Учёные Томского государственного университета в рамках масштабного проекта, нацеленного на поиск новых микроорганизмов-продуцентов (полезных для использования в сельском хозяйстве и промышленности), изучают микробиом кишечника сельскохозяйственных животных. У некоторых животных в ЖКТ были обнаружены наночастицы медной руды – халькопирита. Исследования показали, что «виновниками» её появления являются сульфатредуцирующие бактерии, которые связывают железо и медь в нерастворимый минерал и выводят эти элементы из организма. Этот процесс может нарушить работу ферментов в организме человека.
Результаты исследований опубликованы в статье «Active Sulfate-Reducing Bacterial Community in the Camel Gut» в журнале «Microorganisms»(Q2).
С точки зрения физиологии, люди и животные близки, поэтому исследование последних даёт много важной информации и о человеке. Микробиологи ТГУ с помощью современных технологий секвенирования метагенома исследуют микробиоту сельскохозяйственных животных: коров, свиней, кур, овец, верблюдов. Объектом изучения являются фекалии животных, которые достаточно полно отражают биологическое разнообразие микроорганизмов, обитающих в ЖКТ.
Микробиологи уже исследовали более 3500 образцов, собранных не только в Сибири, но и по всей России. В сборе проб учёным помогают волонтёры из разных уголков страны. В ходе исследований были изучены образцы фекалий верблюдов из двух популяций. Одна из них располагается в конце Чуйского тракта, где верблюдов разводят со времен Шелкового пути, вторая – в Забайкалье. Животные одомашненные, находятся на свободном выпасе на пастбищах.
Фото предоставила Ольга Карначук
– Когда мы изучаем бактерии в природных системах, мы смотрим и их минералогический состав, – рассказывает руководитель проекта, заведующая кафедрой физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики Биологического института ТГУ Ольга Карначук. – В данном случае мы тоже решили провести такой анализ. В результате в фекалиях животных был обнаружен минерал, который мы меньше всего ожидали увидеть – халькопирит. Это соединение меди, железа и серы (CuFeS2), который ранее называли медный колчедан – одна из основных медных руд. И вдруг мы увидели её в кишечнике у верблюдов, причем, у многих – более чем в 60 процентах исследованных проб.
В меньшем количестве проб, но халькопирит также был обнаружен в фекалиях коров, в перегное, компосте, собранном в хозяйствах Томской области. Известно, что сульфиды металлов могут образовывать сульфатредуцирующие бактерии. Они живут в кишечнике людей и животных. Ранее было предположение, что данные микроорганизмы связывают железо и превращают его в сульфид железа.
Фото предоставила Ольга Карначук
Сульфид железа и бактерии-сульфатредукторы микробиологи находили в ходе исследований по проекту РФФИ, при анализе проб фекалий у детей с расстройствами аутистического спектра (РАС).
Была гипотеза, что детям с РАС не хватает железа, потому что в их ЖКТ сульфатредуцирующие бактерии присутствуют в большом количестве – они связывают железо в нерастворимый минерал и выводят его из организма.
– В данных исследований мы увидели, что это не пирит, а халькопирит. Причём, связывание меди происходит очень быстро – уже на пятые сутки, – отмечает Ольга Карначук. – Это означает, что в ЖКТ бактерии, которые мы находим у животных, скорее всего те же самые, что кишечнике у детей с аутизмом, они принадлежат к роду Desulfovibrio.
Они связывают не просто железо, а, скорее всего, – железо и медь, которые в виде минерала выпадают в осадок, выводятся из организма с фекалиями. Соответственно, организму не хватает элементов, имеющих огромное значение для нормального функционирования.
– От того, какие микроорганизмы обитают в ЖКТ, может зависеть наше эмоциональное и физическое состояние. Доказано, что микробиота влияет на целый ряд патологий, включая неврологические заболевания, психические расстройства, иммунный статус организма, – объясняет Ольга Карначук. – В том числе доказано, что существует взаимосвязь между нарушением баланса микробиоты кишечника и нейродегенеративными заболеваниями, такими как аутизм, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, деменция и другими. Поэтому наша случайная находка может иметь значение в корректировке подобных состояний. Но чтобы понять, как работает этот механизм, нужны дополнительные детальные исследования.
Ещё одним интересным фактом, который установили микробиологи ТГУ, стало то, что верблюды, вероятно, являются некими концентратами меди, железа и других металлов. Основанием для этого предположения послужили результаты анализа состава верблюжьего молока. В нём оказалось больше меди, железа, цинка по сравнению с коровьим молоком. Помимо этого, в ходе анализа научных статей исследователи обнаружили интересный факт: описание того, что верблюжьим молоком в арабских странах лечат детей с аутизмом. Есть и другой факт – во время Второй мировой войны немецкие солдаты страдали от дизентерии и лечили её фекалиями верблюдов. Такой же способ «народной медицины» практиковали арабы.
По словам учёных, дефицит меди и железа можно восполнять за счёт правильно питания, в частности, ограничив потребление сульфатов, которые способствует активации связывания, поскольку ими питаются бактерии-сульфатредукторы. Вместе с тем микробиологи отмечают, что потребление сульфатов и сульфитов населением увеличилось, поскольку они широко используются в консервантах.
На следующем этапе проекта учёные планируют исследовать процесс образования халькопирита. Для это они будут использовать бактерии, выделенные из проб биоматериала, взятого у детей с РАС и у животных. Исследование будет проводиться совместно со специалистами-материаловедами из Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН (Красноярск).
Для справки:
Проект «Широкомасштабный поиск и изучение микроорганизмов и микробных сообществ, ассоциированных с сельскохозяйственными животными и продуктами животного происхождения» (идентификатор 075-15-2021-1401) реализуется в рамках программы развития генетических технологий в России. Соисполнителями ТГУ по проекту являются ФИЦ «Биотехнологии РАН», МГУ им. М.В. Ломоносова, НИЦ «Курчатовский институт», Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, фонд «Поддержка проектов в области образования».