[2-6 октября 2017 года] III Всероссийская молодёжная научная школа-конференция с международным участием «Микробные симбиозы в природных и экспериментальных экосистемах»

В г. Оренбурге 2-6 октября 2017 года состоялась III Всероссийская молодёжная научная школа-конференция с международным участием «Микробные симбиозы в природных и экспериментальных экосистемах», организаторами которой выступили Институт клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН и Оренбургский научный центр УрО РАН, при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и ФАНО России. В работе конференции приняли участие 157 человек из 10 городов России, а также Италии и Франции.  Заслушано и обсуждено 27 устных докладов молодых ученых. В рамках конференции были прочитаны 6 лекций ведущими учеными, специалистами в области микробиологии, симбиологии, биохимии и молекулярной биологии из Москвы, Казани, Иркутска, Санкт-Петербурга и Оренбурга. В ходе конференции рассмотрен широкий круг общих и частных вопросов микробиологии, относящихся к проблеме микробных симбиозов, в рамках следующих основных тематических разделов:

  1. Генетические и метаболические механизмы взаимодействий микроорганизмов с симбионтами.
  2. Взаимоотношения микроорганизмов с симбионтами в природных и искусственных экосистемах.
  3. Медицинские и агробиотехнологические аспекты микробных симбиозов.

Центральное место в повестке конференции заняло обсуждение фундаментальных вопросов по изучению структуры и механизмов функционирования симбиотических систем. Так, А.В. Коротаев (Санкт-Петербург) представил описание новых бактериальных эндосимбионтов класса Alphaproteobacteria у инфузорий рода Paramecium с применением микроскопических (световая, атомно-силовая, конфокальная лазерная сканирующая и трансмиссионная электронная микроскопия), молекулярных (флуоресцентная гибридизация in situ с олигонуклеотидными зондами, специфичными к фрагментам последовательности 16S рРНК) и цитохимических методов исследования. Оливия Ланцони (Италия) дала молекулярную и ультраструктурную характеристику новому эндосимбионту инфузории Paramecium tredecaurelia, принадлежащему к новому роду семейства Rickettsiaceae. Яковлева Ю.А. (Санкт-Петербург) впервые продемонстрировала возможность заражения инфузории рода Paramecium облигатными внутриклеточными паразитами группы Microsporidia, охарактеризовав нового эукариотического эндосимбионта инфузории. Изученные симбиотические ассоциации инфузорий с внутриклеточными бактериями могут служить моделями для изучения молекулярных аспектов процесса узнавания «хозяин-симбионт» и, например, возможного горизонтального переноса генов.

В ряде докладов были представлены результаты исследования состава микросимбионтов с помощью 16S метагеномного секвенирования, например, Мохаммед Валид Шаабан (Казань) продемонстрировал преобладание в пищеварительном тракте личинок жуков-ксилофагов бактерий фил Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes и Proteobacteria. Кублановская А.А. (Москва) с использованием метагеномного подхода изучила, как изменяется состав альгобактериальной ассоциации зеленой микроводоросли
Haematococcus pluvialus Flotow в природных образцах и в лабораторных культурах. Показала, что при выделении альгологически чистых культур из природных образцов увеличивается содержание протеобактерий, гемматимонад (Gemmatimonadetes) и актинобактерий (Actinobacteria), исчезают Cyanobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes и некоторые другие минорные бактериальные группы. Кроме того продемонстрировала, что микробиологические методы в большинстве случаев позволяют выделить минорные составляющие бактериального сообщества.

В лекции к.б.н., доц. Белькова Наталья Леонидовна (Иркутск) на примере результатов анализа микробиомов байкальских эндемичных губок Lubomirskia baicalensis продемонстрировала сложности выделения «своих» и «чу­жих» в составе бактериальных симбионтов.  Показала, что аномальное окрашивание губок, наблюдающееся в последние годы в оз. Байкал, вероятно, является следствием дисбиотических нарушений, в частности, исчезновением среди симбионтов зеленых микроводорослей и появлением цианопрокариот. Кроме  того, подчеркнула, что симбиотические сообщества – это сложные ассоциации, отражающие взаимосвязи различного уровня: хозяин – симбионт, хозяин – окружающая среда. Продемонстрировала перспективность изучения симбиотических систем в Байкале, чья самоочищающаяся способность, является ключом к поиску новых таксонов микроорганизмов, новых активных метаболитов и новых механизмов взаимодействий.

