Что разрабатывают белорусские ученые на основе бактерий, грибов и вирусов

Если задаться целью перечислять все сферы, где применяются исследования из области микробиологии, пальцев на руках явно не хватит. Медицина, аграрная отрасль, промышленное производство, экология и множество других более узких направлений — везде находится работа для микроскопических существ, о которых обычный человек даже не задумывается. В Национальной академии наук Беларуси созданием уникальных препаратов на их основе занимается Институт микробиологии. 

«Суп» руками не трогать

Экскурсия по современному биотехнологическому производству начинается с вводной: от сопровождающего не отходить, ничего руками не трогать! Паровые трубы в приборах могут нагреваться до 120 градусов, поэтому неосторожному человеку серьезный ожог гарантирован. Надеваем защитные костюмы и погружаемся в стерильный мир, где, образно говоря, варятся микробиологические «супы». 

— Основной объем продукции предназначен для сельского хозяйства, — поясняет начальник отдела «Научно-производственный центр биотехнологий» кандидат биологических наук Виталий Щетко. — Это в первую очередь закваски для силосования кормов на основе молочнокислых бактерий, пробиотики для улучшения пищеварения животных — крупного рогатого скота, свиней, цыплят и других. Производим препараты — микробные удобрения — для улучшения урожайности сельскохозяйственных культур.

Первое помещение чем-то напоминает продуктовый склад: на полках пакеты с питательными веществами и химическими реактивами для питания бактерий. Смесь, напоминающая сухое молоко: глюкоза, пептон (препарат, полученный из молока и мяса животных под действием протеолитических ферментов) и различные соли.

— Микроорганизмы поступают к нам в колбах в небольшом объеме, а мы засеваем их в герметичные стерильные ферментеры на 100 литров, — рассказывает специалист. — Здесь они растут в течение суток, затем перемещаются в емкости, рассчитанные на 1—3 тонны. Микроорганизмы делятся, увеличивая количество биомассы, и в итоге в одном миллилитре жидкости их уже содержится от 5 до 7 миллиардов. 

Готовые препараты разливаются по емкостям, а для получения сухих смесей запускается проточная центрифуга, где клетки отделяются от жидкости, — получается пастообразная масса, которая смешивается с криозащитной средой на основе молока и сахара. Потом все это разливается на подносы, помещается сначала в холодильники, затем в сублимационную сушку. Через двое суток получается конечный продукт — концентрат бактерий. 

По сути дела, научно-производственный центр масштабирует и претворяет в жизнь все наработки, которые рождаются в лабораториях. Всего за год здесь выпускают более 30 видов востребованной экономикой продукции. Как говорится, не залеживаются микробы на складе, все в дело идут. Ежегодно спрос на такие препараты возрастает в среднем на 10—15 %, в том числе рост объема экспорта составляет до 10 %.

Микровклад на макроуровне

Поразительно, но факт: современная наука примерно знает, сколько потенциально обитаемых планет находится во Вселенной, но подсчитать число микроорганизмов на Земле не представляется возможным. Задача непосильная, если учесть, что всего в 1 грамме пахотного слоя почвы содержится до 10 миллиардов бактерий. Но в чем же их польза? 

— Любой микроорганизм — своего рода мини-завод, который, потребляя какие-то компоненты, перерабатывает их в химические соединения, — поясняет директор Института микробиологии НАН Беларуси кандидат технических наук Александр Шепшелев. — Микробиологи могут путем определенных манипуляций заставить бактерию производить те компоненты, которые им нужны. 

В качестве примера можно привести лекарственные средства, компоненты которых в ряде случаев получают при помощи микроорганизмов, в том числе и генетически модифицированных, — антибиотики, инсулин и его аналоги, противораковые соединения, компоненты вакцин и другие. 

— Отдельно отметим пробиотики — живые бактерии, которые человек принимает внутрь для того, чтобы восстановить или улучшить функции пищеварительной, иммунной и других систем, — обращает внимание ученый. — Без лишней скромности скажу, что микробиология является важным элементом в обеспечении продовольственной безопасности и сохранении технологического суверенитета нашей страны.

В настоящее время в институте реализуется около 30 заданий в рамках госпрограмм, 7 международных контрактов с российскими организациями. Объем экспорта в прошлом году — более 300 тысяч долларов.

