Микромир ускользает от человеческого глаза, требуя для изучения сложнейших технологий. Настоящим прорывом стало внедрение в практику микробиологических исследований молекулярных методов: они буквально совершили переворот в представлении о колоссальном разнообразии мира микроорганизмов. Но эти сложные методы «поддаются» не каждой исследовательской группе. Лаборатория молекулярной экологии и филогеномики бактерий ФИЦ Биотехнологии РАН успешно применяет эти методы для «охоты» за сложно культивируемыми микроорганизмами. Руководитель лаборатории Светлана Дедыш в интервью объединенной редакции проектов «Индикатор» и InScience.News рассказывает, какие преимущества дает использование молекулярных методов в микробной экологии, зачем изучать бактерии, питающиеся метаном, и про личный путь в науку.
– Для читателя, не связанного с биологией, термины «молекулярная экология» и «филогеномика», которые есть в названии Вашей лаборатории, звучат довольно сложно. Как бы Вы объяснили школьнику, чем вы занимаетесь?
– Молекулярная экология – это изучение экологии микроорганизмов с помощью молекулярных методов. В отличие от высших организмов, получить знания о взаимодействии невидимых глазом микроорганизмов между собой и с окружающей их средой с помощью наблюдений невозможно. Традиционный метод посева на питательные среды для этих целей также непригоден, так как он выявляет только ничтожную долю (не более 1%) населяющих экосистемы бактерий. Введение в практику микробиологических исследований молекулярных методов совершило переворот в наших представлениях о существующем разнообразии мира микроорганизмов. Эти методы позволяют не только идентифицировать микробов, но и определять закодированный в их геномах функциональный потенциал, а также исследовать структуру микробных сообществ в самых разных местообитаниях.
Филогеномика – это сравнительно новая область микробиологии, исследующая эволюционное родство микроорганизмов с помощью сравнительного геномного анализа. Современная систематика микроорганизмов также строится на основе сравнительного анализа геномов. Без подобного анализа в наши дни нельзя описать новые таксоны микроорганизмов и провести полноценное сравнение «способностей» какого-либо микроба с его ближайшими родственниками или же, наоборот, с микробами эволюционно удаленных линий.
– Чем занимается сейчас Ваша лаборатория? На каких задачах сфокусированы Ваши исследования?
– Мы исследуем разнообразие прокариотных микроорганизмов в различных наземных экосистемах, выделяем в культурах представителей ранее неизвестных таксонов бактерий, исследуем их функции в природе и возможный биотехнологический потенциал. Например, наша лаборатория – единственная в стране, культивирующая и исследующая ацидобактерии – одну из доминирующих групп прокариот в наземных экосистемах. Еще один объект наших исследований – планктомицеты – филогенетическая группа повсеместно распространенных, но слабо изученных бактерий с большими геномами и множеством особенностей биологии и организации клеток.
В последние годы одним из основных направлений исследований нашего структурного подразделения является поиск новых штаммов метанотрофных бактерий, перспективных для использования в биотехнологиях получения белка и других продуктов с добавленной стоимостью из природного газа. Аэробные метанотрофные бактерии – это моя первая «любовь» в науке; я занимаюсь ими уже более 30-ти лет.
Начало этих исследований в 90-х годах было посвящено поиску тогда неизвестных ацидофильных метанотрофов, перехватывающих потоки метана из северных болот. Получение изолятов этих бактерий позволило открыть ряд уникальных особенностей биологии метанотрофов (https://www.science.org/doi/10.1126/science.282.5387.281) Например, оказалось, что болотные метанотрофы способны использовать не только метан, но и ацетат, что позволяет этим бактериям сохранять жизнеспособность в условиях флуктуаций концентрации метана в болотном профиле. Таким образом было доказано существование факультативной метанотрофии (https://doi.org/10.1128/jb.187.13.4665-4670.2005). Эти исследования легли в основу моей докторской диссертации.
Однако удивительные находки в области метанотрофии на этом не закончились, а были продолжены сотрудниками моей лаборатории. Так, нами были открыты ранее неизвестные метанотрофы-спириллы, которые способны быстро передвигаться по градиенту концентрации метана в гетерогенных средах (торфе, почве, озерных осадках) с помощью способности ввинчиваться (как штопор) в эти плотные субстраты (https://doi.org/10.1038/ismej.2016.48). Даже для известных и уже используемых в биотехнологиях видов метанотрофов всегда можно найти штаммы, характеристики которых лучше, чем у используемых продуцентов. Это демонстрируют результаты нашей работы по поиску новых штаммов метанотрофов-продуцентов в рамках проекта НЦМУ в 2020-2023 гг. Иными словами, природное разнообразие бактерий этой группы многократно превосходит наши знания о них. Это ли не источник вдохновения для поиска нового?
Светлана Дедыш. Работа с образцами торфа, доставленными партнером по исследованиям болот, болотоведом д.б.н. Д.А. Филипповым, 2019 год
– Какой Ваш личный путь в науку? Как Вы стали заведующей лабораторией?
