Научные направления микробиологической школы Казанского университета
Научные направления современной микробиологической школы Казанского университета складывались во второй половине ХХ века.
Ферменты микроорганизмов
В 1951/1952 учебном году профессор М.И. Беляева впервые в нашей стране начала исследования по теме «Нуклеодеполимеразы бактерий и их действие на опухолевый рост», поставив задачу изучить микробные нуклеодеполимеразы (ферменты, расщепляющие нуклеиновые кислоты) и испытать их возможное противоопухолевое действие. Это был прорыв, неожиданный переход от классической микробиологии в область только начинающей зарождаться молекулярной биологии. Это был переход и на качественно новый уровень научной работы — на стыке наук (микробиологии, биохимии, медицины, молекулярной биологии) с применением современных на тот момент физико-химических методов исследований.
В 1958 г., всего через 5 лет после открытия двойной спирали ДНК, М.И. Беляева выпустила в КГУ полноценную книгу-сборник статей «Разрушение нуклеопротеидов и нуклеиновых кислот злокачественных опухолей с помощью микроорганизмов», в то время как вся мировая литература насчитывала около десятка статей по данному вопросу.
В 1962 г. университетские «нуклеазники» представили доклад на VII Международном противораковом конгрессе, состоявшемся в Москве. Это было первое участие ученых лаборатории микробиологии КГУ в крупном международном научном форуме.
В 1962 - 1963 гг. впервые была показана in vitro противоопухолевая активность бактериальных нуклеодеполимераз.
В 1963 г. при поддержке ректора университета М.Т. Нужина была организована проблемная лаборатория по синтезу противоопухолевых препаратов микробного происхождения (далее для краткости «проблемная лаборатория»), которую профессор М.И. Беляева возглавляла до 1976 г.
Эта лаборатория стала мощным исследовательским центром и базой для подготовки высококвалифицированных специалистов, многие их которых составили костяк кафедр микробиологии и биохимии, открытых в дальнейшем на биолого-почвенном факультете.
В 1960-е — 1970-е годы под руководством профессора М.И. Беляевой были проведены фундаментальные, системные исследования, охватывающие широкий круг аспектов изучаемой проблемы. В рамках общей, масштабной задачи были заложены основы новых научных направлений, которые впоследствии успешно развивались учениками М.И. Беляевой. Это, в частности, исследования роли нуклеиновых кислот и ферментов нуклеинового обмена в патологических процессах (В.Г. Винтер), работы по инженерной энзимологии (Б.М. Куриненко), изучение нуклеодеполимераз как стимуляторов роста микроорганизмов и высших растений (Ф.Г. Куриянова-Ашина).
Колоссальный массив научных знаний, накопленных в 1960-е — 1970-е годы, составил фундамент для осуществления в 1980-е годы практических разработок.
Развернутые М.И. Беляевой исследования привели к формированию научной микробиологической школы, ориентированной главным образом на изучение внеклеточных нуклеодеполимераз микроорганизмов. Среди учеников М.И. Беляевой — доктора наук, профессора, заведующие кафедрами и лабораториями, талантливые ученые и преподаватели. Это И.Б. Лещинская, В.Г. Винтер (1939 - 2005), Д.В. Юсупова, Б.М. Куриненко, Н.П. Балабан, И.Е. Черепнева, Д.Г. Ишмухаметова, Ф.Г. Куприянова-Ашина, М.Н. Филимонова (все они — ученые Казанского университета), и многие другие, работающие в вузах и НИИ Казани, Москвы, Пущино, Уфы, Днепропетровска и др. Всего под руководством профессора М.И. Беляевой по научному направлению «Нуклеодеполимеразы микроорганизмов и их действие на опухолевый рост» было выполнено и защищено более 30 кандидатских диссертаций, также М.И. Беляева консультировала выполнение 4-х докторских диссертаций.
