Почему стоит изучать бактерии

Мой научный путь кажется довольно ясным. Мне всегда нравилось заниматься наукой ― особенно физикой и химией. Поэтому в 18 лет, когда нужно было определиться, куда поступать, я просто выбрал то, что мне нравилось и хорошо получалось.

Сначала я изучал химический инжиниринг в Университете Вальядолида в Испании, а затем в Национальном институте химической инженерии во Франции. А после завершения обучения решил, что хочу развиваться в академической сфере и получил PhD. При этом у меня также есть небольшой опыт и в индустрии ― я работал биоинформатиком в одной частной компании.

Мои исследования в основном связаны с экологической инженерией, которая рассматривает вопросы очистки воздуха и воды. Я решаю эти задачи, моделируя метаболические реакции различных бактерий в разных условиях.

Например, я изучал, как с помощью бактерий Pseudomonas putida F1 происходит биоразложение ароматических соединений катехина, используемого в косметологии, толуола и бензола, применяемых в лакокрасочных материалах. Также я исследовал, как метанотрофные бактерии участвуют в переработке метана — одного из основных парниковых газов.

Помимо этого, я занимался моделированием метаболических реакций в разных микроорганизмах — от клеток микробов до клеток млекопитающих. Каждая клетка состоит из множества молекул, в которых происходят тысячи трансформаций — метаболических реакций. Если ученый планирует изменить геном организма, ему нужно знать, как добавление или удаление конкретного гена повлияет на метаболические реакции в клетках. Решить эту проблему помогает моделирование реакций. С помощью этого инструмента можно прогнозировать изменения в организме.

Например, можно предсказать, сколько биомассы бактерий получится из одного конкретного субстрата — источника углерода, в котором растут бактерии, патогенная ли это бактерия, какие гены ей необходимы, а какие — нет. Моделирование помогает решать разные задачи. Вместе с учеными технологического университета Чалмерс в Швеции мы искали мишени для таргетных противоопухолевых лекарств, которые помогут бороться с конкретными патогенными бактериями.

А в университете Вальядолида мы сфокусировались на создании новых штаммов метанотрофных бактерий. Окисляя метан, бактерии позволяют получать продукты с высокой добавленной стоимостью. Бактерии рода Methylocystis (тип II) продуцируют полигидроксибутират — это биоразлагаемый полимер, который можно использовать для производства упаковочных материалов. Бактерии Methylomicrobium alcaliphilum производят эктоин, который используется в мазях и каплях против раздражения и воспалительных заболеваний кожи и слизистых оболочек.

Все знания и навыки, которые я получил во время прошлых исследований, я буду использовать в проекте, которым я руковожу сейчас в ИТМО.

Бактерии как источник электричества

В Петербурге я веду проект, который связан с бактерией, окисляющей производные пластика. Но на этот раз мы хотим посмотреть, как можно использовать такие организмы для решения других задач. Мы собираемся сконструировать микробный топливный элемент, который будет вырабатывать  электричество с помощью окисления бактерией Paracoccus denitrificans различных органических соединений.

Мы рассчитываем, что наша разработка поможет решить сразу несколько задач — утилизировать наиболее распространенные в промышленности неразлагаемые виды полиэстера вроде ПЭТ и произвести электричество для зарядки электронных устройств.

Почему мы остановились на бактерии Paracoccus denitrificans? У нее есть несколько достоинств, которые пригодятся в нашем исследовании. Во-первых, это денитрифицирующая бактерия, которая участвует в круговороте азота в природе. Она превращает нитраты в азотные соединения, которыми питаются растения, а ими в свою очередь — животные. Во-вторых, бактерия способна создавать растворимые переносчики электронов — это полезное свойство для проектирования микробного топливного элемента. В-третьих, в качестве источников углерода и энергии бактерия может использовать разные виды неразлагаемого полиэстера, а взамен производить биоразлагаемый пластик полигидроксибутират.

Чтобы бактерия Paracoccus denitrificans могла окислить большую часть мономеров неразлагаемого полиэстера, мы создали штамм, способный разрушать оболочку мономеров. При микробном окислении восстановленных соединений, конкретно производных полимеров на аноде, генерируются электроны. Они поступают к акцептору электронов на катоде через внешнюю электрическую цепь, и в итоге возникает электрический ток. Сила тока будет зависеть  от количества органического вещества в микробном топливном элементе.

Я провожу исследование в рамках программы ITMO Fellowship, и работать над ним мне помогают магистранты и научные сотрудники факультета экотехнологий ИТМО, среди которых доценты Нелли Молодкина и Ольга Сергиенко.

В начале работы мы будем оценивать показатели напряжения и мощности, которые получатся в результате потребления бактерией производных полиэстера. Затем планируем модифицировать микроорганизм, чтобы повысить генерацию электричества. Если исследование пройдет успешно и бактерии будут вырабатывать достаточно электричества, мы получим зависимость между эффективностью электрогенерации и потреблением органического субстрата в микробном топливном элементе, что в перспективе позволит заряжать разные электронные устройства, например смартфоны.