В своей лекции член-корр. С.В. Черкасов (Оренбург) осветил клинико-микробиологические аспекты метагеномных исследований микробиоты человека. Многие из организмов представляют собой совершенно новые таксоны, показывая, что микробное разнообразие организма человека значительно шире, чем это оценивалось ранее. Эти таксоны, представляющие интерес сами по себе, также имеют потенциальные последствия для здоровья человека и могут оказаться причиной острых или хронических заболеваний, которые до настоящего времени имеют неизвестную этиологию. Подобные исследования открывают возможности для выявления прогностических ассоциаций, которые допускают предсимптоматическую диагностику болезни. Отметил существующие сложности в использовании 16S рРНК метагеномного исследования, как метода оценки микробиоты человека и возможные пути их преодоления, а так же представил результаты метагеномного исследования микробиоценоза репродуктивного тракта женщин, биоптатов поджелудочной железы и других исследований выполненных на базе ЦКП  ИКВС УрО РАН.

Разнообразие симбиотических систем, рассмотренных в докладах, позволило обсудить общие закономерности формирования микробных симбиозов в природе, а также специфику, связанную с разной таксономической принадлежностью симбионтов и их хозяев.

Активно обсуждались вопросы механизмов взаимодействия и их генетической регуляции в микробных симбиозах. В лекции д.б.н. Гоголев Ю.В. (Казань) рассказал о некодирующей РНК, как о новых компонентах регуляторных сетей бактерий. Охарактеризовал принципы работы «рибосвич» – РНК со вторичной структурой, адаптированной для регуляции активности гена благодаря связыванию низкомолекулярного лиганда. Продемонстрировал регуляторную роль некодирующей РНК в патогенезе инфекции за счет усиления экспрессии факторов инвазии и вирулентности и глубоких изменений в кодирующих и некодирующих транскриптах организма-хозяина. Показал, как некодирующие РНК активно экспрессируются в клетках Salmonella typhimurium в условиях голодания по углероду. Отметил, что искусственные антисмысловые РНК получили массовое применение в генной инженерии.

Вопросы генетической регуляции персистенции бактерий также были затронуты в докладах молодых ученых. Так Сидоров Р.Ю. (Пермь) представил результаты исследования изучения физиологических функций гена rel из Mycobacterium smegmatis, что важно для понимания  механизмов персистенции, адаптации к различным видам стресса у микобактерий и возможности преодоления преград в борьбе с туберкулезом. Хаова Е.А. (Пермь) отметила возможность регуляции персистенции Escherichia coli полиаминами через сти­муляцию экспрессии генов rpoS, yqjD и rmf, что важно для понимания механизмов развития трудноизлечимых персистирующих заболеваний.

К.м.н. Медкова А.Ю (Москва) в результате изучения популяции персистирующих бактерий Bordetella pertussis на модели низших обезьян Старого света продемонстрировала рост гетерогенности популяции бактерий B. pertussis за счет увеличения доли авирулентных мутантов, несущих инсерцию мобильного генетического элемента IS481 в опероне bvgAS, в процессе развития инфекции. На фоне сложной эпидемиологической обстановки, связанной как с отсутствием ранней дагностики коклюша, так и с наличием атипичных форм, бессимптомного носительства бактерий  B. pertussis и длительной персистенции в организме хозяина, эффективность профилактики коклюша, возможно, будет зависеть от предотвращения формирования персистирующих форм B. pertussis