– Своей научной судьбой я во многом обязана моим наставникам, определившим направления моих исследований и задавшим высокую планку качества. В 1990 году, после окончания кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ, я поступила на работу в лабораторию почвенной микробиологии и биокинетики Института микробиологии, которой руководил профессор Николай Сергеевич Паников, эксперт в области кинетики микробного роста и автор одноименных книг, выпущенных на русском и английском языках. В то время лаборатория проводила исследования в рамках ФЦНТП «Глобальные изменения природной среды и климата» и отвечала за полевые измерения потоков парниковых газов и анализ баланса образования и потребления метана в болотах. В Институте микробиологии эти работы были инициированы академиком Георгием Александровичем Заварзиным, выдающимся ученым-естествоиспытателем, микробиологом с мировым именем.
Задача состояла в том, чтобы понять, какие бактерии «перехватывают» образующийся в болотах метан на его пути в атмосферу. Ацидофильных метанотрофов, способных развиваться в кислых северных болотах, в то время известно не было. «Поимка» этих ранее неизвестных бактерий стала возможной после отказа от стандартных подходов и использования новых сред и условий культивирования. Для идентификации этих бактерий понадобились молекулярные методы, для освоения которых я была отправлена на стажировку в Центр микробной экологии Мичиганского государственного университета, которым руководил профессор Джеймс Тиджи, основатель Международного общества микробной экологии (ISME). Эта стажировка имела своим результатом публикацию в Science (см. выше), позволила приобрести бесценный опыт применения молекулярных методов в микробиологических исследованиях и завязать большое число новых научных связей с микробиологами различных стран. Одним из таких контактов стало взаимодействие с Институтом наземной микробиологии Общества Макса Планка в Марбурге (Германия), куда меня пригласили для изучения экологии болотных метанотрофов с помощью метода флуоресцентной гибридизации in situ.
Светлана Дедыш. Первые ПЦР. Центр микробной экологии, Мичиганский Государственный университет США, 1996 год
«Привезти» освоенные за рубежом молекулярные методы в Россию и создать нужную для них инструментальную базу стало возможным в 2002 году в рамках программы Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология», которую возглавлял академик Георгий Павлович Георгиев.
Мне посчастливилось получить грант на «Новые группы» для молодых ученых, имеющих опыт работы за рубежом, хорошие публикации и желание работать в России. Соединив вековой опыт российской школы микробиологов в культивировании микробов и высокий потенциал молекулярных методов исследований, нам удалось «подобрать ключи» к группам микроорганизмов, которые долго не давались в руки ученым.
Светлана Дедыш в лаборатории. Центр микробной экологии, Мичиганский Государственный университет США, 1996 год
– Если заглянуть на 10–15 лет вперёд, какой Вы видите лабораторию: вокруг каких типов экосистем и каких методов она будет выстроена? Какие проекты Вам особенно хочется реализовать?
– Не думаю, что привязка к каким-либо конкретным экосистемам актуальна в настоящее время. Наши исследования, например, давно вышли за рамки болотных экосистем. Главный драйвер работы любого истинного ученого – поиск нового, исследование неизвестного.
За рубежом микробиологи нашего института традиционно известны как искусные «охотники» за сложно культивируемыми микробами. Эта репутация бесценна и должна быть сохранена. Однако важно не только уметь поймать новых микробов, но и глубоко исследовать особенности их биологии и скрытые способности. Стандартный анализ геномов здесь не панацея. В геномах бактерий малоизученных групп (таких, например, как планктомицеты и ацидобактерии) удается аннотировать не более 30% (а то и меньше) всех генов. То есть мы почти ничего не знаем о метаболических путях, ферментах и прочих особенностях биологии этих организмов. Здесь скрыто огромное поле для открытий. Микробиолог будущего должен владеть широким спектром подходов, включая биоинформатические, но не потерять способность «видеть и чувствовать» исследуемый микроорганизм.
– И традиционный вопрос про людей: много ли сейчас студентов и аспирантов готовы идти в направление исследований Вашей лаборатории? Чем Вы их привлекаете в эту тему и что, на Ваш взгляд, важно изменить в системе, чтобы молодым исследователям было проще приходить в молекулярную экологию и оставаться в ней надолго?
– С привлечением студентов проблем нет. Хорошо оборудованная лаборатория, использующая молекулярные методы для идентификации и исследования микроорганизмов, большая доля молодых сотрудников – все это важные аргументы в выборе студентами нашей лаборатории для выполнения дипломной работы. Для подавляющего большинства студентов именно это и является целью.
Аспирант лаборатории Салова В.Д., 2026 год
У нас же цель несколько иная – разглядеть тех, кто искренне увлечен микробиологией. Студенты с иными причинами поступления в аспирантуру рано или поздно уйдут с этого пути. Финансовая поддержка хороших, увлеченных наукой аспирантов, конечно, очень важна. Возможно, при планировании приема аспиранта предполагаемый руководитель должен представлять дирекции свой план в отношении финансовой поддержки (в рамках гранта или договора). Сейчас такой практики нет, а напрасно. Практика выдачи внутренних грантов ФИЦ Биотехнологии РАН молодым ученым очень хороша, но таким образом можно поддержать лишь единицы. Боюсь, у меня нет готовых ответов насчет улучшения финансовой поддержки аспирантов. На мой взгляд, главная задача руководителя аспиранта – это определить такое направление исследований, работая в рамках которого молодой исследователь смог бы ощутить драйв научного поиска, чувство соперничества с зарубежными коллективами, работающими в близкой области, и осознать свой потенциал как ученого.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