***
В 1969 г. профессор М.И. Беляева добилась открытия в Казанском университете кафедры микробиологии, выпускающей специалистов-микробиологов широкого профиля, ориентированных на деятельность как в научно-педагогической сфере, так и в биотехнологической промышленности. В 1969 - 1976 гг. кафедрой микробиологии заведовала профессор М.И. Беляева. Первыми преподавателями кафедры были доценты Р.А. Сайманова, Р.П. Наумова, Б.М. Куриненко, активное участие в учебной работе кафедры принимали и научные сотрудники проблемной лаборатории Д.В. Юсупова, И.Б. Лещинская, В.Г. Винтер и другие. В 1976 г. М.И. Беляева в связи с уходом на пенсию покинула университет.
В 1976 - 1982 гг. заведующей кафедрой микробиологии являлась доцент Р.П. Наумова.
***
Дальнейшее развитие научной школы, созданной профессором М.И. Беляевой, происходило под руководством ее ученицы, профессора Инны Борисовны Лещинской, которая в 1976 - 2003 гг. являлась научным руководителем проблемной лаборатории, а в 1982 - 2003 гг. — заведующей кафедрой микробиологии.
В 1980 г. при активном участии профессора И.Б. Лещинской была организована Всесоюзная межвузовская (межотраслевая) программа «Нуклеазы микроорганизмов». Она оказалась единственной среди нескольких десятков программ подобного уровня, координатором которой был назначен нестоличный вуз — Казанский университет. Научным руководителем программы являлась И.Б. Лещинская, научным экспертом — М.И. Беляева. В реализации этого проекта участвовали ученые и специалисты 8-ми вузов, 13-ти академических и отраслевых институтов, 3-х заводов по производству биохимических препаратов. Первая Всесоюзная конференция «Нуклеазы микроорганизмов» состоялась в Казанском университете в 1981 г.
К середине 1980-х годов был завершен скрининг микроорганизмов-продуцентов внеклеточных нуклеодеполимераз, получены штаммы-суперпродуценты, изучены физико-химические, каталитические свойства нуклеодеполимераз и особенности их биосинтеза, разработаны технологии культивирования продуцентов и высокоэффективные методы препаративного получения гомогенных ферментов. Изучены медико-биологические свойства ряда нуклеодеполимераз, показано их противовирусное, иммуностимулирующее и противоопухолевое действие. Были созданы производственные технологии и впервые в нашей стране освоен промышленный выпуск высокочистых нуклеодеполимераз на заводах по производству биохимических реактивов и ферментных препаратов.
Научное направление инженерной энзимологии, зародившееся в начале 1970-х, в середине 1980-х годов было выделено в научно-исследовательскую лабораторию «Инженерная энзимология». В этой лаборатории под руководством доцента Б.М. Куриненко (ныне — д.б.н., профессор) были получены модифицированные нуклеодеполимеразы (иммобилизованные, каталитически неактивные), охарактеризовано медико-биологическое действие ряда нуклеодеполимераз.
Неоднократно достижения ученых кафедры микробиологии и проблемной лаборатории были отмечены наградами.
В 1978 г. молодые ученые проблемной лаборатории стали лауреатами Премии комсомола Татарии им. Мусы Джалиля за цикл работ «Изучение тканевых и микробных нуклеаз в связи с их важнейшими функциями в организме».
В 1984 г. Главный комитет ВДНХ наградил «Дипломом почета» М.И. Беляеву и серебряной медалью И.Б. Лещинскую за успехи, достигнутые в развитии народного хозяйства СССР.
В 1987 г. ученые Казанского университета — М.И. Беляева, Д.В. Юсупова, Б.М. Куриненко, Н.П. Балабан — вместе с коллегами из ряда организаций, задействованных в реализации проекта «Нуклеазы микроорганизмов», были удостоены Премии Совета Министров СССР за разработку препаратов микробных нуклеодеполимераз и родственных ферментов для генетической инженерии, биотехнологии и медицины.
