Загрязнение природных сред, включая воду, — это одна из самых острых экологических проблем. Для отслеживания загрязнителей, помимо химического анализа, широко применяют биотестирование, основанное на реакции живых организмов. В новой статье для журнала Biosensors ученые МФТИ и их коллеги использовали люминесцентную кишечную палочку и ракообразных-бокоплавов, доказав, что эти животные накапливают в себе канцероген — метилметансульфонат. Новую систему биотестирования можно использовать для мониторинга опасных мутагенов и канцерогенов в водной среде, а также в ее жителях.
Различные формы деятельности человека — промышленность, транспорт, городская инфраструктура и другие — очень сильно влияют на воздух, водоемы, почву и живые организмы, которые населяют все эти среды. В них постоянно попадают загрязнители, или поллютанты, которые могут перемещаться по ландшафту, накапливаться в животных и растениях и различными путями попадать в организм человека.
Поэтому загрязнения окружающей среды необходимо оперативно отслеживать. Обычно для этого используют точные физико-химические методы, которые фиксируют отдельные загрязнители. Альтернативный подход основан на биоиндикации и биотестировании, которые используют живые организмы. Чувствительные виды быстро реагируют на загрязнения, что позволяет без лишних затрат выявить опасные вещества. Такие методы оценивают не концентрации токсических веществ, а более важный показатель — их биологические эффекты.
Особенно перспективны биолюминесцентные системы, которые используют светящиеся бактерии. В условиях загрязнения их люцинесценция изменяется, что легко заметить и точно измерить. Новый метод биотестирования предложил коллектив ученых из МФТИ, ИПЭЭ РАН, МГУ им. М. В. Ломоносова, Российского биотехнологического университета и КГЖПУ (Казахстан). Авторы исследования превратили неспособную к люминесценции бактерию E. coli в светящуюся, введя в нее гены из Photorhabdus luminescens (бактерии, которая паразитирует на насекомых). Подобные люминесцентные биосенсоры гораздо чувствительнее и способны избирательно реагировать на нужные загрязнители.
Полученная E. coli чувствительна к действию алкилирующих агентов — соединений, которые присоединяют к ДНК остатки углеводородов.
Эти агенты повреждают геном, вызывая в нем мутации, которые могут привести к онкологическим заболеваниям. В экспериментах использовали метилметансульфонат (MMS) — вещество, которое широко применяют в своей работе молекулярные биологи и генетики.
С помощью новых люминесцентных биосенсоров было оценено содержание метилметансульфоната в жителях водной среды — небольших ракообразных из отряда бокоплавы. Использовали три вида: выловленный в Белом море Gammarus oceanicus и два пресноводных — байкальский Eulimnogammarus vittatus и Gammarus lacustris из озера Кабанье (Новосибирская область). Бокоплавов разделили на группы и на сутки поместили в раствор метилметансульфоната с разной концентрацией — от 10 микромоль до 10 миллимоль (то есть в тысячу раз больше). Использовали привычную бокоплавам температуру 8—12 ℃ и воду из тех акваторий, где они жили. Животные контрольной группы тем временем находилась в чистой воде. Затем бокоплавов отмыли и гомогенизировали, то есть превратили в однородную смесь, которую разделили на фракции с помощью центрифуги. Одни люминесцентные клетки E. coli поместили в жидкую часть, содержащую растворимые компоненты тканей животных, другие — в исходные пробы воды с разной концентрацией метилметансульфоната.
По мере увеличения дозы токсичного вещества бактерии светились все ярче, сигнализируя о большем числе повреждений генома. Причем помещенные в исходные растворы метилметансульфоната бактерии светились не так ярко, как оказавшиеся в экстрактах бокоплавов. Выходит, ракообразные способны концентрировать в себе алкилирующие соединения. Таким образом, ученые опровергли данные о том, что молекулы метилметансульфоната быстро разрушаются в водной среде, не накапливаются в живых существах и потому не переходят по пищевой цепочке (от растительноядных животных к хищникам). Авторы не изучали метаболизм бокоплава, но отметили, что метилметансульфонат в их тканях либо не изменялся, либо превращался в вещество с той же алкилирующей активностью.
«Из нашей работы следует два важных вывода. Во-первых, анализ токсичности тканей водных организмов (в частности, бокоплавов) позволит обнаружить загрязнение водоема раньше, чем концентрация токсиканта в воде станет критической. Это крайне важно с точки зрения экологии. Во-вторых, даже низкие недетектируемые концентрации алкилирующих веществ могут накапливаться в тканях амфипод и потенциально запускать мутагенез в них и других участниках пищевой цепи водных экосистем, ведь амфиподы являются ее неотъемлемой частью», — прокомментировала Ульяна Новоятлова, сотрудник лаборатории молекулярной генетики МФТИ.
