Студенты кафедры микробиологии биологического факультета МГУ во время прохождения практики на Беломорской биологической станции имени Н.А. Перцова заинтересовались бактериями, обитающими в Белом море и способными разлагать хитин. Хитин – природный полимер, сходный с целлюлозой, но состоящий из молекул N-ацетилглюкозамина, в результате чего его цепочки связываются между собой, образуя прочную структуру с повышенной кристалличностью. Хитин очень широко распространен на нашей планете, по количеству находясь на втором месте после целлюлозы. Это объясняется тем, что он является структурообразующим элементом в экзоскелетах беспозвоночных животных, населяющих мировой океан и пресные воды Земли, а также присутствует в клеточных стенках грибов и кутикуле артропод. Разложение этого вещества является важным этапом биогеохимического цикла углерода, обуславливающим возвращение в него биогенных элементов. Оно обуславливается действием микробных хитиназ, причем их состав различается в зависимости от места выделения микроорганизмов-хитинолитиков (наземные, пресноводные, морские экосистемы). Разлагающие хитин ферменты — хитиназы — востребованы в различных областях биотехнологии.
Целью проведенных исследований было изучение разнообразия хитинолитических бактерий, обитающих в Кандалакшском заливе Белого моря в районе Беломорской биологической станции имени Н.А. Перцова. Для этого из образцов беспозвоночных животных, водорослей и воды Белого моря были получены накопительные культуры микроорганизмов, использующие хитин в качестве единственного источника углерода и энергии. Способность накопительных культур разлагать материал проверялась на чашках Петри со средой, содержащей хитин, где в результате действия хитиназ появлялись зоны просветления исходно мутной среды. Из таких культур выделяли ДНК для амплификации и последующего высокопроизводительного секвенирования вариабельных участков маркерных генов, кодирующих 16S рибосомальную РНК. Одновременно проводили выделение чистых культур хитинолитических бактерий.
Было получено три высокоактивные хитинолитические накопительные культуры микроорганизмов: из гомогената веслоного рачка (подкласс Copepoda), из гомогената червя Terebellides (класс Polychaeta) и из пробы морской воды вблизи ББС. Для этих же образцов предварительно было проведено профилирование микробных сообществ по гену 16S рРНК. В результате культивирования на хитине состав сообществ заметно изменился: в них начали доминировать бактерии родов Aliivibrio, Photobacterium, Pseudoalteromonas, Cobetia, Endozoicomonas.
Также были выделены три высокоактивных хитинолитических штамма, путем анализа гена 16S рРНК идентифицированных как два представителя рода Pseudoalteromonas sp. (предположительно новые виды) и Vibrio sp., ближайшим родственником которого является Vibrio alginolyticus. Все три штамма активно разлагали хитин, а также были способны к росту на других морских полисахаридах – компонентах водорослей (агар, альгинат, каррагинан).
Зоны гидролиза хитина на чашках Петри с питательной средой, на которую были помещены исследуемые бактерии.
С целью выявления генов хитиназ (роды Vibrio, Aliivibrio, Pseudoalteromonas, Cobetia, Endozoicomonas) был проведен анализ опубликованных геномов морских микроорганизмов, родственных обнаруженным или выделенным в ходе проведенных исследований. Для некоторых членов первых трех родов способность к разложению хитина была известна ранее; для представителей родов Cobetia и Endozoicomonas такие данные отсутствовали. Гены хитиназ были обнаружены в геномах представителей Endozoicomonas, что согласуется с данными настоящего исследования. Способность бактерий рода Cobetia к разложению хитина требует дополнительных исследований.
«Эта работа для нас является особенной, — говорит Ирина Данилова, доцент кафедры микробиологии биологического факультета МГУ. — С одной стороны, мы получили очень интересные результаты по новым бактериям-продуцентам хитиназ, причем эти бактерии живут в северных условиях, а это очень ценное качество для биотехнологии, ведь в таком случае все биотехнологические процессы с белками, полученными из этих бактерий, можно проводить при низких температурах. Это очень важно с экономической точки зрения. С другой стороны, вся практическая часть работы сделана нашими студентами, которые получили незабываемый опыт проведения практико-ориентированных исследований. Мы надеемся, что это даст им дополнительный стимул остаться в науке и посвятить свою жизнь работам, направленным на улучшение жизни человека на нашей планете. В дальнейшем мы будем обязательно привлекать наших студентов и к другим аналогичным исследованиям».
Результаты исследования, поддержанного грантом Минобрнауки № 075-15-2021-1396 в рамках реализации национального проекта «Наука и университеты», опубликованы в журнале Microbiology.
По материалам пресс-службы МГУ им. М. В. Ломоносова.