Специалисты из МФТИ создали компактные биосенсоры на основе генетически модифицированных бактерий, которые светятся при контакте с канцерогенами в воде. С их помощью ученые обнаружили высокую концентрацию алкилирующих канцерогенов в тканях ракообразных, морских пауков и тараканов, обитающих на дне Баренцева, Карского морей и моря Лаптевых. По пищевой цепочке они могут попадать в рыб, включая сёмгу и форель, которые активно употребляются в пищу человеком. Результаты исследования опубликованы в журнале Biochemistry (Moscow).

За прозрачной гладью северных морей скрывается невидимая угроза — токсичные вещества, которые поступают со стоками с сельскохозяйственных полей, выбросами предприятий, нефтедобычи, судоходной деятельности и др. Особую опасность представляют канцерогены, которые накапливаются в морских организмах и донных отложениях. По пищевой цепочке они могут попадать в рыб, включая сёмгу и форель, которые активно употребляются в пищу человеком.

Достоверно оценить степень загрязнения морских экосистем — сложная задача. Традиционные методы анализа требуют сложного лабораторного оборудования, многоэтапного процесса и часто не позволяют оценить реальное воздействие загрязнителей на живые организмы.

Ученые из МФТИ разработали альтернативное решение — lux-биосенсоры на основе генетически модифицированных бактерий Escherichia coli и Bacillus subtilis. В их ДНК ученые встроили гены биолюминесценции, которые заставляют бактерии светиться, а также стресс-зависимые промоторы, включающие эти гены при окислительном стрессе, алкилировании ДНК и некоторых других специфических повреждений клеточных компонент.

Такие бактерии стали мощным инструментом экологического мониторинга, который с помощью света быстро и с высокой точностью сигнализирует ученых о степени токсичности окружающей среды.

Исследование образцов донных отложений и тканей беспозвоночных, собранных в экспедиции. В новом исследовании ученые оценили содержание токсикантов в донных отложениях, собранных с глубины 35-300 метров во время экспедиций Баренцевом, Карском и море Лаптевых. Также исследовали ткани беспозвоночных: нескольких видов амфипод, морского таракана и морского паука.

В результате пробы не вызывали окислительного стресса или SOS-ответа. Однако в некоторых образцах бокоплавов, морского паука и морского таракана обнаружилась высокая концентрация алкилирующих веществ. Алкилирование ДНК может приводить к мутациям и гибели клеток. Наибольшая активность была выявлена в образцах организмов из Баренцева моря.

В отличие от химических анализов воды, которые проводят в лаборатории, lux-биосенсоры выявляют не конкретные химические соединения, но их комплексное воздействие и накопление в морских организмах.Исследование их тканей напрямую работает как система раннего предупреждения. Оно позволяет определить загрязнение водоёма ещё до того, как уровень вредных веществ станет опасным для человека. По сути, маленькие рачки, аккумулируя в себе токсичные агенты, становятся первыми индикаторами скрытой опасности для экосистемы, ведь они — важные составляющие пищевой цепи» - поделилась Ульяна Новоятлова, сотрудник лаборатории молекулярной генетики МФТИ.

Таким образом, ученые не только подтвердили эффективность применения lux-биосенсоров для выявления токсичных веществ в морских донных отложениях, но и обнаружили способность отдельных донных организмов накапливать алкилирующие соединения.

*Методология исследования:

Образцы донных отложений отбирали с помощью дночерпателя «Океан-0,25». Затем донные организмы отделяли от субстрата промывкой с последующей видовой идентификацией, измельчением и разделением центрифугированием. Надосадочную жидкость использовали для оценки токсичности тканей животных. Донные отложения представляли собой фракцию переувлажненного ила, иногда с включениями песка. Жидкость, полученную центрифугированием в течение 5 мин, использовали для оценки содержания токсикантов.

Каждую отдельную амфиподу помещали в микропробирку и гомогенизировали с добавлением 30 мкл пастеризованной морской воды (собранной на станции сбора). После гомогенизации образцы центрифугировали при 10 000 об/мин для разделения жидкой и твердой фракций, а 20 мкл супернатанта использовали для дальнейшего анализа.

В работе использованы цельноклеточные lux -биосенсоры, способные определять окислительный стресс, SOS-ответ, алкилирование ДНК и общую токсичность.

Клетки биосенсора помещали в субкультуры объемом 200 мкл в отдельные пробирки объемом 1,5 мл без накидки и добавляли 20 мкл исследуемого соединения (вода или супернатант из гомогенизированной ткани амфипод). Клетки инкубировали без встряхивания при 32°C для B. subtilis или комнатной температуре для E. coli с повторными прямыми измерениями общей биолюминесценции. Перед каждым измерением люминесценции клетки с добавленными образцами перемешивали в течение 2 с с помощью вортекс-шейкера. Интенсивность биолюминесценции измеряли в субкультурах клеточной культуры объемом 200 мкл с помощью микропробирок с люминометром Biotox-7BM.

Изображение: фрипик

Источник: МФТИ