Ключевые слова
термофильные бактерии, гипертермофильные археи, анаэробы, литоавтотрофы, новые типы метаболизма, метаболизм С1 соединений, термофильные микробные сообщества, термостабильные ферменты, геномика, гетагеномика

Направления исследований

• Исследование филогенетического разнообразия термофильных прокариот
• Исследование метаболического разнообразия термофильных прокариот
• Характеристика новых типов катаболического обмена у термофильных микроорганизмов
• Использование С1 соединений термофильными прокариотами
• Восстановление неорганических акцепторов электронов термофильными прокариотами
• Характеристика глубоких филогенетических ветвей прокариот
• Анализ полных геномов новых термофильных прокариот
• Метагеномный анализ термофильных микробных сообществ
• Термостабильные гидролазы из новых термофильных прокариот
• Терминальные оксидоредуктазы  термофильных прокариот

Основные методы исследований
В лаборатории налажен полный цикл выделения, культивирования и характеристики новых термофильных прокариот, в том числе анаэробов, микроорганизмов с газовым питанием, микроорганизмов, восстанавливающих нерастворимые акцепторы электронов. Имеется установка для анаэробного приготовления среды с заполнением свободного объема газовой смесью заданного состава, а также анаэробный перчаточный бокс «Inmed» для работы с анаэробными культурами и ферментами. Имеется проточный ферментер «Unfors» объемом 2.5 л для проточного культивирования термофилов (до 90оС) и облигатных анаэробов. Имеется 12 термостатов «Binder» и «Memmert», позволяющих культивирование термофильных микроорганизмов при заданных температурах от 40 до 110оС.

Методы характеристики новых изолятов:

• морфология клеток и мониторинг роста — световая фазово-контрастная микроскопия, флюоресцентная микроскопия
• характеристика метаболизма – ВЭЖХ, газо-жидкостная хроматография, спектрофотометрия
• характеристика целевых ферментов – зимография, спектрофотометрия
• геносистематическая характеристика новых изолятов – определение ГЦ состава ДНК и ДНК-ДНК гибридизация.

Методы характеристики микробных сообществ:

• выделение ДНК и РНК из природных сообществ и накопительных культур
• ПЦР-ДГГЭ генов 16S рРНК и функциональных генов
• транскриптомный анализ
• флюоресцентная гибридизация in situ (FISH, CARD-FISH)

Биоинформатические методы:

• определение филогенетического положения новых изолятов
• построение филогенетических деревьев на базе генов 16S рРНК и функциональных генов
• анализ баз данных
• разработка ПЦР-праймеров и зондов для анализа микробных сообществ
• анализ полных геномов новых изолятов, метагеномов и транскриптомов природных сообществ и накопительных культур

Краткая история отдела
В 2017 году лаборатория гипертермофильных микробных сообществ преобразована в отдел биологии экстремофильных микроорганизмов, в состав которой вошли две лаборатории: лаборатория разнообразия и экологии экстремофильных микроорганизмов и лаборатория метаболизма экстремофильных прокариот.

Лаборатория гипертермофильных микробных сообществ была организована в 1996 году из группы, входившей в состав лаборатории микробных сообществ (руководитель академик Г.А. Заварзин) и вошла в отдел микробных сообществ, также руководимый Г.А. Заварзиным. С 2012 года существует как самостоятельная лаборатория в составе ИНМИ РАН.

С момента основания лаборатории и до сегодняшнего дня ее руководителем является д.б.н. Е.А. Бонч-Осмоловская. За весь прошедший период лабораторию не покинул ни один ключевой сотрудник; была значительно расширена область компетенции членов лаборатории, которая, помимо классической микробиологии, включает теперь геномику, биоинформатику, энзимологию термофильных прокариот. Защищено 3 докторских и 9 кандидатских диссертаций. В 2014 году коллектив лаборатории получил грант президента РФ по поддержке ведущих научных школ.

ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Лаборатория занимается исследованием филогенетического и метаболического разнообразия термофильных прокариот, а также возможности их применения в биотехнологии. Основное внимание уделяется  трудным для культивирования  группам с необычным катаболизмом, а также представителям новых филогенетичских линий.

