более ста лет. Расскажите, как сформировалась научная повестка кафедры и какие новые направления в ней появились?
– Действительно, кафедра уже перешагнула вековой порог. Ее организовал очень интересный человек – выдающийся русский ученый, биолог-географ Василий Сапожников, который дважды был ректором ТГУ – в 1906–1909 и 1917–1918 годах. Во время Гражданской войны он занимал пост министра народного просвещения. Василий Васильевич был учеником Клемента Аркадьевича Тимирязева, нашего великого физиолога растений, основоположника данного направления в России. В 1923 году, когда он создал кафедру, она называлась кафедрой физиологии и анатомии растений. Здесь было два направления – физиология и ботаника.
При этом традиционно на нашей кафедре была микробиология. Почему? Потому что раньше микроорганизмы считались маленькими растениями. Сначала Левенгук относил их к маленьким животным, отсюда их первое название – анималькули, а потом какое-то время их считали растениями. Тогда технологии еще не позволяли ученым заглянуть в гены. У них не было инструмента, который нам теперь многое проясняет.
В начале 1950-х годов кафедру возглавил профессор Михаил Михайлович Окунцов. Но в 1969 году он уехал, причем, весьма неожиданно. Через некоторое время кафедра была расформирована, и педагогическая, и научная работа по физиологии и биохимии растений проходила на кафедре ботаники, а микробиология перешла на кафедру генетики.
Восстановлением кафедры после защиты докторской диссертации в Тимирязевской академии занималась моя мама, Раиса Александровна Карначук. Нужно сказать, что физиологи растений со всей России, которые понимали, что в ТГУ в данном направлении ранее велись серьезные исследования, очень сильно помогли восстановлению.
И эта традиция была продолжена. В сложнейшие времена, в начале 1990-х годов, на возрожденной кафедре начались исследования, которые сейчас принято называть прорывными, поскольку они опережают время. В частности, тогда на кафедре стали заниматься безвирусным семеноводством и культивированием тканей растений. В то время мало кто интересовался культурой растительной ткани, но со временем стало очевидно, что за биотехнологиями будущее.
Ольга Карначук на открытии Всероссийского конгресса микробиологов в ТГУ в год столетия кафедры
Помимо этого, Раиса Александровна развивала и другое направление – использование разных спектров света для воздействия на растения и грибы. В момент защиты докторской диссертации по этой тематике она считалась не особенно перспективной. Но сейчас мы видим, что цветными лампами подсвечивают рассаду, и эффект от этого очевиден и научно доказан.
Сейчас государство начало всерьез заниматься восстановлением сельского хозяйства, поскольку страна старается обеспечить свою независимость от импорта и продовольственную безопасность. В этом контексте исследования и разработки в области биотехнологий стали особенно важны. В Томском университете развитие аграрной науки началось с 1994 года, когда Раиса Александровна наряду с кафедрой возглавила международный факультет сельского хозяйства и охраны окружающей среды, который в дальнейшем влился в Биологический институт ТГУ.
– Что нужно для того, чтобы уметь предвидеть или находить перспективные темы для исследований, результаты которых будут востребованы через пять или десять лет?
– Нужны не только глубокие знания в своей области, но и широкий взгляд: постоянно отслеживать международную научную повестку, читать ведущие журналы, анализировать методы и результаты мировых лидеров, посещать конференции и поддерживать профессиональные контакты. Такая начитанность, насмотренность в совокупности с личными знаниями и опытом дают возможность замечать зарождающиеся тренды и формулировать перспективные направления.
РЕШИТЬ ПРОБЛЕМУ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА
– Ольга Викторовна, не так давно ваша команда вместе с коллегами из ведущих научных центров России реализовала большой проект по резистентности бактерий к антибиотикам. Как он возник?