Отметим, что ряд микробных нуклеодеполимераз прошел доклинические испытания и на основании предварительного тестирования во Всесоюзном онкологическом центре им. Н.Н. Блохина АМН СССР (г. Москва) получил рекомендацию для дальнейших испытаний в качестве противоопухолевых препаратов. Однако, экономические трудности, захлестнувшие страну в начале 1990-х годов, явились непреодолимым препятствием для продолжения работ в этом направлении.
Организации-исполнители межвузовской (межотраслевой) программы «Нуклеазы микроорганизмов» (с 1990 г. проект «Ферменты микроорганизмов»)
Вузы:
Казанский государственный университет — координатор программы
Московский государственный университет
Киевский государственный университет
Латвийский государственный университет (г. Рига)
Новосибирский государственный университет
Горьковский (Нижегородский) государственный университет
Казанский государственный медицинский институт
Казанский государственный ветеринарный институт
Казанский химико-технологический институт
Институты АН СССР (РАН):
Институт молекулярной биологии (г. Москва)
Институт микробиологии (г. Москва)
Институт биохимии (г. Москва)
Институт биохимии и физиологии микроорганизмов (г. Пущино)
Институт биофизики (г. Пущино)
Институт элементоорганических соединений (г. Москва)
Институт кристаллографии (г. Москва)
Институт цитологии и генетики (г. Новосибирск)
Институт биохимии и биофизики (г. Казань)
Институт высокомолекулярных соединений (г. Санкт- Петербург)
Центр «Биоинженерия» (г. Москва)
А также:
Институт микробиологии АН Латвийской ССР (г. Рига)
Институт органического синтеза (ИОС) АН Латвийской ССР (г. Рига)
Всесоюзный научно-исследовательский технологический институт антибиотиков и ферментов (г. Санкт-Петербург)
ВНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов (г. Москва)
Экспериментальный завод ИОС АН Латвийской СССР (г. Рига)
НПО «Биолар» (г. Олайне)
Вышневолоцкий завод ферментных препаратов (г. Вышний Волочек)
С середины 1980-х по инициативе профессора И.Б. Лещинской получили развитие работы по генетической инженерии, и в 1987 г. проблемная лаборатория была преобразована в научно-исследовательскую лабораторию биохимии и биоинженерии ферментов (НИЛ ББФ).
Спектр изучаемых ферментов был расширен за счет бактериальных гидролитических ферментов (протеиназ, хитиназ, фосфатаз и др.), соответственно, программа «Нуклеазы микроорганизмов» приобрела более широкие рамки — c 1990 г. это программа «Ферменты микроорганизмов».
Двадцатилетний юбилей проекта «Нуклеазы микроорганизмов» / «Ферменты микроорганизмов» был отмечен в 2001 г. проведением в Казанском университете ХII Международной научной конференции «Ферменты микроорганизмов». Международные научные конференции, посвященные ферментам микроорганизмов, проходили также в 2005 и 2009 годах.
В 1990-е – 2000-е годы исследования гидролитических ферментов бактерий развивались в русле общей научной тематики «Молекулярно-генетические механизмы функционирования и адаптации микробной клетки к неблагоприятным условиям» и включали разработку методов получения и характеристику свойств новых ферментов, выявление их роли в жизнедеятельности микробной клетки, а также изучение молекулярно-генетических механизмов регуляции экспрессии генов, кодирующих эти ферменты. Особое внимание уделялось медико-биологическим эффектам бактериальных ферментов.
Эти исследования велись под руководством профессора И.Б. Лещинской, а с конца 2003 г. их возглавила профессор О.Н. Ильинская (с 2003 г. заведующая кафедрой микробиологии и научный руководитель НИЛ ББФ). Весомый вклад в эти работы внесли Д.В. Юсупова, Н.П. Балабан, Ф.Г. Куприянова-Ашина, Б.М. Куриненко, М.Н. Филимонова, Л.В. Знаменская, В.И. Вершинина, М.Р. Шарипова, Е.Р. Ромахина (Ханен), А.И. Колпаков, А.М. Марданова, Л.А. Габдрахманова, молодые ученые М.А. Харитонова, П.В. Зеленихин, В.В. Ульянова.
