Исследовательские проекты молодых ученых Института фундаментальной медицины и биологии КФУ поддержаны совместной программой грантов Немецкой службы академических обменов (ДААД) и Министерства образования и науки Российской Федерации «Михаил Ломоносов».

Напомним, стипендия программы «Михаил Ломоносов» предоставляется аспирантам очной формы обучения и молодым ученым технических и естественных дисциплин и дает возможность пройти стажировку в университетах и внеуниверситетских научных центрах Германии с целью проведения исследований в рамках диссертации или другого научного проекта.

Работы молодых ученых КФУ посвящены актуальным биотехнологическим темам, результаты которых могут быть использованы в лечении кожных инфекций, при обработке имплантатов, а также привести к получению ценных для медицины, сельского хозяйства белков.

Один из получателей стипендии – сотрудник Междисциплинарного центра протеомных исследований Анна Тойменцева – будет стажироваться в лаборатории доктора Джозефа Альтенбухнера в Институте индустриальной генетики в городе Штутгарте, где совместно с немецкими коллегами будет разрабатывать научную тему по определению молекулярных механизмов защиты генома бактерии Bacillus pumilus с целью получения, в перспективе штаммов бацилл, полезных для биотехнологии и медицины.

 «Моя работа сочетает в себе оба аспекта - и прикладную, и фундаментальную задачи, - говорит Анна Тойменцева.

- Изучаемые мной бактерии, латинское название которых Bacillus pumilus, обладают уникальными характеристиками - они устойчивы к различным стрессам, даже могут выживать в открытом космосе. И эти же бактерии - источник многих полезных ферментов. 

Моя задача заключается в определении молекулярных механизмов защиты генома Bacillus pumilus, а также конструировании штамма Bacillus pumilus с удаленными генами протеолитических ферментов. Протеолитические ферменты (протеазы) - это ферменты, которые расщепляют белки. Такие штаммы будут полезны для получения "чужеродных" (рекомбинантных) белков с ценными свойствами для медицины, сельского хозяйства, биотехнологии. В идеале, моя задача - разработать универсальную методику для модификации генома Bacillus pumilus.

В настоящее время есть отдельные открытые публикации, в которых демонстрируется успешное клонирование или удаление генов из генома Bacillus pumilus, однако работая с другими штаммами Bacillus pumilus оказывается, что методики не работают.

Изначально моя работа была посвящена созданию новых биотехнологических штаммов бацилл для получения различных белков и ферментов. Для этого мы планировали удалить некоторые гены в геноме бациллы Bacillus pumilus. Однако оказалось, что работать с этим видом бактерии и нашим штаммом, в частности, очень трудно - бактерия "не принимает" "чужую" ДНК. Поэтому создание новых штаммов бактерий классическими методами генной инженерии оказалось невыполнимо сложной задачей. По-видимому, бактерия выработала определенные механизмы для защиты своего генетического материала от встроек "чужой ДНК" или утратила гены "принятия" ДНК, например, плазмид.

Надо сказать, что модификация генома - удаление, встраивание или мутации генов - не уникальное явление. Тысячи лабораторий по всему миру успешно занимаются этим и довольно часто используют для этого так называемые "модельные микроорганизмы", как, к примеру, Escherichia coli (кишечная палочка) или Bacillus subtilis (сенная палочка). Получив генетичскую конструкцию в этих микроорганизмах ее переносят в другой, выбранный исследователем организм.

Так как бактерии устроены гораздо проще эукариот, многие механизмы, изученные на этих бактериях, работают аналогично и в других бактериях. Тем не менее, существуют различия и особенности, которые позволяют бактериям адаптироваться к различных условиям обитания, развивать резистентность, то есть, устойчивость, и другие уникальные свойства».

Еще одна работа, поддержанная программой грантов ДААД, посвящена исследованием антибактериальных свойств новых производных фуранонов, которые могут быть использованы в лечении кожных инфекций, при обработке имплантатов. Обладатель стипендии - научный сотрудник НИЛ Молекулярная генетика микроорганизмов Иршад Шарафутдинов – проведет полгода в медицинской школой Ганновера, с которой у КФУ имеется договоренность о сотрудничестве в сфере стоматологии.

«Инфекционные заболевания являются довольно частым явлением, как в бытовых, так и в клинических условиях. Одним из основных возбудителей кожных инфекций является золотистый стафилококк Staphylococcus aureus, - рассказывает об актуальности своей работы Иршад Шарафутдинов.

