Том 93, № 6 (2024)

Одним из основных факторов эволюции бактерий, сопровождаемой глубокими изменениями их генетической организации, является образование симбиозов с эукариотами. Они предоставляют бактериям экологические ниши, находясь в которых симбионты выполняют полезные для хозяев трофические или защитные функции. Приобретение способности к симбиозу связано с формированием у бактерий систем специализированных генов (sym), которое обычно сопровождается изменением общей организации генома. У клубеньковых бактерий (ризобий) – азотфиксирующих симбионтов бобовых растений, большинство из которых относится к α-протеобактериям порядка Hyphomicrobiales, характер симбиогенных изменений генома зависит от таксономического положения. У эволюционно первичных ризобий сем. Bradyrhizobiaceae, возникших из свободноживущих N₂-фиксаторов путем преобразования их собственных геномов, переход к симбиозу сопровождался существенным (в 1.5–2 раза) увеличением генома, однако он сохранил унитарную структуру: у большинства штаммов Bradyrhizobium более 95% генов находится в хромосоме. У вторичных ризобий сем. Phyllobacteriaceae (Mesorhizobium, Phyllobacterium), возникших путем переноса sym -генов в почвенные бактерии, выявляются различные стадии образования многокомпонентных геномов, содержащих значительную часть генов в составе внехромосомных элементов (ВХЭ) – плазмид и хромид. Наиболее характерна такая геномная структура для бактерий сем. Rhizobiaceae (Rhizobium, Sinorhizobium, Neorhizobium), у которых суммарный размер ВХЭ, содержащих sym-гены, может превышать размер хромосомы. У этих ризобий при переходе из тропиков в умеренные широты происходило сужение хозяйской специфичности, однако изменение структуры генома наблюдали только у Sinorhizobium: общий размер ВХЭ у этих бактерий достигает 51% генома. Усложнение генома характерно и для ризосферных азотфиксаторов Azospirillum: доля ВХЭ в их геномах достигает 60%. Формируемые ризобиями необратимо дифференцированные клеточные формы – бактероиды, входящие в состав симбиосом, могут рассматриваться как предшественники азотфиксирующих органелл, которые выявлены у некоторых простейших и конструирование которых представляет собой перспективное направление клеточной инженерии растений.

Из донных осадков пресноводного озера Байкал (Восточная Сибирь, Россия) выделена новая метанобразующая архея штамм Z-7115^T . Морфологически штамм представляет неподвижные кокковидные клетки 0.5–3 мкм, собранные по 2–4 в пакеты и их небольшие агрегаты. В качестве энергетических субстратов для метаногенеза штамм использует метанол, моно-, ди-, триметиламин и ацетат. Клетки растут при температуре 15–35°С (оптимум 25°С), рН 6.3–7.5 (оптимум рН 7.3) и толерантны к концентрации NaCl < 0.1 М. Содержание Г + Ц геномной ДНК – 40.76 мол. %. По данным анализа гена 16S рРНК новый изолят принадлежит к роду Methanosarcina, имея с ближайшим к нему видом этого рода M. siciliae T4/M^Т уровень сходства этого гена 98.51%. Cреднее нуклеотидное сходство (ANI) между геномами штаммов Z-7115^Т и M. siciliae T4/M^Т составило 83.8%. Виртуальная оценка гибридизации геномов этих двух штаммов составила 23.3%. На основании данных филогененетического анализа и морфо-физиологических свойств предлагается отнести выделенный штамм Z-7115^T (=JCM 39438, =VKM B-3565) к новому виду Methanosarcina baikalica sp. nov.

Выживание микробной популяции в неблагоприятных для роста условиях обеспечивается: (1) образованием клеток-персистеров (П), созревающих в аметаболические покоящиеся формы (ПФ); (2) защитой хромосомальной ДНК путем формирования биокристаллического нуклеоида (БН); (3) способностью ПФ прорастать в свежей среде смешанной популяцией фенотипически различающихся диссоциантов, один из которых будет к ней наиболее адаптивен. Настоящее исследование решало две задачи: выяснить (1) как структурно организован БН в ПФ прокариот и (2) как биокристаллизация нуклеоида связана с фенотипической гетерогенностью популяций, вырастающих из ПФ. В работе предложена новая модель декристаллизации/рекристаллизации БН при нагревании/охлаждении ПФ при сублетальных температурах в неростовой среде, что воспроизводит динамику формирования БН в модели организации нуклеоида как складчатой глобулы. Электронно-микроскопический анализ структурных изменений БН в прогретых/охлажденных ПФ, совокупно с определением диссоциативных спектров вырастающих из них популяций, позволил получить следующую новую информацию. Биокристаллизация нуклеоида происходит в следующей последовательности: (1) начинающаяся ко-кристаллизация ДНК-Dps сопровождается разделением объема нуклеоида с формированием из суперскладчатой ДНК компактизованного нуклеоида в центральной области клетки и отходящих от него петель линейной ДНК; (2) ко-кристаллизация петельной ДНК-Dps сопровождается ее различной геометрической укладкой – тороидальной, ламеллярной, др.; (3) кристаллизация Dps-Dps, повторяющая матричную укладку петельной ДНК-Dps, приводила к образованию кристаллического массива Dps-Dps, что завершает образование БН. Обнаружено, что нагревание ПФ (45‒70°С, 15 мин), приводящее к декристаллизации петельной ДНК-Dps при сохранении структурированности компактизованного нуклеоида, не влияет на диссоциативный (колониально-морфологический) спектр популяции, вырастающей из ПФ. На изменение ее диссоциативного спектра влияет процесс рекристаллизации ДНК-Dps, при котором, по-видимому, происходит связывание Dps не только с прежними, но и с другими сайтами ДНК, также афинными для Dps, что влияет на изменение топологии ДНК и ее транскрипцию.