Наряду с изучением функции отдельных генов в ряде  докладов были  представлены данные полногеномного секвенирования микросимбионтов. Например, к.м.н. С.В. Андрющенко (Оренбург) охарактеризовал адаптивный потенциал бифидобактерий в микросимбиоценозе на основании отличительных параметров геномов новых штаммов B. bifidum и B. longum и сделал вывод, что свойства геномов бифидобактерий отражают достаточно длительную и узкую специализацию к определенной экологической нише, обеспечивая базу для формирования мутуалистических отношений в микросимбиозе. Хадиева Г.Ф. (Казань) на основе данных секвенирования генома Bacillus subtilis GM5 провела анализ генов синтеза антимикробных пептидов, таких как бациллобактин, бацилизин, субтилозин А, бацилломицин, и продемонстрировала высокий потенциал нового штамма для использования в защите растений от фитопатогенов и для стимуляции роста сельскохозяйственных культур.

Традиционно в ряде докладов затрагивался вопрос оценки свойств микроорганизмов – симбионтов и их роли в формировании ассоциативного симбиоза. Так к.м.н. Иванова Е.А. (Оренбург) показала, что бифидофлора является ключевым звеном микробиоты в регуляции гомеостаза кишечного биотопа, осуществляющим дискриминацию патогенов с последующим «сигналингом» через дендритные клетки при формировании иммунного гомеостаза. Выделила три функциональные группы бифидобактерий, определяющие их физиологическую роль в условиях микросимбиоценоза толстого кишечника: формирование цитокинового баланса, микробную дискриминация патогенов либо барьерную метаболическую функцию.

Бекпергенова А.В. (Оренбург) отметила, что  важным системообразующим фактором микросимбиоценоза является  изменение биологических свойств (биопленкообразование, антилизоцимная активность) облигатно-анаэробных бактерий в ассоциациях. Исследователи отмечают, что особенности биологических, иммунорегуляторных, метаболических и биокоммуникативных свойств микроорганизмов формируют основу для  отбора  эффективных пробиотических штаммов и создания  симбиотических композиций с учетом физиологического состояния кишечного биотопа человека. Пашкова Т.М. (Оренбург) продемонстрировала способность энтерококков инактивировать факторы врожденного иммунитета организма хозяина – цитокины ИЛ-4 и ИЛ-8 и реализовывать свой персистентный потенциал (способность длительно переживать в условиях макроорганизма) и вызывать факторные инфекции у животных.  

Впервые в рамках данной конференции был затронут вопрос роли симбионтов как эволюционного фактора. К.б.н. Андронов Е.Е. (Санкт-Петербург) прочитал увлекательную лекцию по изучению эволюционных процессов в симбиотических системах по данным высокопроизводительного секвенирования. Показал, что растение является одним из наиболее мощных факторов,  формирующих почвенный микробиом. Продемонстрировал примеры строгого соответствия разнообразия партнеров по симбиозу на примере разных видов растения Galega и ассоциированных с ними микробиомов. Дал понятие эволюционному «прессформингу» как формированию структуры популяции одного из коэволюционирующих партнеров на основе матрицы, сформированной вторым партнером, при этом кто из партнеров представляет собой жесткую форму, а кто пластический формируемый материал, определяет соотношения скоростей эволюции. Рассказал о возможных механизмах прессформинга,  в частности картировании двухстороннего полиморфизма в контактной плоскости рецепторного димера. Селективный отбор высокопатогенными инфекциями двухлокус­ных гаплотипов генов толл-подобных рецепторов TLR1 и TLR6 в эволюции человека был продемонстрирован в докладе Евдокимова А.В. (Челябинск) на примере популяции татар Челябинской области, который отметил, что  эволюция человечества проходит в тесном взаимодействии с микроорганизмами как патогенами, так и симбионтами и первичная роль в таком взаимодействии принадлежит клеточным рецепторам. А также показал, что популяция татар Челябинской области по относительным частотам гаплотипов TLR1–TLR6 наиболее сходна с европейскими популяциями, особенно южного происхождения (тосканцы, иберийцы).