Зерно в закрома

Одна из ключевых сфер интересов для микробиологов — сельское хозяйство. Из последних разработок — принципиально новый микробный препарат «Грамисил» для озимой пшеницы, предназначенный для предпосевной обработки семян и опрыскивания растений. Его использование увеличивает урожай на 14—15 %, и это на фоне уменьшения дозы вносимых минеральных азотных и фосфорных удобрений. 

— На основе бактерий, которые были обнаружены в районе солигорских месторождений калийных солей, мы создали препарат, повышающий устойчивость сельскохозяйственных культур к неблагоприятным условиям окружающей среды, — делится Александр Шепшелев. — Эти же бактерии позволили разработать и микробные препараты, дающие возможность городским растениям выживать в условиях высокого уровня загрязнения почв химическими реагентами и солями. Новинка уже прошла испытания в Минске, показав хорошие результаты.

Также на счету микробиологов кормовые добавки на основе обогащенных селеном дрожжей — «Селекорд-200» и «Селекорд-2000». Первой дополняют рацион телят, что способствует повышению их среднесуточной массы, а вторая увеличивает яйценоскость кур-несушек. Также повышаются качественные показатели — содержание в яйцах белка, каротиноидов, витамина А и селена. 

Бактерия валюту бережет

В современном мире для получения фармацевтических соединений все больше внимания уделяется роли биотехнологий, в том числе и микробных. Такая работа проводится и в Беларуси, подтверждает Александр Шепшелев:

— В отраслевой лаборатории молекулярных био- и нанотехнологий Института микробиологии создаются штаммы-сверхпродуценты соединений с использованием методов генной инженерии. Например, разработаны технологии химико-ферментативного синтеза противоопухолевых и противовирусных лекарственных субстанций. В этом плане мы уже много лет сотрудничаем с Институтом биоорганической химии. Также можно отметить создание ферментов для промышленного синтеза противоопухолевых препаратов «Лейкладин» и «Флударабел», препарата для лечения рассеянного склероза «Лейковир». Помимо прочего, это еще и примеры успешного импортозамещения, так как используются отечественные, доступные по цене ферменты вместо дорогих зарубежных. 


Важное направление работы отраслевой лаборатории — создание мРНК-вакцин и нанопрепаратов для профилактики и терапии болезней человека и животных. 

— Разработана принципиально новая базовая генетическая конструкция, которую в максимально короткие сроки можно модифицировать для создания мРНК-вакцин против широкого набора возбудителей вирусных заболеваний, — уточняет Александр Шепшелев. — Среди преимуществ, помимо оперативности, возможность безынвазивного интраназального введения — через нос. Разрабатываем также биопрепараты и биопродукцию для широкого перечня отраслей промышленности. Один из примеров: создание штамм-продуцента кератиназы — фермента, используемого как в медицине, так и в косметологии. Наша разработка показывает большую активность, чем импортные аналоги.

Достать микроб с орбиты 

Когда первый белорусский космонавт Марина Василевская отправилась на МКС, программу научных исследований для нее составляли несколько академических организаций. В их числе и Институт микробиологии. Казалось бы, какое отношение имеют бактерии к космосу? Самое прямое, поясняет Александр Шепшелев: 

— Космическая биология — наука будущего, и потребность в ней многократно возрастет при межпланетных перелетах. Начнем с того, что микроорганизмы, которые живут на коже, в кишечнике и находятся на одежде, в космосе под воздействием невесомости и прочих факторов начинают обретать новые свойства. 

Как правило, изменения незначительны, но возможно всякое. Допустим, могут проявиться свойства, грозящие выходом из строя аппаратуры или разрушением различных поверхностей космической станции. 

Не исключен и вред для здоровья человека. Для того чтобы обезопасить нынешних и будущих космонавтов, нужно тщательно изучать эти параметры. 

Марина Василевская привезла образцы микроорганизмов, отобранные с разных поверхностей МКС, и в данный момент ученые изучают их свойства. Она проводила эксперименты со штаммами пробиотиков и бифидобактерий. Полноценное питание людей в космосе — одна из главнейших задач в обеспечении полетов, а эти микроорганизмы играют важную роль в поддержании здоровья.

У ВАС НЕФТЯНЫЕ ПЯТНА? ТОГДА МЫ ИДЕМ К ВАМ

Сфера, в которой не обойтись без микробиологии, — охрана окружающей среды. Микроорганизмы помогают бороться со многими экологическими проблемами разных масштабов. Белорусские ученые создали не имеющий аналогов микробный препарат «БиоСЭф». Его использование обеспечивает эффективность очистки многокомпонентных водных растворов, содержащих смесь органических растворителей, в пределах 78—100 %. Биопрепарат предотвращает экологический ущерб от выбросов в окружающую среду высокотоксичных соединений, чем грешат предприятия химической, нефтехимической и лакокрасочной промышленности, а также производства с покрасочными цехами.