Формирование биопленок является широко распространенным явлением в мире микробов. Они способны оказывать влияние на здоровье людей и животных, наносить ущерб различным отраслям промышленности, и в тоже время могут быть полезны в таких областях, как очистка сточных вод или увеличение биодоступности питательных веществ для растений. Это актуализирует развитие методов исследования биопленок. В данной работе впервые описан оптический сенсорный метод индикации формирования бактериальной биопленки с учетом биологической изменчивости на примере стимулирующих рост растений ризобактерий рода Azospirillum. Обнаружена корреляция между изменениями регистрируемых сенсорной системой электрофизических параметров и морфологическими особенностями бактерий из планктонных и/или биопленочных культур: наличие двигательных органелл (жгутиков), полиморфизма и ультраструктуры клеточных форм. Установлено, что регистрируемый оптической системой профиль микробных клеток значительно отличается в планктонной и биопленочной формах. При сравнении клеток различных штаммов (родительский штамм и его производные) или планктонных и биопленочных бактерий переменные, фиксируемые электрооптической сенсорной системой, согласуются с зафиксированными нами другими методами изменениями микро- и ультраструктуры бактерий. Результаты анализа электрофизических профилей A. baldaniorum Sp245 могут быть использованы в качестве референсных для выявления специфичности взаимодействия биопленочных клеток этого штамма с различными компонентами поверхности корня предполагаемого растительного партнера с использованием оптической сенсорной системы.

Целью данной работы было изучение процесса биовыщелачивания мышьяксодержащего полиметаллического концентрата, содержащего 16.0% Cu, 5.3% Zn и 1.7% As, в разных условиях. Были изучены зависимость выщелачивания цветных металлов от температуры процесса (45 и 55°C) и использования в качестве источников углерода для микробной популяции биореакторов СО₂ и мелассы, а также различия в составе микробных популяций, формирующихся в разных условиях. Было показано, что повышение температуры способствовало увеличению выщелачивания как меди, так и цинка. При более высокой температуре (55°C) применение дополнительных источников углерода значительно влияло на извлечение металлов, тогда как при 45°C извлечение металлов незначительно различалось в разных вариантах эксперимента. Изучение микробных популяций биореакторов показало, что и изменение температуры, и дополнительные источники углерода влияли на микробные популяции, которые сформировались в процессе биовыщелачивания. При использовании диоксида углерода при 45°C общая численность клеток микроорганизмов была в 1.4 раза выше, чем в других вариантах эксперимента, а при 55°C – в 8 раз. Кроме того, наблюдались изменения в соотношениях между микроорганизмами микробных популяций. При 45°C в микробных популяциях преобладали железоокисляющие гетеротрофные археи р. Ferroplasma, гетеротрофные археи р. Cuniculiplasma, сероокисляющие автотрофные бактерии р. Acidithiobacillus, миксотрофные железо- и сероокисляющие бактерии р. Sulfobacillus. При 55°C в микробных популяциях преобладали бактерии р. Sulfobacillus и железоокисляющие бактерии р. Leptospirillum, при этом использование диоксида углерода привело к доминированию бактерий р. Sulfobacillus, доля последовательностей фрагментов генов 16S рРНК которых составляла 99.9%.

Проведен скрининг коагулазонегативных стафилококков (КНС), выделенных с объектов окружающей среды клинических стационаров, на способность к продукции антибактериальных соединений. Показано, что штаммы КНС с выраженной антагонистической активностью выявляются с частотой около 1.4%. Антибактериальная активность отдельных штаммов КНС обусловлена выделением в окружающую среду низкомолекулярных пептидных соединений. Молекулярная масса трех выделенных пептидов составляла 2985, 2998 и 3004 Да. Выделяемый бактериями Staphylococcus hominis пептид содержит в своем составе необычную аминокислоту метиллантионин и может быть отнесен к бактериоцинам класса I – лантибиотикам. Антибактериальная активность выделенных пептидов проявляется в отношении грамположительных бактерий различных родов, филогенетически не родственных продуцентам.