В рамках основного направления работы:

• Исследованы микробные сообщества природных термальных местообитаний различного происхождения и географического положения: наземные горячие источники вулканического и рифтового происхождения, морские мелководные и глубинные гидротермы, подземные высокотемпературные экосистемы. Сотрудниками лаборатории  выделен, полностью охарактеризован и узаконен 91 новый таксон термофильных прокариот, в том числе новый филум, новый класс, 4  порядка, 3 семейства, 25 родов.
• Создана коллекция термофильных прокариот, включающая более 400 штаммов термофильных и гипертермофильных бактерий и архей.
• Выделены первые термофильные представители филума Planctomycetes.
• Охарактеризованы новые метаболические группы термофилов, в том числе анаэробные гидрогеногенные карбоксидотрофы, гипертермофильные археи, анаэробно использующие формиат с образованием водорода, термофильные железоредукторы, термофильные литоавтотрофные бактерии, осуществляющие дипропорционирование соединений серы.

Помимо классических культуральных методов, в лаборатории широко используются биоинформатический и молекулярно-экологический подходы:

• На основании анализа полных геномов новых термофильных прокариот выявлены генетические детерминанты гидрогеногенной карбоксидотрофии, а также новый тип катаболического обмена – анаэробное разложение формиата, идущее с образованием водорода, гены, обуславливающие способность к росту с нерастворимыми акцепторами электронов, в частности, с оксидом железа, гены, кодирующие новые гидролазы, в том числе архейную мультидоменную гликозидгидролазу.
• В геномах новых термофильных планктомицетов идентифицированы гены, кодирующие новые термостабильные гидролазы, впоследствии охарактеризованные экспериментально.
• Разработаны методы анализа микробных сообществ путем количественной оценки генов, кодирующих ключевые ферменты целевых микробиологических процессов.
• Путем анализа библиотек клонов  генов mcrA из наземных горячих источников выявлены новые филогенетические группы метаногенных архей, доминирующие в этих местообитаниях. Выявлена новая группа термоацидофильных сульфатредукторов.

Прикладные исследования лаборатории связаны, в первую очередь, с поиском продуцентов новых термостабильных гидролаз для различных областей биотехнологии:

• Выделены и охарактеризованы гипертермофильные археи, способные росту за счет гидролиза целлюлозы и ксилана, а также термофильные и гипертермофильные прокариоты способные полностью разлагать устойчивые к гидролизу белки (альфа- и бета-кератины).
• Выделена первая факультативно-анаэробная термофильная бактерия Melioribacter roseus, способная в анаэробных условиях полностью окислять биополимеры, в том числе целлюлозу. Новым ферментам дана первичная биохимическая характеристика.

Лаборатория гипертермофильных микробных сообществ участвует в большом количестве российских и международных проектов. С 2012 по 2015 года лаборатория участвовала в Проекте “Hotzyme” (Systematic screening for novel thermostable hydrolases), в котором участвовало 13 рабочих групп из 10 стран, в том числе два индустриальных партнера (Sigma-Aldrich и Novozymes). В проекте лаборатория выполняла ключевую роль, обеспечивая доступ к новым термофильным микроорганизмам-гидролитикам и метагеномам из термальных местообитаний. В результате совместной работы консорциума выявлены и полностью охарактеризованы новые термостабильные гидролазы с заданными индустриальными партнерами свойствами.

За время существования лаборатории число сотрудников лаборатории выросло с 6 до 16 человек, под руководством которых сейчас выполняет диссертационные работы 6 аспирантов. 3 сотрудников защитили докторские диссертации, 9 – кандидатские. В 2012 году зав. лабораторией д.б.н. Е.А. Бонч-Осмоловская за выдающиеся достижения в области микробиологии стала лауреатом премии им. С.Н. Виноградского  Президиума РАН. Сотрудники лаборатории ежегодно принимают участие в профильных международных научных мероприятиях – конгрессах ISME (Международное Общество микробной экологии), конгрессах  “Extremophiles” и “Thermophiles”, где выступают с приглашенными пленарными и секционными докладами . В 2014 году лаборатория гипертермофильных микробных сообществ была главным организатором 10 Международного конгресса  “Extremophiles-2014”, прошедшего в Санкт-Петербурге и собравшего 450 участников из 40 стран мира, в том числе 90 человек из различных научных и учебных учреждений РФ.

СОСТАВ ОТДЕЛА

Отдел биологии экстремофильных микроорганизмов (Заведующая: Бонч-Осмоловская Е.А.):

Лаборатория разнообразия и экологии экстремофильных микроорганизмов (Заведующий: Слободкин А.И.)