В 1996 г. за работу «Бактериальные ферменты: молекулярные механизмы биосинтеза, характеристика и научное обоснование практического применения» профессору И.Б. Лещинской, с.н.с., к.б.н. Л.В. Знаменской и профессору С.Ю. Егорову была присуждена премия им. В.А. Энгельгардта, учрежденная Академией Наук Республики Татарстан. Микробиологи КГУ стали первыми лауреатами этой очень почетной премии.
Исследования бактериальных ферментов в 2000 г. включены в совместную российско-американскую программу научно-образовательного центра «Материалы и технологии XXI века», на протяжении многих лет поддержаны государственными контрактами в рамках федеральных научно-целевых программ, грантами международного, российского и республиканского уровней.
Государственной премии Республики Татарстан 2008 года в области науки и техники удостоен коллективный труд профессоров кафедры микробиологии О.Н. Ильинской, Б.М. Куриненко, М.Р. Шариповой «Гидролазы микроорганизмов как потенциальные терапевтические препараты». Методами генетической и белковой инженерии был осуществлен направленный синтез ферментных белков, обладающих улучшенными целевыми свойствами. Исследования, выполненные на стыке наук (молекулярная биология, генетическая инженерия, энзимология, медицина) и промышленных биотехнологий, охватывают как фундаментальные, так и прикладные аспекты, и посвящены разработке онкотерапевтических и тромболитических средств.
Таким образом, 1980-е – 2000-е годы характеризуются дальнейшим развитием научной микробиологической школы, нацеленной на исследования бактериальных ферментов.
Четверть века, с 1951 г. по 1976 г., школа создавалась под руководством профессора М.И. Беляевой, и более четверти века, с 1976 г. по 2003 г., развитие школы осуществлялось под руководством профессора И.Б. Лещинской.
С 2003 г. исследования по бактериальным ферментам возглавляет профессор О.Н. Ильинская.
Говоря о состоянии микробиологии в Казанском университете во второй половине XX века, отметим, что работы по бактериальным ферментам занимали лидирующее положение. Вместе с тем в 1960-е – 1970-е годы получили импульс и другие научные направления.
Микробный метаболизм неприродных химических соединений
Это направление имеет экологическую ориентацию и направлено на использование метаболического потенциала микроорганизмов для борьбы с масштабным загрязнением окружающей среды отходами химических и нефтехимических производств.
В 1961 г. в лаборатории микробиологии Римма Павловна Наумова (1933-2013), будучи аспиранткой кафедры физиологии растений и микробиологии КГУ, начала исследования микробного метаболизма неприродных химических соединений (ксенобиотиков).
В 1970 - 2013 гг. Р.П. Наумова являлась бессменным научным руководителем работ по теме «Микробный метаболизм ксенобиотиков в связи с созданием природоохранных биотехнологий». За эти годы Р.П. Наумова создала научную школу, ориентированную на фундаментальные исследования микробного метаболизма ксенобиотиков, непосредственно связанные с созданием природоохранных биотехнологий. Восемнадцать специалистов выполнили и защитили кандидатские диссертации под руководством Р.П. Наумовой. Среди учеников Риммы Павловны – ученые и преподаватели вузов, руководители заводских лабораторий.
Были осуществлены фундаментальные исследования микробной деградации синтетических органических соединений, представляющих серьезную опасность для окружающей среды. Получены приоритетные данные по микробной деструкции нитроароматических соедиений (в том числе тринитротолуола), капролактама, арилполикарбоновых кислот, кремнийорганических соединений, нефтешламов. Изучены и описаны метаболические пути расщепления микроорганизмами ксенобиотиков и вовлечения их в природные биогеохимические циклы углерода, азота, серы. Изучены ферменты, участвующие в катаболизме ксенобиотиков, выявлены особенности плазмидной регуляции ряда таких ферментов. Сформулирована оригинальная концепция подготовительного обмена и кометаболизма неприродных химических соединений.