Были затронуты вопросы практического использования микроводорослей, поиска новых продуцентов антибиотиков и пробиотических штаммов. Так, в лекции д.б.н., проф. Лобаковой Е.С. (Москва) были продемонстрированы возможности использования микроводорослей для получения биомассы, биопродуктов и биотоплива. Показано, как микроводоросли – организмы с гибким метаболизмом, минимальными потребностями и высокой скоростью роста, способны эффективно синтезировать широкий спектр необходимых человеку соединений, в том числе и в результате переработки различных отходов. Так микроводоросли используются как альтернативный источник возобновляемой энергии, уникальных молекул, востребованных в медицине и лечебном питании, в косметологии. Широкое использование микроводоросли находят как источники питания как для животных, так и для человека, используются в экологических целях для  биомониторинга и биоремедиации, а также эффективно применяются в аквакультуре и сельском хозяйстве.  Кроме того Елена Сергеевна продемонстрировала широкое распространение симбиозов, в которых в качестве одного из компонентов выступают микроводоросли. В частности — в ассоциациях с прокариотами и грибами; с простейшими, беспозвоночными и хордовыми   животными, низшими и высшими растениями, растениями и даже с позвоночными животными, ярким примером которого является недавно описанный симбиоз саламандры и зеленых водорослей.

В рамках поиска новых антибактериальных средств Хассан Гамал Осман Осман (Казань) исследовал культуры эндофитных актиномицетов, а  Пешкова Ю.И. (Оренбург) разработала схему выделения антимикробных пептидов из тромбоцитов курицы домашней (Gallus gallus) активных в отношении бактерий, выработавших устойчивость к традиционным антибиотикам.  К.м.н. Гладышева И.В. впервые показала, что непатогенные коринебактерии, выделенные из репродуктивного тракта женщин, являются продуцентами как внеклеточных, так и клеточносвязанных поверхностно-активных веществ (биоПАВ),  к.м.н. Марков А.А обосновал применение экзометаболитов Bifidobacterium bifidum в травматолого-ортопедической практике для профилактики гнойно-септических осложнений, а Н.О. Юркина — влияние компонентов крови на адгезионную активность нетуберкулезных микобактерий. Кроме того показано разнонаправленное действие бактериальных экзометаболитов на внутриэритроцитарное проникновение Staphylococcus epidermidis (к.б.н. Щуплова Е.А. (Оренбург)). Продемонстрирована эффективность применения пробиотиков на основе спорообразующих бактерий рода Bacillus в системе доставки эссенциальных элементов при дефиците ионов железа и цинка в организме (Климова Т.А. (Оренбург)).

Не теряют своей актуальности вопросы усовершенствования методов диагностики, профилактики и лечения заболеваний микробной этиологии у человека и животных с учетом знаний о биологических свойствах возбудителей. Так с использованием сведений о различиях в уровне факторов персистенции C. albicans, выделенных при острой и хронической формах инфекционного процесса была разработана  программа для ЭВМ по пррогнозированию хронического течения бактериально-кандидозной инфекции. Мещеряков А.О. (Оренбург) показал, что значительная доля культур неферментирующих бактерий (более 55 %), выделенных от больных с мочекаменной болезнью, проявляла резистентность к цефалоспоринам 3 и 4 поколения. Полученные данные имеют значение при проведении эффективной антибиотикотерапии.  Сычева М.В. (Оренбург) дала характеристику биопрофилей бактерий рода Enterococcus, выделенных от животных в связи с необходимостью дифференциации патогенных и непатогенных штаммов.

Здвижкова И.А. (Оренбург) предложила для проведения скрининга  генетических детерминант известных факторов персистенции условно-патогенных энтеробактерий методом полимеразной цепной реакции использовать разработанную тест-систему.

Часть докладов была посвящена разработке новых подходов и усовершенствованию методической базы по изучению микробных симбиозов. А.С. Балкин (Оренбург) представил данные по разработке новой модели взаимодействия Salmonella enterica serovar Typhimurium со свободноживущими амебами A. castellanii,  часто являющимися в природе естественным резервуаром для внутриклеточных патогенов, Разработанная модель будет использована для транскриптомного анализа сальмонелл при фагоцитозе простейшими, что важно с точки зрения понимания особенностей процесса фагоцитоза у эволюционно удаленных фагоцитов. Гаязовой Э.И. (Казань) в качестве перспективного способа исследования влияния наноматериалов на живые организмы была рассмотрена модель, включающая  почвенных нематод Caenorhabditis elegans и их кишечных симбионтов и оценивающая как прямое, так и опосредованное воздействие наночастиц на организм. Разработанный метод оценки безопасности наноматериалов особо актуален для применения в нанотоксикологии и биомедицине.