Гордость микробиологов — биопрепарат для ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов на почве и воде. «Экобел» разработан в рамках государственной научно-технической программы «Чрезвычайные ситуации». Его основа — высокоактивные бактериальные штаммы, обладающие способностью поглощать и разлагать нефть на безопасные для природы и человека компоненты. Порошок посыпают на место разлива, и буквально за 60 дней он разрушает до 90 % загрязнений.

ВЫВЕДУТ ОНКОЛОГИЮ ИЗ ТЕНИ

В любой отрасли, в том числе и в микробиологии, одно из главных условий успешного развития — молодые кадры. Так сказать, свежая кровь науки. 

— У нас создана совместная кафедра с БГУ, налажено тесное взаимодействие с профильными университетами, — говорит Александр Шепшелев. — Тут нужно учитывать, что далеко не у каждого лежит душа именно к научной деятельности. Чтобы выкристаллизовать такие таланты, а также помочь самим молодым людям определиться с выбором, наиболее перспективных ребят мы приглашаем к нам на практику уже со вторых или третьих курсов. И даем им возможность выполнять курсовые и дипломные работы на практическом материале, в рамках реальных программ, в том числе и государственных. Молодые люди пробуют себя в лабораториях. И, как правило, к моменту окончания вуза уже становится понятно, свяжут они свой путь с наукой или пойдут в производственный сектор. Это, так сказать, проверка боем, которая позволяет определить лучших. 

Например, научный сотрудник отраслевой лаборатории био- и нанотехнологий Алексей Булатовский пришел в Институт микробиологии в 2014 году, когда учился на втором курсе. С 2016-го работает тут на полную ставку. Окончил магистратуру, аспирантуру, собирается защищать диссертацию. Тема ее связана с разработкой препарата для лечения онкологических заболеваний. 

— Одним из механизмов, позволяющих злокачественным опухолям уклоняться от контроля со стороны иммунной системы человека, является формирование в месте образования области, «защищающей» клетки рака от обнаружения, — поясняет Алексей Булатовский. — Нами получены высокопродуктивные генно-инженерные штаммы бактерий, синтезирующие химерные белки на основе человеческого белка — аннексина-A5. Они фактически помогают иммунитету «увидеть» раковые клетки и затормозить развитие воспалительного процесса. 

Молодой ученый — научный сотрудник отраслевой лаборатории био- и нанотехнологий Алексей Булатовский убежден, что бактерии могут помочь людям с онкологическими заболеваниями.
 
Полученный химерный белок планируется изучить в качестве перспективного противоопухолевого средства.

КОЛЛЕКЦИОННОЕ НАЦИОНАЛЬНОЕ ДОСТОЯНИЕ 

В Институте микробиологии находится объект, объявленный национальным достоянием и включенный в состав Всемирной федерации коллекций культур, — Белорусская коллекция непатогенных микроорганизмов.

Белорусская коллекция непатогенных микроорганизмов — уникальный объект не только в Беларуси, но и на всем постсоветском пространстве.

— На данный момент в этом своеобразном «банке данных» хранятся 1316 штаммов бактерий, 65 штаммов бактериофагов, 430 штаммов мицелиальных грибов, 204 штамма дрожжевых грибов и 3 штамма архей, — поясняет научный сотрудник лаборатории «Коллекция микроорганизмов» Анна Кантерова. — Создается коллекция дрожжевых штаммов, перспективных для виноделия. Хранятся культуры как минимум двумя способами. Это криоконсервация при минус 80 °C, а также лиофилизация — высушивание из замороженного состояния под вакуумом. В то же время есть организмы, которым ни один из этих вариантов не подходит. Например, базидиальные грибы мы регулярно пересеваем в пробирках в качестве субкультивирования. 

Один раз в пять лет ученые проверяют жизнеспособность и чистоту объектов хранения и делают свежие закладки. Пользоваться уникальными микроорганизмами могут различные институты, а также учебные заведения.

На «микробной кухне» необходимо соблюдать такую же чистоту, как в операционной, акцентирует внимание начальник отдела «Научно-производственный центр биотехнологий» кандидат биологических наук Виталий Щетко.

bebenina@sb.by