Физиолого-биохимические исследования были непосредственно сопряжены с созданием природоохранных биотехнологий. Микроорганизмы-деструкторы синтетических органических соединений и углеводородов нефти использованы в разработке биотехнологий очистки сточных вод и газовых выбросов химических и нефтехимических производств, обезвреживания и утилизации нефтешламов (твердые отходы нефтехимического производства), восстановления нефтезагрязненных почв. Эти технологии востребованы и внедрены на таких предприятиях-партнерах, как ОАО «Казаньоргсинтез», ОАО «Нижнекамскнефтехим», ОАО «КамАЗ».
В 1988 г. за практические разработки по обезвреживанию промышленных отходов доценту Р.П. Наумовой присуждены серебряная и бронзовая медали ВДНХ СССР.
В период 1993 - 2009 гг. научные исследования, осуществляемые в рамках научной тематики Школы, неизменно получали поддержку грантами, выделяемыми по различным федеральным («Университеты России», «Современные методы биоинженерии», «Биотехнология», «Новые методы в биоинженерии» и др.) и республиканским (НИОКР АН РТ) программам.
В 2009 г. за работу «Биохимические основы микробного метаболизма ксенобиотиков» Академия Наук Республики Татарстан присудила премию им. В.А. Энгельгардта профессору Р.П. Наумовой и ее коллегам — вед.н.с. НИЛ ЭББ А.В. Гарусову, ассистенту А.М. Зиганшину.
Генетическая токсикология
С 1974 г. доцент кафедры микробиологии Ирина Евгеньевна Черепнева инициировала создание научной группы по изучению мутагенной активности разнообразных химических соединений и природных объектов (воды, почвы и т.д.). И.Е. Черепнева первая в нашей республике освоила методы оценки мутагенности с использованием специализированных микробных тест-систем. В дальнейшем в арсенал группы «Генетическая токсикология» вошли современные базовые методы оценки токсичности и генотоксичности в тестах на прокариотных и эукаротных моделях.
С 1990 г. научным руководителем группы «Генетическая токсикология» является доцент О.Н. Ильинская. В 1990-х годах одним из основных научных направлений группы «Генетическая токсикология» явилось исследование гено- и цитотоксических свойств фермента РНКазы Bacillus intermtdius (биназы) в отношении эукариот (культуры клеток, изолированные органы животных и человека), в ходе которого доцент О.Н. Ильинская обнаружила высокую цитотоксичность этого фермента in vitro в отношении некоторых линий раковых клеток.
В 2000-е годы изучаются молекулярные механизмы избирательного токсичного действия биназы на определенные линии опухолевых клеток. Эта работа является частью долгосрочного проекта по созданию средств щадящей терапии злокачественных новообразований.
Сельскохозяйственная биотехнология
В начале 1980-х годов инициаторами сотрудничества с кафедрой микробиологии выступили крупные сельскохозяйственные предприятия Татарстана – совхоз им. М. Вахитова, совхозы «Майский», «Казанский тепличный», «Декоративные культуры». С этого времени началось развитие направления «Сельскохозяйственная микробиология» (впоследствии «Сельскохозяйственная биотехнология») при активном участии доцентов Р.А. Саймановой, Н.Г. Захаровой, Ф.К. Алимовой, С.Ю. Егорова (1959 - 2009), инженера Н.К. Мочаловой.