– Значимость этой проблемы – лекарственной устойчивости микроорганизмов из кишечника сельскохозяйственных животных – и ее глобальный масштаб нам пришлось доказывать, но теперь ее актуальность подтверждается с каждым днем. Уже несколько десятков лет назад ученые обнаружили появление супербактерий, имеющих устойчивость сразу к нескольким антибиотикам, что делает их крайне опасными для человека.
Что касается истории этого проекта, здесь свою роль сыграло стечение обстоятельств. Наше правительство запустило научную программу в области генетических технологий, поскольку нам очень нужно восстанавливать позиции в данной области.
Вместе с тем государство ставит задачу создания новых отечественных продуктов и технологий. В качестве меры поддержки появляются программы и гранты. В их числе и программа по развитию генетических технологий. Мы посмотрели, с чем можно туда пойти и поняли, что есть пока незакрытая ниша, – это микробиоим сельскохозяйственных животных. В России в этом направлении никто активно не работал, в отличие от микробиома человека, который исследуют много сильных групп.
Проблема, которую мы решили поднять и исследовать в нашем проекте, связана с широким применением антибиотиков в сельском хозяйстве. Их используют для того, чтобы избежать массового падежа животных, что в итоге приводит к появлению бактерий с лекарственной устойчивостью к препаратам, которые использовались. А далее вместе с молоком, мясом, молочнокислыми и другими продуктами такие микроорганизмы передаются людям. Это чревато тем, что в ситуации, когда человек заболеет и ему потребуется антибиотикотерапия, она может оказаться неэффективной. Но многие эту проблему не осознают.
Более того, когда мы в Минобрнауки РФ защищали наш проект перед комиссией, в которую входили ведущие российские биологи, молекулярные биологи, мы показали, что резистентность к антибиотикам очень динамично растет. Но некоторые специалисты из комиссии говорили: «Не может быть, у нас антибиотики запрещено использовать на производстве». Я сказала: «Если бы это было запрещено, то таких результатов бы не было». А мы видим, что не только не запрещено, но антибактериальные препараты используются без всякой меры.
В итоге мы, собрав большую междисциплинарную группу, в которую вошли сотрудники ФИЦ «Биотехнологии» РАН, МГУ и некоторых других научных центров, выполнили наш проект. Мы получили тот результат, к которому стремились: после долгих поисков в Горном Алтае смогли найти «чистые» лактобактерии, не имеющие устойчивости к антибиотикам. Они были выделены из продукта, который алтайцы и казахи называют шубат (в народе – верблюжья простокваша).
Несколько десятков таких бактерий мы уже передали нашему партнеру ООО «Угличская биофабрика». Это мощный современный комплекс, который развивает биотехнологии. Полный запуск предприятия произойдет в этом году. Планируется, что именно «Угличская биофабрика» будет в значительной мере обеспечивать российские предприятия пищевой индустрии заквасками для производства кефира, сметаны, сыров и многих других молочнокислых продуктов.
Это очень важная задача, поскольку в результате ухода зарубежных производителей российские предприятия лишились около 90 процентов заквасок.Чтобы обеспечить продовольственную безопасность, необходимо расширять отечественные коллекции промышленных микроорганизмов и создавать новые. С точки зрения здоровья нации очень важно, чтобы в промышленности использовались именно «чистые» микроорганизмы.
Хочу отметить, мы передали не просто проверенные штаммы – большая часть из них с генетическими паспортами, оформленными после полного секвенирования генома. Это стопроцентное доказательство того, что микроорганизм не имеет лекарственной устойчивости. Данные штаммы партнеры планируют использовать для производства заквасок для йогуртов и сыров. Наряду с этим они перспективны для использования в качестве антагонистов микробов, которые приводят к порче сыра во время производственного процесса.
– Этот проект уже завершен. Планируется ли продолжение исследований по данной тематике?
