Благодаря научным достижениям микробиологии, внедрению новых разработок генной инженерии стало возможным получать высокотехнологичные штаммы микроорганизмов — суперпродуценты ферментов, аминокислот, антимикробных метаболитов и других биологически активных веществ. При этом неотъемлемым компонентом фундаментальной базы практически любого биотехнологического проекта являются коллекции микроорганизмов, которые гарантируют сохранение ресурсов микробного разнообразия и делают их доступными для использования в научных исследованиях. О белорусском депозитарии биологического материала, его роли в развитии науки и решении многих производственных проблем рассказывает директор Института микробиологии Национальной академии наук Беларуси член-корреспондент Эмилия КОЛОМИЕЦ.
— Эмилия Ивановна, расскажите, пожалуйста, о коллекции микроорганизмов, созданной в вашем институте.
— Ее формирование началось еще в 70-е годы прошлого века. Основой послужили культуры, выделенные или селекционированные учеными Института микробиологии АН БССР, а также типовые штаммы, полученные из Всесоюзной коллекции микроорганизмов, Всесоюзной коллекции промышленных микроорганизмов.
После обретения Беларусью независимости возникла необходимость создания национальной коллекции, способной предоставлять полный комплекс услуг научным и производственным структурам. С этой целью в 1993 г. в Институте микробиологии была сформирована группа коллекции непатогенных микроорганизмов, а в 1995 г. организована соответствующая лаборатория. Фонд постоянно пополняется типовыми и референтными штаммами в рамках сотрудничества с коллекциями России, Армении, а также микроорганизмами, выделенными и идентифицированными белорусскими учеными. Особое внимание уделяется группам бактерий, представляющим потенциальный интерес в качестве объектов биотехнологии и играющим важную роль в функционировании различных экосистем.
При формировании коллекции учитываются опыт наиболее авторитетных международных депозитариев — DSMZ, CCM, ВКМ — и рекомендации Всемирной федерации коллекций культур.
— Насколько велика белорусская коллекция сейчас?
— В ней гарантированно поддерживается жизнеспособность свыше 1100 штаммов микроорганизмов различных таксономических групп — бактерий, бактериофагов, мицелиальных и дрожжевых грибов. Промышленно ценные штаммы могут быть использованы для получения ферментов (пектиназ, липаз, целлюлаз, эстераз и др.), белка, каротиноидов и других биологически активных веществ; приготовления заквасок для силосования растительных субстратов; получения лечебно-профилактических препаратов, повышающих иммунитет у человека и животных; производства биологических средств защиты растений от болезней и вредителей; бактериальных препаратов для деструкции токсических органических веществ и биоремедиации природных и производ¬ственных сред.
Ценность коллекции непатогенных микроорганизмов нашего института настолько велика, что постановлением Совета Министров Республики Беларусь она внесена в Государственный реестр научных объектов, составляющих национальное достояние. Это не только центр поддер¬жания и источник штаммов микроорганизмов, но и хранилище фондов микробного разнообразия страны. Его изучение в настоящее время является одной из ключевых проблем микробиологии. Знания о функциональном, физиологическом, фенотипическом и генетическом разнообразии микроорганизмов, закономерностях их распространения в разных экологических системах, о микробном многообразии почв необходимы при анализе влияния на экосистемы различных антропогенных факторов. К примеру, в рамках исследовательской программы изучен состав микрофлоры почв Минской, Витебской областей и Полесского эколого-радиационного заповедника. Выделенные из них изоляты бактерий, мицелиальных и дрожжевых грибов пополнили наш коллекционный фонд.
Для разработки эффективных мер по защите сельскохозяйственных культур от болезней необходимо знание биологической природы их возбудителей. Сотрудниками Института микробиологии создана коллекция фитопатогенных псевдомонад, которые используются в качестве тест-культур для скрининга микроорганизмов-антагонистов — основы биологических средств защиты растений от бактериозов. Совместно с учеными Института картофелеводства НАН Беларуси собрана также коллекция типовых штаммов возбудителей наиболее вредоносных заболеваний картофеля — вилта, гнили, парши. Ее наличие помогает исследователям оптимизировать селекцию устойчивых сортов, успешно подбирать средства защиты важнейшей сельскохозяйственной культуры Беларуси от болезней.
По решению Патентного комитета нашей республики коллекция непатогенных микроорганизмов Института микробиологии единственная в стране имеет право проводить депонирование микроорганизмов для целей патентной процедуры. С 2003 г. по решению концерна «Белбиофарм» белорусская коллекция депонирует биотехнологические объекты, которые используются в заданиях ГНТП «Промышленные биотехнологии».
— Тяжело ли сохранить микроорганизмы?