- Эта бактерия присутствует на коже и слизистой верхних дыхательных путей почти у половины населения, и, в случае снижения иммунитета, вызывает большое количество заболеваний. По данным ВОЗ, эта бактерия занимает первое место и по количеству вызванных ей внутрибольничных инфекций. Основным способом лечения заболеваний является применение антибиотиков. Однако, как известно, бактерии способны довольно быстро приобретать устойчивость к антибиотикам, что ведет к постоянному поиску новых антибактериальных препаратов.

В лаборатории "Молекулярная генетика микроорганизмов" мы занимаемся исследованием антибактериальных свойств новых производных фуранонов, которые синтезируются сотрудниками Химического института им. А. М. Бутлерова КФУ под руководством Альмиры Курбангалиевой. Натуральные фураноны изначально были выделены из красных водорослей, которые использовали фураноны в качестве защиты от обрастания бактериями. Мы также попробуем применять их в борьбе с инфекциями.

 На данный момент нами отобрано довольно перспективное соединение, производное 2 (5Н) фуранона, которое имеет хороший антибактериальный эффект в отношении клеток золотистого стафилококка, находящихся в составе биопленки, когда борьба с бактериями осложняется тем, что клетки погружены в выделяемый ими матрикс сложного состава и большинство антибиотиков и антисептиков не может проникнуть в него, теряя свою эффективность.

Противомикробное действие вещества было показано в тесном сотрудничестве с коллегами из клиники города Йены. Хотелось бы отметить, что,  в первую очередь, мы видим возможность применения данного вещества в лечении кожных инфекций, а также при обработке имплантатов.

Мы уже имеет договоренность с медицинской школой Ганновера о сотрудничестве в сфере стоматологии. У них также существует проблема с биообрастанием ротовых  имплантатов, и мы попробуем применить исследуемые нами соединения для их обработки и защиты от пагубного влияния. Проект будет осуществляться в рамках совместной программе грантов Немецкой службы академических обменов (ДААД) и Министерства образования и науки Российской Федерации – «Михаил Ломоносов»».

Важно отметить, что результаты исследований по первой работе, посвященной определению молекулярных механизмов защиты генома бактерии Bacillus pumilus, уже опубликованы в научных журналах «Current Microbiology», «Standards in Genomic Sciences»; «Genome Announcements»; Microbial Cell Factories, Brain Research Bulletin, Biology Bulletin, BioNanoScience, International Journal of Pharmacy and Technology.

Статья о свойствах новых производных фуранонов в настоящее время находится на рецензии, однако ранее результаты были представлены в Португалии на конференции "Biofilms7", а также будут презентованы этим летом в Лиссабоне на конференции «Antibiotic resistance».

Хотелось бы подчеркнуть, что немаловажным фактором в достижении результата является мотивация исследователей. О ней они говорят следующее.  

«Лично меня мотивировало желание поработать в одной из лучших медицинских школ Германии, - делится Иршад Шарафутдинов. -  Учитывая, что это будет уже пятая поездка в Германию, за это время я успел познакомиться с немецкой культурой и проникнуться ей. В дальнейшем я планирую трудиться на благо науки, повышать конкурентоспособность КФУ и, конечно же, развивать собственные навыки и умения».

«Читая результаты зарубежных коллег - открытые публикации - я натолкнулась на несколько лабораторий в Германии, которые занимаются разработкой биотехнологических штаммов (в том числе и бациллярных), - рассказывает Анна Тойменцева.

-  Не секрет, что 60% ферментов/белков/антибиотиков/активных пептидов, которые получают биотехнологи во всем мире, создаются на основе клеток бацилл. Так, лаборатория доктора Джозефа Альтенбухнера в Институте индустриальной генетики в городе Штутгарте занимается разработкой таких биотехнологических штаммов с полезными свойствами для биотехнологических компаний. В этой лаборатории пытались, но пока безуспешно, модифицировать геном Bacillus pumilus. И в настоящее время мы пытаемся объединить усилия, провести полный генетический анализ бактерии, использовать "модную" и эффективную систему CRISPR для моделирования генома, и надеемся на успешный результат. Какова моя мотивация? Результаты наших исследований, несомненно, будут иметь фундаментальное значение, однако было бы здорово использовать Bacillus pumilus в практических целях - для получения ценных для медицины и сельского хозяйства белков».