– Конечно. Оно уже есть. В этом году мы выиграли грант Минобрнауки и создали молодежную лабораторию микробных технологий. Ее сотрудники занимаются поиском, выделением, изучением и культивированием «чистых» бактерий из микробиома сельскохозяйственных и диких животных. Проще всего их извлечь из продуктов жизнедеятельности, например, молока или фекалий коров, верблюдов, яков, маралов. Но вместе с тем мы изучаем микробиоту диких животных, в том числе краснокнижных архаров, обитающих на границе России с Монголией. «Чистые» бактерии, которые мы находим, могут быть использованы не только в пищевой промышленности, но и в медицине в качестве основы для пробиотиков.
Сотрудники молодежной лаборатории микробных технологий
ТАЙНЫ ПОДЗЕМНОЙ БИОТЫ
– Ольга Викторовна, ваша группа хорошо известна в научном мире по исследованиям подземной биосферы. Почему вы выбрали именно эту область? И что нового за последнее время удалось обнаружить в подземном мире?
– Мы выбрали подземную биосферу потому, что там очень много неизведанного/ Из-за труднодоступности подземная биота изучена еще меньше, чем остальные микроорганизмы. Но мы территориально находимся в таком месте, где сам бог велел исследовать невидимых обитателей подземного мира. Поскольку Западная Сибирь и Томская область – это территория, где ведется активная нефте- и газодобыча, здесь много скважин, которые остались после геологоразведки. Для микробиолога это золотое дно.
Мы достаточно хорошо изучили нашу подземную биосферу и нашли там много интересного. Например, из термальных вод источника, который находится в Белом Яре, в 2019 году мы смогли выделить сульфатредуцирующую бактерию, ранее известную по ДНК из Южной Африки. Американские ученые собрали эту ДНК из вод глубокой шахты по добыче золота. Поскольку эта бактерия живет глубоко под землей, ей дали< название Desulforudis audaxviator («audaxviator» на латыни – «Смелый путешественник») с отсылкой к произведению Жюля Верна «Путешествие к центру Земли».
За этой бактерией ученые разных стран «охотились» на протяжении 10 лет, но поймать ее и научиться выращивать в лаборатории повезло именно нам. Результаты нашего исследования мы опубликовали в высокорейтинговом журнале и получили хорошее цитирование. Но на этом история не закончилась.
Мы продолжили изучение данной бактерии с нашими коллегами из ФИЦ «Биотехнологии» РАН. Сделали полное секвенирование генома Desulforudis audaxviator, сравнили с геномом из Южной Африки и увидели, что он почти стопроцентно идентичен нашей находке! Эта бактерия в прямом смысле слова застыла во времени. Геном «смелого путешественника» не менялся со времен Пангеи – суперконтинента, существовавшего около 335–175 миллионов лет назад. Это противоречит нашим представлениям о Дарвиновской эволюции, по положениям которой в организмах накапливаются изменения-мутации, что приводит к выживанию наиболее приспособленных форм. В апреле этого года мы выпустили статью с описанием этого феномена.
В ней же мы рассказали про его «сибирского» родственника. Это еще одно наше открытие, связанное с подземной биосферой. В скважинах Томской, Кемеровской и Тюменской областей мы обнаружили бактерию, которая генетически близка, но отнести ее к тому же виду, роду или семейству нельзя. Этот новый род мы назвали Desulfosceptrum tomskiensis.
В первой части названия содержится отсылка к форме клеток бактерий, образующих споры. Они напоминают скипетр (лат. sceptrum). Вторая часть названия – tomskiensis – содержит отсылку к территории Томской области, на которой, во-первых, был обнаружен новый род, а во-вторых – благодаря микробиологам ТГУ этот регион хорошо известен в мире как центр изучения подземной биосферы. Генетический анализ показал, что данный род тоже отличается эволюционным постоянством, но все же небольшие изменения во времени у него происходят. Почему так? Загадка. И нам очень хочется ее разгадать.
Смелый путешественник, за которым ученые гонялись 10 лет
– Получается, все самое интересное под землей?