Исследование метаболической группы железоредуцирующих прокариот, использующей слабокристаллический минерал ферригидрит в качестве акцептора электронов, выявило ее широкое распространение на Земле. Тем не менее способность железоредукторов развиваться в полиэкстремальных условиях – при повышенных значениях рН и температурах до сих пор показана не была. Для доказательства существования алкалотермофильных железоредукторов нами были исследованы пробы воды и осадков азотных терм Горячинска. Эти источники приурочены к молодым тектоническим разломам Байкальской рифтовой зоны, и их воды характеризуются низкой минерализацией, высокими значениями рН (8.8‒9.2) и температуры (53‒55°С). При добавлении синтезированного ферригидрита к пробам воды и донных отложений Горячинских терм и их инкубации в анаэробных условиях при температурах 50 и 55°С были получены накопительные культуры, восстанавливающие этот минерал. Профилирование проб воды и осадков и первичных накопительных культур по гену 16S рРНК выявило их высокое филогенетическое разнообразие, представленное почти исключительно бактериальными таксонами. Дальнейшие пересевы с ферригидритом и органическими кислотами или водородом, добавленными в качестве донора электронов, позволили получить устойчивые накопительные культуры органо- и литотрофных алкалотермофильных железоредукторов. От 30 до 50% общей представленности в них составляли представители рода Parvivirga – одного из первых культивируемых представителей группы OPB41 (ныне порядок Anaerosomatales) филума Actinomycetota.

Получены первые данные о разнообразии и структуре бактериальных соо бществ в реке Селенге, ее притоках и придельтовой акватории (Селенгинское мелководье) в летний многоводный период 2021 г. На российской части реки Селенги вниз по течению выявлена тенденция постепенного уменьшения химических показателей (щелочности, минерализации, концентраций сульфат- и хлорид-ионов). Как и ранее, химический состав вод реки Селенги определялся водностью и антропогенной нагрузкой, тогда как влияние вод притоков было локальным. На расстоянии 1 км от устьев в зоне смешения речной воды с озерной химический состав и таксономическая структура бактериальных сообществ были близки отмечаемым в пелагиали озера Байкал. Во всех проанализированных библиотеках гена 16S рРНК выявлено 9 общих фил бактерий с преобладанием представителей Pseudomonadota (51.71–76.83%) в речных сообществах и Actinomycetota – (17.28–66.32%) в сообществах Селенгинского мелководья. Наиболее значительные различия таксономического состава бактериальных сообществ отмечены на уровне рода. Предположено существование на всем протяжении реки Селенги устойчивого бактериального сообщества, основными представителями которого являются бактерии родов Limnohabitans, Pseudarcicella, Rhodoluna и Polynucleobacter, доминирующие и в малых реках Южного Байкала. Сравнительный анализ разнообразия сообществ притоков не выявил существенного влияния на микробиомы реки Селенги и озера Байкал: в литорали и пелагиали озера выявлены лишь некоторые речные бактериальные таксоны.

Bacillus thuringiensis subsp. israelensis (Bti) ‒ наиболее известный подвид кристаллобразующих энтомопатогенных бактерий, используемых для контроля численности кровососущих комаров. В данной работе нами были изолированы три штамма Bti 4369, 4929 и 4999 из кишечников природной популяции личинок кровососущих комаров Aedes flavescens. Идентификация бактериальных изолятов по гену 16S rRNA и определение серотипа выявили принадлежность штаммов к Bt subsp. israelensis H14. Штаммы имели различия в морфологии бактериальных колоний, ряда биохимических характеристик и профилей белковых эндотоксинов. Выделенные штаммы Bti 4369 и 4999 показали высокую инсектицидную активность в отношении личинок Culex pipiens pipiens и Aedes aegypti, значения LC₅₀ которых через 24 ч после воздействия составили 1.47‒2.26 × 10⁸ спор/мл. Для штамма Bti 4929 LC₅₀ составило 32.7‒35.9 × 10⁸ спор/мл. Выделенные штаммы Bacillus thuringiensis subsp. israelensis имеют высокий потенциал для создания биопрепаратов для контроля численности кровососущих комаров.

Methylococcus capsulatus MIR – штамм метанотрофных бактерий, потенциально пригодный для использования в биотехнологии получения кормового белка и других продуктов с добавленной стоимостью из метана. Геномный анализ не выявил у Mc. capsulatus MIR известных путей С3-карбоксилирования, необходимых для восполнения интермедиатов цикла трикарбоновых кислот и полноценного функционирования метаболизма. Ген pepc, кодирующий ФЕП-карбоксилазу у Methylomonas rapida 12, вносили в клетки Mc. capsulatus MIR на плазмиде под контролем промотора средней силы. Экспрессия гетерологичной ФЕП-карбоксилазы в клетках рекомбинантного штамма привела к повышению содержания глутамата, глицина и лизина, однако не привела к увеличению скорости роста культуры. Таким образом, внесение гетерологичной ФЕП-карбоксилазы, осуществляющей реакцию С3-карбоксилирования, способствует повышению пищевой ценности биомассы метанотрофа.