В лабораториях биохакинга Парка науки и искусства «Сириус» бурлит жизнь. В прямом смысле. Работая над проектом «Изучение влияния макро- и микроэлементов на рост фототрофных микроорганизмов», школьники растят в колбах микроводоросли. Молодые исследователи надеются, что их результаты позволят продвинуть российские биотехнологии вперед и оптимизировать процесс выращивания микроорганизмов для производства биотоплива.
Фототрофные, или фотосинтезирующие микроорганизмы — обитатели различных пресных и соленых водоемов, а также почв. В природе их легко увидеть даже невооруженным глазом, поскольку многие из них могут образовывать характерные биопленки – колонии – на поверхности водоема или грунта. Иногда из-за массового развития фототрофов меняется цвет водоема. В быту говорят, что вода «цветет». Общеизвестный факт, что цветение воды чаще всего связано с негативными последствиями неразумной деятельности людей, однако следует отметить что, есть у этого явления и позитивная сторона медали.
Благодаря способности к фотосинтезу, фотоавтотрофы получили широкое распространение не только в природе, но и в биотехнологии. Для их роста не нужны готовые органические молекулы, как например дрожжам. Усваивая углекислый газ из воздуха, фототрофы способны синтезировать более сложные органические молекулы, такие как каротиноиды, полисахариды, белки и липиды. Эти биологические молекулы являются важными предшественниками многих биотехнологически важных веществ. Липиды используются для производства биотоплива, белки используются в качестве кормовых добавок для крупного рогатого скота, а полисахариды идут на создание питательных сред для новых микроорганизмов. Не менее важны каротиноиды, выступая в роли антиоксидантов, они нейтрализуют активные формы кислорода в клетке, предотвращая преждевременное старение и защищая организм от окислительного стресса. Но самое важное – это, конечно, биотопливо. Например, биодизель. Он экологически чистый, почти с нулевым содержанием серы. Соответственно, его использование приведет к оздоровлению окружающей среды», – рассказывает руководитель проекта Артём Викторович Борголов, ведущий инженер отдела биотехнологий и биоэнергетики Курчатовского комплекса НБИКС-технологий НИЦ «Курчатовский институт».
Участники проектной образовательной программы «Большие вызовы» собираются выяснить, насколько хорошо фототрофные одноклеточные микроорганизмы будут размножаться в воде с разным солевым составом и как на их рост влияет присутствие нитратионов и ионов марганца. Задача – понять, какие среды более комфортны для клеток и сколько того или иного элемента нужно добавить, чтобы он способствовал более активному росту микроводорослей. При этом важно не переборщить: в какой-то момент ионов может стать настолько много, что они сыграют роль токсинов и окажут негативное действие на микроорганизмы. Все хорошо в меру, считают юные натуралисты.
Выращивание фототрофных микроорганизмов в России находится на зачаточной стадии, а существующие производства не превышают нескольких тонн сухой биомассы в месяц. Тем временем, во многих развитых и развивающихся странах такое производство поставлено на поток. Поэтому школьники хотят найти оптимальный состав среды для разведения микроорганизмов, что позволит получать больше биомассы в короткие сроки.
Для работы у ребят есть три вида хлореллы, привезенные из коллекции Курчатовского института. Исследователи планируют засеять их на разные природные воды: морскую, дождевую и минеральную. Следить за ростом культур юные ученые будут с помощью ежедневного подсчета клеток с использованием различных методов цитометрии (камера Горяева, спектрофотометрия)
Хлорелла – одноклеточная зеленая водоросль сферической формы, от 2 до 10 мкм в диаметре, без жгутиков. Для фотосинтеза ей требуются вода, углекислый газ, свет и небольшое количество минералов. Встречается в воде и в грязи луж, канав и прудов.
Чтобы культивировать микроорганизмы, исследователи подготовили в колбах питательную среду, состоящую из соединений азота, калия, фосфора и других элементов, а затем поместили в нее клетки водоросли – засеяли. Сейчас эти колбы перемешиваются на шейкере под постоянным освещением. В процессе роста водорослей раствор приобретет зеленую окраску, говорят ученые. Это произойдет примерно через неделю. Процесс можно ускорить, улучшив аэрацию – активное насыщение питательной среды углекислым газом из воздуха. Для этого исследователи планируют сконструировать небольшой фотобиореактор.
Во второй части работы участники образовательной программы будут непосредственно менять концентрацию микроэлемента марганца. «Этот элемент очень важен для процесса фотосинтеза высших растений, он участвует в различных биохимических реакциях в составе различных металлоферментов, поэтому мы хотим выяснить, какую роль марганец играет у одноклеточных фототрофов» – комментируют участники эксперимента.
Участница проекта Лина Плужник рассказала, как посчитать количество микроорганизмов в образце: «Для этого мы используем стандартную методику. Образец суспензии с клетками помещается в так называемую камеру Горяева – предметное стекло с насечками в виде квадратов - и кладется под микроскоп. Мы видим, сколько клеток попало внутрь квадратов и просто их считаем. И так несколько раз. Затем вычисляем среднее значение и по расчетной формуле находим содержание клеток в одном миллилитре образца. Сейчас у меня получилось 111 миллионов клеток. Завтра должно быть больше».
К концу июля исследователи планируют найти оптимальный состав питательной среды для выращивания хлореллы и ускорить размножение микроорганизмов, вводя микроэлементы в суспензию с клетками. Уже сейчас школьники собирают данные, чтобы потом представить их в виде графиков, которые отразят интенсивность роста микроорганизмов в зависимости от различных факторов.