– Я бы не стала утверждать так однозначно. Когда мы поработали с подземной биосферой, обнаружили, что наши классические объекты, с которыми мы раньше работали, например, кислые шахтные дренажи, и наш новый объект – микробиота животных – также содержат уникальные организмы, которые не менее интересны и нисколько не уступают этим поземным монстрам. Если вы вооружитесь современными инструментами, такими как высокопроизводительное секвенирование, и посмотрите внимательно на человека, на животных или растение в цветочном горшке, вы можете найти уникальные объекты, для поиска которых не нужно бурить три километра вглубь Земли.
ЗНАТЬ, ЧТО ВСЕ НЕ ЗРЯ
– Расскажите, пожалуйста, какие эмоции испытывают ученые, когда удалось сделать открытие? Например, когда, вы, наконец, поймали бактерию, за которой гонялись микробиологи разных стран?
– Сначала ощущения, конечно, очень сильные. Это как будто, вы поднялись на новую вершину, покорили ее – и вы счастливы. Но я вам хочу сказать одну вещь: самые сильные эмоции и удовлетворение работой – это не когда ты держишь ранее неизвестный объект в руках, а когда ты получил результаты исследований и опубликовал их. Ведь сначала у тебя есть только гипотеза. Потом она подтверждается, и когда международное научное сообщество проверило и сказало: «Да, это здорово, это уникально» – вот тогда настоящий восторг.
Например, одну нашу статью в журнале Frontiers in Microbiology долго не пропускал рецензент. Он говорил: «Вы делаете очень серьезное заявление». А заявление с нашей стороны было следующее: бактерии-термофилы могут размножаться в условиях низкой температуры, и таким образом они не только сохраняются, но и оставляют потомство. Мы должны были это доказать.И мы это сделали! Мы много раз перечитывали гены, показывали рецензенту хроматограммы с секвенатора, чтобы он убедился, что у нас нет «грязи», погрешностей и все именно так, как мы описываем в статье. И когда наши доводы досконально проверили, согласились, что ошибки нет, тогда эту статью опубликовали. Вот в такой момент бывают самые сильные чувства.
Публиковаться очень важно, причем в международных журналах с высоким рейтингом. Если вы открыли что-то серьезное, об этом должен знать весь мир. Если мир не хочет об этом знать, значит, то, что вы сделали, не так уж серьезно. Конечно, есть вероятность, что наше открытие сработает на практике только лет через 10–20, а может, и через 100. Все же мы занимаемся фундаментальной наукой. Но когда получен достойный результат, ты знаешь, что это стоит всех затраченных сил, времени, реактивов, неудач, болезней и так далее.
– Получается, это проверка вашего профессионализма?
– Это больше, чем проверка профессионализма. Это доказательство того, что ты не зря тратишь грантовые деньги, силы сотрудников, которые иногда работают и по ночам, потому что нужно снимать кривые роста, и тогда у нас стоит раскладушка в лаборатории. И когда ты получил достойный результат, опубликовал его, ты чувствуешь, что все не зря. Ты оставляешь после себя то, что принесет пользу другим людям.
Штаммы, исследованные на базе лаборатории микробных технологий БИ ТГУ, будут использованы в промышленных заквасках
НЕ ОБМАНУТЬ ОЖИДАНИЯ СТУДЕНТОВ
– Ольга Викторовна, важнейшая и неотъемлемая часть деятельности кафедры – это преподавание и подготовка специалистов в области биотехнологий. Меняются ли студенты от поколения к поколению?
– Студенты меняются, и во многом это обусловлено временем. В начале 1990-х годов мы переживали, что ребята после школы приходили со слабой подготовкой. Отчасти это было связано с развалом СССР, общим состоянием страны и образовательной системы, в частности. Потом все вроде бы выровнялось, но появилась другая проблема – недостаточная мотивация. Кстати, ее потеряли и некоторые преподаватели. Это сказывается и на студентах. На первый курс студенты приходят, как правило, заинтересованные, с большим ожиданием, с блеском в глазах. Они относятся к университету действительно как к храму образования и науки. Но нередко к третьему-четвертому курсу этот блеск в глазах исчезает. Это самое грустное и неприятное, что может произойти.