Лаборатория метаболизма экстремофильных прокариот (Заведующий: Кубланов И.В.)

УНИКАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

1. Prokofeva M.I., Miroshnichenko M.L., Kostrikina N.A., Chernyh N.A., Kuznetsov B.B., Turova T.P., Bonch-Osmolovskaya E.A. Acidilobus aceticus gen. nov. and sp. nov., a new acidophilic anaerobic hyperthermophilic archaeum from continental hot vents of Kamchatka. — Intern. J. Syst. Bacteriol, 2000, 50:2001-2008
2. Miroshnichenko M.L., Kostrikina N.A., L’Haridon S., Jeanthon S., Hippe S., Stackebrandt E., Bonch-Osmolovskaya E.A. Nautilia lithotrophica gen. nov., sp. nov., a thermophilic sulfur-reducing epsilon proteobacterium isolated from a deep-sea hydrothermal vent. — J. System. Evol. Microbiol., 2002, 52:1299-1304
3. Bonch-Osmolovskaya E.A., Miroshnichenko M.L., Lebedinsky A.V., Chernyh N.A., Nazina T.N., Ivoilov V.S., Belyaev S.S., Boulygina E.S., Lysov Yu. P., Perov A.N., Mirzabekov A.D., Hippe H., Stackebrandt E., L’Haridon S., Jeanthon C. Radioisotopic, culture-based and oligonucleotide microchip analyses of thermophilic microbial communities in a continental high-temperature petroleum reservoir. — Appl. Environm. Microbiol., 2003, 69:6143-6151
4. Miroshnichenko M.L., Kostrikina N.A., Chernyh N.A., Pimenov N.V, Tourova T.P., Antipov A.N., Spring S., Stackebrandt E., Bonch-Osmolovskaya E.A. Caldithrix abyssi gen. nov., sp. nov., a nitrate-reducing, thermophilic, anaerobic bacterium isolated from a Mid-Atlantic Ridge hydrothermal vent, represents a novel bacterial lineage. — Int. J. System. Evol. Microbiol., 2003, 53:323-329
5. Miroshnichenko M.L., L’Haridon, S., Schumann, P., Spring, S., Bonch-Osmolovskaya, E.A., Jeanthon, C.,  Stackebrandt, E. Caminibacter profundus sp. nov., isolated from a deep-sea hydrothermal vent represents a novel thermophilic bacterium of the Nautiliales ord. nov. within the class «Epsilonproteobacteria». — Int. J. System. Evol. Microbiol., 2004, 54:41-45
6. Sokolova T.G., Jeanthon C., Kostrikina N.A., Chernyh N.A., Lebedinsky A.V., Stackebrandt E., Bonch-Osmolovskaya E.A. The first evidence of anaerobic CO oxidation coupled with H2 production by a hyperthermophilic archaeon isolated from deep-sea hydrothermal vents. — Extremophiles, 2004, 8:317-323
7. Miroshnichenko M.L., Bonch-Osmolovskaya E.A. Recent developments in the thermophilic microbiology of deep-sea hydrothermal vents. — Extremophiles, 2006, 8:317-323
8. Perevalova A.A., Kolganova T.V., Birkeland N.-K., Schleper C., Bonch-Osmolovskaya E.A., Lebedinsky A.V. Distribution of Crenarchaeota representatives in terrestrial hot springs of Russia and Iceland. — Appl. Envrionm. Microbiol., 2008, 74:7620-7628
9. Kublanov I.V., Perevalova A.A., Slobodkina G.B., Lebedinsky A.V., Bidzhieva S.Kh., Kolganova T.V., Kaliberda E.N., Rumsh L.D., Haertle T., Bonch-Osmolovskaya E.A. Biodiversity of thermophilic prokaryotes with hydrolytic activities in hot springs of Uzon Caldera, Kamchatka. — Appl. Environm. Microbiol., 2009, 59:1743-1747
10. Miroshnichenko M. L., Lebedinsky A. V., Chernyh N. A., Tourova T. P., Kolganova T. V., Spring S. Caldimicrobium  rimae gen. nov., sp. nov., a novel extremely thermophilic facultatively lithoautotrophic anaerobic bacterium from the Uzon Caldera, Kamchatka. — Int. J. System. Evol. Microbiol., 2009, 59:1040-1044