Разрабатывались микробиологические препараты, обеспечивающие эффективное и экологически безопасное земледелие. Были созданы полифункциональные бактериальные препараты, повышающие плодородие почв и усиливающие устойчивость растений к болезням. Были выявлены и изучены микроскопические грибы, являющиеся наиболее вредоносными возбудителями заболеваний зерновых и овощных культур. Для защиты растений от грибковых инфекций создан биопестицид триходермин (на основе местных штаммов микроскопического гриба р. Trichoderma), технология его производства внедрена в хозяйстве «Казанский тепличный». Эффект от применения триходермина — повышение урожайности сельскохозяйственных культур на 13 - 20 %.
В 1987 - 1992 гг. были успешно проведены широкомасштабные испытания РНКазы B. intermedius (биназы) в качестве стимулятора роста на различных сельскохозяйственных культурах (зерновые, овощные) в условиях открытого и защищенного грунта. Урожайность овощных и зерновых культур возрастала на 13 - 15 %. Отметим, что впервые в Республике Татарстан как стимулятор роста растений применялся высокочистый белковый препарат — бактериальный фермент. Препарат на основе биназы получил рекомендацию для внедрения в растениеводстве, а сама биназа как стимулятор роста растений защищена авторским свидетельством и 2 патентами.
В 1990-е годы по заданию Министерства сельского хозяйства Республики Татарстан проводились комплексные исследования, направленные на предотвращение массовых заболеваний растений (эпифитотий). Эти исследования, в частности, включали масштабную микробиологическую экспертизу семян, характеристику инфицированности и биологической активности почв Республики Татарстан, проверку эффективности химических и биологических средств защиты растений и др.
В 2000-е годы среди микроорганизмов родов Bacillus, Pseudomonas, Streptomices выявлены антагонисты фитопатогенных микроскопических грибов. Создан биофунгицид на основе бактерий Bacillus sp. — бацизулин. Полевые испытания этого препарата показали его высокую биологическую эффективность против основных болезней зерновых колосовых культур.
В 2004 г. за продвижение прогрессивных технологий в сельское хозяйство кафедра микробиологии КГУ удостоена Диплома Министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Татарстан.
С 2009 г. доцент П.В. Зеленихин принимает участие в исследованиях, проводимых совместно Федеральным центром токсикологической и радиационной безопасности животных (г. Казань) и Казанским университетом, с целью адаптации технологий радиационной обработки сельскохозяйственной продукции к региональным условиям. Эти исследования, проводимые в соответствии с соглашением между правительством Республики Татарстан и госкорпорацией «Росатом», предполагается завершить в 2012 году. В частности, планируется определение оптимальных низких доз радиационной обработки для уничтожения фитопатогенных микроорганизмов, присутствующих на посевном материале (зерне различных культур), и оценить безопасность сельскохозяйственной продукции, подвергнутой радиационной обработке, для жизнедеятельности человека и животных.
Анаэробные микроорганизмы
Во второй половине 1980-х годов доцент кафедры микробиологии Татьяна Вадимовна Багаева создала лабораторию анаэробных микроорганизмов для изучения сульфатредуцирующих бактерий (СРБ), выделенных из Ромашкинского месторождения нефти (Республика Татарстан). Исследовали такой аспект биохимии СРБ, как возможность синтеза ими углеводородов. Тема интересная и в теоретическом (возможен ли в принципе микробиологический путь образования нефти?) и в прикладном отношении (изыскание возобновляемых источников углеводородного сырья). Доцент Т.В. Багаева показала, что активно растущие чистые культуры СРБ синтезируют внеклеточные углеводороды (н-алканы С11 – С24 ). На основании результатов модельных опытов с природными образцами (илы, пластовые воды нефтяных месторождений, керны газонефтеносных пластов), а также исходя из данных о широком распространении СРБ в анаэробных зонах биосферы, сделан вывод о возможности современного образования углеводородов в природе.
Совместно с учеными лаборатории микробиологии Казанского института биологии Казанского филиала АН СССР изобретен и запатентован способ получения жидких углеводородов с помощью сульфатредуцирующих бактерий. Тем самым показана принципиальная возможность получения углеводородного сырья, содержащего высокомолекулярные соединения, методами биотехнологии.