К сожалению, сейчас мы не преподаем первокурсникам, и так бывает, что на последующих курсах студенты приходят к нам уже без внутреннего стимула. Вернуть этим ребятам настоящий интерес к учебе, желание знать и уметь как можно больше, крайне сложно. Поэтому, я считаю, что преподавание – это очень важно. Во многом мы определяем будущее этих ребят. И нам важно не обмануть их ожидания, сделать так, чтобы блеск в глазах студентов не погас.
Но вместе с тем я знаю очень хороших преподавателей. В том числе тех, для кого работа со студентами – жизненное призвание, и финансовая сторона работы для них не главный фактор. Я искренне рада, что такие люди есть.
– Наверное, не каждому дано работать преподавателем. Тем более сочетать это еще и с исследовательской деятельностью. Это довольно непростая миссия.
– Это действительно так. Вообще, я считаю, что качественное преподавание в университете всегда связано с хорошей научной работой в вузе. И плохой исследователь не может быть хорошим преподавателем. Но хороший исследователь может быть плохим преподавателем. Вот такой парадокс. Чтобы студентам грамотно доносить современное знание, высокий научный уровень преподавателя очень важен.
В целом, преподавание – довольно затратный процесс и по времени, и по вложению душевных сил. Так было всегда и везде, это особенность профессии преподавателя, если относиться к ней ответственно. Нам хочется, чтобы студент не считал диплом «бумажкой», которая нужна, чтобы соблюсти формальные требования при устройстве на какое-то место, где не нужна полученная профессия. Мы стараемся обеспечить ребятам максимальную конкурентоспособность и востребованность именно в той сфере, которую они выбрали, когда пришли к нам.
В этом году в рамках пилотного проекта мы запускаем новую программу магистратуры, которую выстроили совершенно по-новому. Во-первых, мы поняли, что давать какие-то очень углубленные специализированные знания не имеет смысла, и мы сделали упор на глубокие базовые знания, но они очень важные, без которых дальше просто не двинешься.
И второе, что мы сделали, – ушли в практическую область. То, что ребята раньше хорошо знали в теории, теперь они будут получать и повторять на практике. Они будут самостоятельно выделять ДНК, амплифицировать, проводить анализ полученных данных с помощью IT-инструментов и так далее.
– У программы есть промышленные партнеры?
– Ключевые партнеры – Институт фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино) и «Угличская биофабрика», которую я уже упоминала. Биофабрика – высокотехнологичное предприятие с полным циклом производства заквасочных культур для промышленности. Здесь есть передовые технологии и современное оборудование.
Новая программа разработана под запросы отечественной промышленности. Высокий спрос на биотехнологов-микробиологов обусловлен тем, что России необходимо обеспечить технологическое развитие биоэкономики. Выпускники нашей программы будут создавать новые продукты для пищевой отрасли и сельского хозяйства, разрабатывать технологии производства лекарственных средств с использованием микроорганизмов и растений.
МОЦАРТ МОГ БЫ ЖИТЬ
– Ольга Викторовна, как вы считаете, должны ли ученые помимо исследований заниматься еще и просвещением?
– Конечно. Необходимо доносить знания о микроорганизмах обществу, поскольку бактерии и вирусы очень сильно влияют на все и на всех на этой планете. Без них были бы невозможны многие очень важные процессы, например, пищеварение у человека и животных. Или разложение целого ряда вредных соединений. Бактерии участвуют во многих биогеохимических процессах. Они широко используются в фармацевтике. Целый ряд жизненно важных препаратов производится с использованием микробов, например, инсулин.
Вместе с тем хорошо известно, что вирусы и бактерии могут вызывать тяжелейшие, в том числе смертельные заболевания. И часто люди беззащитны перед ними по причине незнания. Когда случилась пандемия COVID-19, микробиологи не могли не отреагировать. Ведущие специалисты из разных стран собрались и опубликовали статью о том, что риск пандемии, как текущей, так и других, связан с тем, что общество в целом очень необразованно в области микробиологии.