Было уделено большое внимание созданию искусственных симбиотических систем как перспективного направления экологически ориентированного сельского хозяйства. Так вопрос конструирования новых ассоциативных симбиотических систем обсуждался в докладе к.б.н. Вершининой З.Р. (Уфа) с использованием в качестве инструмента для модификации бактериального агглютинина RapA1 из штамма R. leguminosarum PVu5, выделенного из клубеньков фасоли обыкновенной. О создании генно-инженерных конструкций, содержащих ген флуоресцентного белка GFP и  гены, регулирующие синтез экзополисахаридов,  для трансформации ризобиальных штаммов рассказала Лавина А.М. (Уфа). А возможность использования биопрепаратов на основе галотолерантных ростостимулирующих ризобактерий для выращивания сельскохозяйственных культур в условиях засоления почв для снижения отрицательного влияния на урожайность показал Лутфуллин М.Т. (Казань). Ризобактерии Rhizobium leguminosarum, способствующие улучшению роста, развития и минерального питания растений, были предложены Хакимовой Л.Р. (Уфа) в качестве биоудобрений для растений физалиса и огурца.

Участники конференции активно обсуждали пленарные и секционные доклады, которые продемонстрировали разнообразие и новые примеры симбиотических систем, а также рассмотрели актуальную проблему поиска ключевых участников симбиоценоза, обуславливающих сохранение здоровья или развитие заболевания. В рамках круглого стола, как прогрессивные изменения по сравнению с предыдущей конференцией, отмечены современный уровень методических подходов, использование методов молекулярной генетики. В то же время подчеркнута роль грамотного планирования эксперимента с применением высокопроизводительного секвенирования. В частности, для получения достоверных результатов исследования необходимо наличие четко сформулированной задачи, в соответствии с которой должна быть подготовлена модель сбора материала и разработан дизайн эксперимента, использованы несколько контролей (как отрицательных, так и положительных).  Были высказаны пожелания к молодым ученым осваивать основы молекулярно-генетических методов и биоинформатического анализа данных, тщательно изучать характеристики объекта исследования и при использовании современных методик не забывать общие правила экспериментальной работы. Выступающие единодушно отметили, что симбиотические системы надо изучать с использованием комплексного подхода с привлечением различных методов, начиная с микроскопии и заканчивая функциональной геномикой, с привлечением специалистов разного профиля, не забывая о пространственной и временной гетерогенности микробной популяции. Раскрытие закономерностей функционирования на уровне симбиотической системы с применением комплекса современных методов на сегодняшний день является актуальной и пока не решенной задачей.

После научно-презентационной части конференции для молодых ученых проведена школа «Метагеномное секвенирование микробных ассоциаций и методы биоинформатического анализа данных», включающая тематические лекции, круглый стол, мастер-классы и тренинги. Материалы конференции опубликованы в виде тезисов в сборнике. В расширенном виде материалы докладов молодых ученых будут опубликованы в Вестнике Оренбургского государственного университета, входящем в список ВАК.

В ходе обсуждения итогов конференции организаторам конференции даны рекомендации, направленные на улучшение формата и качества проведения мероприятия, в частности: создать отдельную секцию по пластичности и гетерогенности популяций симбионтов; на этапе сбора заявок формировать тематику секций с учетом пожеланий модераторов; широко освещать конференцию на этапе подготовки и привлекать большее число участников. В целом, лекторы и молодые участники оценили проведенное научное мероприятие как успешное и рекомендовали провести следующую, IV школу-конференцию «Микробные симбиозы в природных и экспериментальных экосистемах» в Оренбурге в 2020 г.

Программа конференции доступна по ссылке ссылке.