Ученые Сектора молекулярной генетики клетки Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ обнаружили, что в центре исследовательского реактора ИБР-2, при радиационном фоне за сутки, в 16 раз превышающем смертельную дозу радиации для человека, присутствуют живые организмы – грибы нескольких видов.
Научная группа проводит исследование, посвященное тому, какие именно генетические механизмы позволили грибам приспособиться к выживанию в настолько суровых условиях. В дальнейшем будет проведен повторный поиск на реакторе представителей этого и других царств живой природы. Исследование уникально тем, что удалось разработать систему пробоотбора и произвести сбор образцов максимально близко к самому «сердцу» ядерного реактора и проверить, обитают ли там живые организмы.
В ЛЯП с 2019 года уже проводятся исследования экстремальной радиорезистентности самых устойчивых к физико-химическим стрессам животных – тихоходок. Дополнительно обратить внимание на поиск устойчивых к радиации организмов в зоне реактора ИБР-2 предложил директор ЛЯП Евгений Якушев. В отличие от ускорителей частиц, в зоне ИБР-2 значительный радиационный фон присутствует постоянно, поскольку там, даже при остановке реактора, непрерывно происходят распады ядерного топлива – диоксида плутония.
«Радиационный фон в зоне реактора ИБР-2 есть всегда: в этом году в неактивном состоянии реактора фон составлял около 160 Грей в сутки. Таких показателей нет нигде в природе. Для сравнения: для человека доза в 10 Грей смертельна»,
— рассказала начальник Сектора молекулярной генетики клетки ЛЯП ОИЯИ Елена Кравченко. В то же время на ИБР-2 есть возможность подобраться почти к самому центру реактора, где находятся топливные элементы. Туда подходят каналы различных исследовательских установок, при этом некоторые каналы находятся сразу за стенкой активной зоны реактора. Сотрудники Сектора нового источника и комплекса замедлителей Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ предоставили коллегам из ЛЯП возможность отобрать биологические пробы из самой близкой к реактору области в канале № 3 ИБР-2, на котором тестируется на устойчивость к радиации электроника и различные материалы.
Для пилотного эксперимента по отбору образцов начальник Сектора астрофизических исследований ЛЯП ОИЯИ Артур Бородин изготовил и запрограммировал автоматический бокс – герметичную коробочку, внутри которой находилась чашка Петри с питательной средой. Закрытый бокс, предварительно простерилизованный в лаборатории, был доставлен в дальнюю часть канала № 3. Достигнув ближайшей к реактору точки (менее полуметра от активной зоны), бокс автоматически открылся на 24 часа, затем вновь закрылся и был транспортирован обратно.
В отношении грибов и бактерий такой метод пробоотбора эффективен, так как их споры и клетки способны попасть в лабораторную емкость с питательной средой из воздуха в точке отбора. Чашки, побывавшие в зоне ИБР-2, были наполнены стерильной питательной средой, подходящей для роста и развития грибов определенных видов – генетики ЛЯП ОИЯИ решили начать исследование с более сложно устроенных, чем бактерии, организмов. Присутствие животных в исследуемом месте маловероятно, но теоретически в этих условиях могли бы выжить и тихоходки.
«К нашей радости, уже в первом эксперименте на чашке выросло семь видов грибов», — отметила Елена Кравченко. Грибы выросли практически сразу из активных, жизнеспособных клеток: буквально на следующие сутки у ученых уже имелись небольшие колонии. Попадая в нормальные условия из стрессовых, грибы с повышенной радиационной устойчивостью спокойно продолжают жить и размножаться. Важно отметить, что они являются непатогенными и опасности для человека не представляют.
«Мы разобрали их на отдельных представителей, сделали простую видовую идентификацию с помощью секвенирования маленького кусочка гена, кодирующего 18S РНК, и узнали, что из ИБР-2 к нам попали пенициллы, ауреобазидиум, пиронема и другие. Затем мы сделали полногеномное секвенирование пока одного из семи видов – прочитали и собрали весь его геном. Сейчас идет анализ, мы встраиваем отсеквенированный вид в филогенетическое дерево всех живых организмов. Если он ни с чем не совпадет, – возможно, это новый вид», — сообщила Елена Кравченко.
Основная проблема, которую решают сотрудники Сектора молекулярной генетики клетки, – каким образом живой организм приспосабливается к экстремально высоким дозам радиации? Для этого необходимо определить, какие гены и каким образом расположены в геноме. После того, как гены в геноме грибов будут размечены, ученые проведут эксперименты со всеми обнаруженными видами: контрольная чашка Петри с определенным видом будет находиться при нормальном радиационном фоне, другая же чашка будет облучена высокими дозами радиации. Затем генетики выделят РНК из клеток грибов с контрольных и облученных чашек и проанализируют, какие гены активируются в ответ на действие радиации.
«Зная, какие гены ответили, мы сможем сказать, какие механизмы адаптации смог выработать организм в ходе естественного отбора и суровых условий существования: например, он очень хорошо репарирует свою ДНК либо у него есть системы, которые защищают ДНК», — пояснила Елена Кравченко. Также в дальнейших планах ученых — отправить в зону реактора ИБР-2 чашки Петри с питательными средами для других организмов до и после запуска реактора.
Такие исследования, отмечает Елена Кравченко, помимо их фундаментальной научной важности, будут полезны в будущем для планирования дальних пилотируемых космических полетов, например, станет возможным модифицировать сельскохозяйственные культуры с тем, чтобы выращивать их прямо на космическом корабле во время полета. Также радиационно устойчивые организмы смогут помочь в очистке загрязненных радионуклидами территорий на Земле, а механизмы радиопротекции, разработанные ими, помогут для защиты здоровых тканей вокруг раковой опухоли при ее облучении.
Исследования радиорезистентности грибов, найденных в зоне реактора ИБР-2, займут несколько лет работы у ученых сектора. Получаемые результаты станут уникальными, подобных экспериментов пока не проводилось нигде в мире, так как подобраться с исследовательским оборудованием так близко к центру ядерных распадов на атомной электростанции практически невозможно, а научная инфраструктрура ИБР-2 позволяет это сделать.
Повышенный радиационный фон в зоне ИБР-2 действовал на попавшие туда живые организмы годами, задолго до отбора проб, поэтому постоянное действие высокого радиационного фона позволило выжить только тем организмам, в геноме которых возникли уникальные наследуемые механизмы радиорезистентности и адаптации.
«Это удачное совпадение обстоятельств, установок, людей и целей, которое позволяет провести такое исследование только здесь, в ОИЯИ», — подытоживает Елена Кравченко.
«В местах радиационных аварий, таких как Фукусима или Чернобыль, активно исследуются экосистемы, сформировавшиеся годы спустя после аварии. Однако там, куда есть доступ у исследователей, фон на несколько порядков ниже, чем в зоне реактора ИБР-2. И уже сейчас можно сказать, что найденные там виды организмов иные, чем на ИБР-2», — отмечает младший научный сотрудник сектора Михаил Зарубин.
Начальник Сектора молекулярной генетики клетки ЛЯП ОИЯИ Елена Кравченко