Когда людям говорят: «Если во время эпидемии вы носите маски, вы защищаете себя» или что нужно мыть руки, то это вам просто выдают такой ряд указаний, не подтвержденных вашими знаниями и жизненным опытом. Но если бы вы еще в школе узнали, что в воздухе летают микробы и их очень много (в одном кубическом метре воздуха может содержаться до миллиона различных микробных клеток), скорее всего, реагировали бы на такие призывы более осознанно. Группа ведущих ученых предложила ввести курс микробиологии даже не со школы, а с детского сада. Эту информацию дети вполне способны усваивать. И если у них будут базовые знания, это сильно обезопасит их в дальнейшем.
Есть и другая сторона медали – непонимание того, насколько велика значимость хороших микроорганизмов в нашей жизни. Например, во время интервью накануне Дня микроба, которое я давала на Радио России, ведущий спрашивал: «Ведь кругом же микробы? Это так опасно!». Так вот я хочу сказать, что полезных микроорганизмов намного больше, чем вредных. Более того, наш организм – это биореактор, в котором огромное количество полезных микробов, без них мы не могли бы жить. И порой для того, чтобы быть здоровым, не настолько важно ликвидировать болезнетворные микроорганизмы, насколько наращивать количество полезных. От этого зависит уровень иммунитета и способность нашего организма справляться с патогенами. Не случайно, когда врач назначает человеку антибиотики, которые убивают все бактерии без разбора, одновременно с этим прописывает и пробиотики. Если не восстановить хорошую микрофлору ЖКТ, это может вылиться в большие проблемы.
– Есть ли в нашем организме процессы помимо пищеварения, на которые так сильно влияют микроорганизмы?
– Таких процессов очень много. От микробов зависит не только здоровы мы или больны, но даже веселы мы или грустим. Потому, что, к примеру, есть такие микроорганизмы, которые поедают триптофан – аминокислоту, которая является предшественником серотонина – гормона счастья. И если у вас в кишечнике поселился микроб, который питается триптофаном, у вас будет плохое настроение.
Сейчас есть такое популярное понятие: ось «кишечник-мозг». Это такая двусторонняя система коммуникации между нервной системой (мозгом) и энтеральной нервной системой кишечника. Она объединяет нервные, гормональные и иммунные сигналы, позволяя микробиоте кишечника влиять на эмоции, настроение, когнитивные функции и работу мозга, а мозгу – контролировать работу ЖКТ. Грамотное воздействие на эту систему позволяет существенно изменять состояние нашего здоровья.
– То есть нужно жить в мире с хорошими микробами, и тогда плохие на нас не нападут?
– Да, и если вы будете аккуратны, то и здоровы тоже. При соблюдении элементарных бытовых правил мы бы не потеряли рано многих выдающихся людей. Например, известный русский композитор Петр Ильич Чайковский умер от холеры. Эта же болезнь унесла жизнь его матери. А все потому, что они пили некипяченую воду. И сейчас никто не задумывается о том, что опасность распространения холеры стала намного больше, чем в прошлом. Во-первых, людей на планете значительно больше, во-вторых, благодаря авиации эти люди стали очень мобильны, они постоянно перемещаются. И вместе с ними столь же быстро перемещаются возбудители болезней. Или возьмем другой пример – Моцарт. Есть множество доказательство того, что он умер от тяжелого течения инфекции.
– То есть Сальери ни при чем?
– Легенда об отравлении – это миф, возникший вскоре после смерти композитора и подаривший нам шедевр Пушкина, но историки и медики его опровергли. Поэтому, возвращаясь к вопросу о просвещении, могу сказать, что мы не только считаем нужным заниматься этим, мы действительно ведем такую работу. Часто делаем ее вместе с журналистами, которые приходят в наши лаборатории, снимают нашу работу и помогают нам знакомить зрителей и читателей с удивительным невидимым миром.