Стога и грибы-термофилы

Когда Клод Моне писал свою знаменитую серию картин «Стога», включая это полотно «Стог сена в Живерни, Закат», то наверняка хоть раз задумался о том, что же происходит внутри них. А внутри стогов — целый мир.

Этот мир впервые изучил немецкий ботаник Хуго Миэ (Hugo Miehe), опубликовавший в 1907 году работу «Самонагревание сена: биологическое исследование» (Die Selbsterhitzung des heus: eine biologische Studie). Внутри сена он обнаружил множество грибов и бактерий, жизнедеятельность которых приводила к нагреванию стогов, и стал первым, кто показал связь между ростом термофильных грибов и термогенезом (или саморазогреванием) стогов сена.

Сегодня уже известно, что растительная масса (куча зерна, сена и др.) в результате неправильного хранения, например высокой начальной влажности, может разогреваться до 40–60°С буквально за 4–5 дней благодаря жизнедеятельности микроорганизмов, которые с повышением температуры последовательно сменяют друг друга, заканчивая термофильными микроскопическими грибами. Сам субстрат из-за накопленных токсинов становится непригоден для кормовых целей, а если начнется самоподдерживающаяся реакция, то сено может загореться.

Термофильные грибы — это небольшая и разнородная, но очень интересная группа грибов, способных расти при высоких температурах, как правило с оптимумом роста выше 37–45°С, а при «обычной» температуре 15–25°С они развиваться уже не могут. Первые сведения о термофильных грибах появились в середине XIX века, когда были описаны такие виды, как аспергилл дымящий (Aspergillus fumigatus) и Rhizomucor pusillus. Ооднако интерес к этой группе в научном сообществе возник после публикации в 1899 году работы русской женщины-бактериолога Прасковьи Васильевны Циклинской, в которой она продемонстрировала способность неизвестного до этого гриба расти при повышенных температурах. Сам гриб она случайно обнаружила на картофеле в садовой почве.

Чтобы получить чистую культуру и избавиться от совместно растущих с грибом бактерий, Циклинская использовала в качестве источника питания для гриба белый хлеб, поддерживавшийся при температуре 52–53°С. На хлебе гриб обильно рос и формировал пушистые белые колонии, из-за чего она назвала его Thermomyces lanuginosus (видовой эпитет означает «пушистый»). В результате экспериментов Циклинская выяснила, что диапазон роста Thermomyces lanuginosus варьируется в пределах от 37 до 60°С, с оптимумом при 54–55°С, его споры выдерживают сухой нагрев до 80°С в течение трех часов, а при 100°С погибают через одну минуту.

Колонии Thermomyces lanuginosus, выращенные на твердой питательной среде при 42 °С в течение пяти дней. Слева — колония на картофельно-декстрозном агаре (см. Potato dextrose agar). Справа — колония на агаре Сабуро (см. Sabouraud agar). Морфология, скорость роста грибов и другие признаки зависят от состава питательных веществ в средах и потому отличаются. Фото из статьи S. Sivagnanam et al., 2013. Thermomyces lanuginosus infective endocarditis: Case report and a review of endocarditis due to uncommon moulds

У Thermomyces lanuginosus обнаружены только споры бесполого размножения, называемые алевриоспоры (или алевриоконидии; см. Конидиогенез) — это крупные (6–10 мкм) конидии, формирующиеся поодиночке на каждом конидиеносце. Они имеют толстую скульптурную оболочку, благодаря которой могут пережидать значительные температуры (выше максимальных температур роста).

Гриб Thermomyces lanuginosus. Гифы воздушного мицелия, несущие алевриоспоры на коротких боковых ветвях. Стрелками обозначены зрелые конидии с хорошо заметной сетчатой скульптурой оболочки. Cлева — рисунок из статьи G.J.F. Pugh, J.P. Blakeman, G. Morgan-Jones, 1964. Thermomyces verrucosus sp. nov. and T. lanuginosus. Справа — рисунок из книги R. K. Salar, 2017. Thermophilic Fungi. Basic Concepts and Biotechnological Applications

Однако выдерживать высокие температуры термофильным грибам помогают не только морфологические особенности, но и генетические. Сравнив геномы термофильных и мезофильных (растущих при умеренных температурах) грибов, ученые показали, что размер генома термофилов меньше, чем у мезофилов, за счет потери генов, мобильных генетических элементов, уменьшения размеров интронов и межгенных областей. Такая же закономерность наблюдается и у термофильных прокариот. Биологический смысл этих потерь в том, что маленький геном помогает проводить деление клетки быстрее (меньше времени уходит на репликацию ДНК); кроме того, снижается потребление энергии для синтеза нуклеотидов. Исследование протеомов выявило некоторые особенности в составе белков, где часто происходили последовательные замены аминокислот (наиболее частая — замещение лизина аргинином), связанные с термофилией. Такие замены делают белки стабильными при высоких температурах.

Благодаря этим особенностям все термофильные грибы являются потенциальными источниками различных коммерчески важных термостабильных ферментов, многие из которых уже используются в пищевой промышленности. Так, Thermomyces lanuginosus может не только портить, но и улучшать хлеб, благодаря ксиланазе — ферменту, разлагающему ксилан, один из компонентов гемицеллюлозы в клеточной стенке растений. В одной из работ было показано, что присутствие термостабильной ксиланазы при выпечке хлеба привело к увеличению удельного объема хлеба и улучшению текстуры мякиша.

Влияние ксиланазы Thermomyces lanuginosus на объем хлеба. a — фотографии целой буханки хлеба, b — разрезанной. Слева направо: контроль без добавок, хлеб с добавлением очищенной ксиланазы 5, 10, 20, 40, 60 и 100 ppm (частей на миллион; мг/кг^-1). Фото из статьи Z.Q. Jiang et al., 2005. Characterization of a xylanase from the newly isolated thermophilic Thermomyces lanuginosus CAU44 and its application in bread making

Таким образом, небольшое открытие Прасковьи Циклинской привело к тому, что неизвестный гриб из садовой почвы стал отправной точкой в изучении термофилии эукариот и заложил основу важной биотехнологической отрасли по получению и использованию термостабильных ферментов.

Клод Моне, «Стога сена в Живерни, Закат», 1888–1889 год. Музей современного искусства города Сайтама, Япония. Изображение с сайта wikiart.org.

Евгений Антонов