— Да. Основными требованиями к поддержанию культур в коллекции являются сохранение их жизнеспособности, аутентичности, чистоты. В ведущих депозитариях мира для этого применяется несколько методов, которые можно разделить на 2 группы: поддержание штаммов в метаболически активном состоянии — субкультивирование, хранение под слоем минерального масла и в метаболически неактивном состоянии — лиофилизация (высушивание) и криоконсервация. Обязательное условие — использование как минимум двух методов хранения. В нашей коллекции культуры сохраняются с помощью лиофилизации (за исключением тех, для которых этот метод не пригоден), а в качестве вспомогательного используется хранение под слоем минерального масла и субкультивирование. Большинство штаммов микроорганизмов поддерживаются на средах, рекомендованных международными депозитариями либо предложенных их авторами. При этом учитываются требования максимальной стандартизации всех компонентов питательных сред, видовые и штаммовые особенности. Так, для содержания мицелиальных и дрожжевых грибов используется до 6 питательных сред, для бактериальных культур — до 24. Частота пересева зависит от их таксономической принадлежности.
— Что можно отнести к перспективным направлениям работы?
— Как сервисная структура, коллекция сегодня предоставляет культуры микроорганизмов, которые используются при выполнении фундаментальных и прикладных исследовательских программ научных учреждений, в учебном процессе вузов биологического профиля, снабжает микробиологические предприятия страны необходимыми биотехнологическими объектами. Лабораторией выполняется 7 исследовательских проектов, кроме того, осуществляется деятельность по договорам о сотрудничестве. В перспективе продолжатся работы по оказанию услуг научным и производственным организациям нашей республики, расширению фонда коллекционных культур, изучению таксономии и физиологии поддерживаемых микроорганизмов.
Белорусская коллекция непатогенных микроорганизмов входит во Всемирную федерацию коллекций культур, и значительную роль в ее развитии играет международное сотрудничество. В частности, нашими учеными выполняется совместный проект с Высшим техническим университетом города Лунда (Швеция), целью работы является выделение биологически активных субстанций из биомассы пробиотических бактерий. В настоящее время найдены новые подходы получения фосфо- и гликолипидов из биомассы бифидо- и молочнокислых бактерий с использованием модифицированного сверхкритического диоксида углерода в масштабах промышленного производства, что важно для разработки современных технологий выпуска отечественных лечебно-профилактических средств и импортозамещения. Предлагаемая технология способствует решению проблем энергосбережения и охраны окружающей среды. Сегодня по результатам НИР готовится заявка на получение международного патента.
Анастасия Сидоренко, аспирант лаборатории «Коллекция микроорганизмов» Института микробиологии НАН Беларуси:
— Объект моих исследований — бифидобактерии. Это очень интересная группа микроорганизмов как в научном плане, так и с точки зрения возможности их широкого применения в различных сферах биотехнологии. Бифидобактерии — наиболее важные представители нормальной микрофлоры человека и животных. Они используются при выпуске различных пробиотических препаратов, которые в настоящее время востребованы в медицине, сельском хозяйстве, а также при производстве продуктов функционального питания. Мы разрабатываем методы хранения микроорганизмов, которые должны обеспечить их жизнеспособность в течение длительного времени, а также изучаем особенности их физиологии. В частности, я исследую их устойчивость к различным стрессовым факторам. Адаптационный потенциал бифидобактерий очень высок. Так, в процессе нескольких генераций они могут приобрести толерант¬ность к кислороду, несмотря на то, что являются строгими анаэробами.
Весьма актуальный вопрос — идентификация микроорганизмов при помощи молекулярно-генетических подходов. Неидентифицированная культура не может быть использована в производстве. Наша лаборатория в рамках ГППИ «Новые биотехнологии» совместно с Институтом генетики и цитологии НАН Беларуси выполняет задание «Молекулярно-генетическая идентификация бактерий Белорусской коллекции непатогенных микроорганизмов с помощью анализа последовательности генов 16S рибосомной РНК».
Денис Рахуба, аспирант лаборатории «Коллекция микроорганизмов» Института микробиологии
НАН Беларуси:
— Бифидо- и молочнокислые бактерии как пробиотики обладают определенной биологической активностью. Они хорошо проявляют себя в борьбе с кишечными инфекциями, способны ингибировать рост патогенной флоры в кишечнике, корректировать уровень холестерина в крови человека и животных. Перед исследователями стоит задача изучить механизмы их влияния и научиться максимально эффективно их использовать. Сотрудниками нашего института показано, что особую ценность представляют содержащиеся в бактериях гликолипиды с высоким уровнем серологической реактивности. Однако выделить их из биомассы микроорганизмов для дальнейшего применения не так просто. И хотя весь мир сейчас как раз переходит от препаратов на основе живых клеток к таковым на базе субстанций, к сожалению, традиционные способы их экстракции органическими растворителями связаны с содержанием в искомом биологическом материале токсических веществ, поэтому получаемые с их помощью субстанции нуждаются в многоступенчатой очистке.
Словом, остро стоит вопрос поиска новых схем производства. На наш взгляд, прорывным здесь может стать применение сверхкритических флюидных технологий. В частности, проведенные нами исследования показали, что экстракция модифицированным сверхкритическим диоксидом углерода позволяет почти в 100 раз увеличить выход биологически активной субстанции по сравнению с классическим методом изоляции полярных липидов органическими растворителями. Одновременно радикально сокращается продолжительность процесса и отпадает необходимость в сложной очистке искомого вещества. Это уникальный результат. Надеемся, в итоге у производителей лекарств появится возможность выпускать более эффективные и недорогие препараты.