Хто вирощує камінь? Наноби

Хто вирощує камінь? Наноби

Наноби (Nanobe) – крихітні філаментальні структури, виявлені в деяких породах і природних осадах. Деякі науковці припустили, що набоби є найменшою формою життя. На початку 1990-х з’ясувалося, що в гірських породах поблизу гарячих джерел швидко відтворюються домішки вапняку, доломіту, мергелю та крейди.

Цей факт пояснили наявністю органо-мінеральних нанобактерій, структур розміром від 30 до 200 наномікрон.

Дослідники сумнівалися, чи відносити ці бактерії до живих організмів. Бентежив виключно малий розмір клітин, порівняний лише з розміром дрібних вірусів, які, як припустили, займають проміжне положення між живим і неживим.

Хто вирощує камінь? Наноби
Нанобактерія

Кожен живий організм повинен мати хоча б одну молекулу ДНК, що кодує набір з 250 необхідних білків, і, як мінімум, одну рибосому. Розмір рибосоми дорівнює приблизно 25 нанометрів. Якщо в обмеженому обсязі розмістити молекулу ДНК і рибосому, щоб такий «організм» виробляв білки, то розмір такого найменшого організму буде 200 нанометрів. Насправді ж це найбільший розмір наноба, а середній зазвичай 30 – 50 нм.

Вони не містять ДНК і жирні кислоти. Це й дало підстави сумніватися в тому, що такі мікроскопічні створіння можуть являти собою одну з життєвих форм, і стверджувати, що це найімовірніше органічні структури, а не біологічні.

Але в 1990-х роках було доведено наявність «повторних» властивостей окремої молекули РНК, оскільки вона здатна до самокопіювання без рибосом, тобто її примітивне життя може «обійтися» і без молекул ДНК. Тому наноби, не маючи можливості утримувати ДНК і рибосоми через свою мініатюрність, можуть використовувати інші, поки ще не вивчені, механізми розмноження. Отже їх можна віднести до живих організмів.

Хто вирощує камінь? Наноби
Наноб, що ділиться

Новим стимулом до дослідження нанобів послужило виявлення їх не тільки поблизу гарячих джерел, а й всюди, включаючи тварин і людину. Із краплі крові в живильному середовищі можна отримати стійку культуру вже через два – три тижні. Причиною такої «окупації» нанобами нашого світу слугувала їх стійкість до антибіотиків, хімічного впливу, до жорсткого гамма-випромінювання.

Припускали, що найбільш ефективним засобом в боротьбі з нанобами може стати антибіотик нового типу, що вбиває тільки наноорганізми. Необхідність їх знищення виникла у зв’язку з тим, що мабуть, вони були винні у захворюваннях, пов’язаних з формуванням в організмі людини кальцієвих і кальцієвоподібних відкладень. Наноба бачили можливим збудником атеросклерозу, сечокам’яної хвороби, холециститу.

Хто вирощує камінь? Наноби
Нанобактерія будує навколо себе кальцій-фосфатний панцир

В ході більш детального вивчення нанобів вчені виявили особливості їх життєдіяльності, що дозволяє віднести нанобактерію скоріше до органічних структур або визнати посередником між живою і неживою природою, подібно до вірусів.

Метаболізм нанобів швидше за все тісно пов’язаний з процесами біомінералізації. Швидкість росту наноба низька – приблизно в 10 000 разів менша ніж швидкість росту бактерій. Крім того наноб не синтезує власних амінокислот, жирних кислот і, можливо, нуклеотидів, а використовує вже готові, які отримує з навколишнього середовища.

У наноба відсутні енергоємні системи активного транспорту речовин в клітину і з клітини. Транспорт речовин здійснюється за рахунок дифузії і броунівського руху, чому сприяє ультрамікроскопічний розмір клітин.

Концентрація розчинених речовин і осмотичний тиск всередині наноба не відрізняється від навколишнього середовища. У зв’язку з цим нанобу не потрібні енерговитратні системи підтримки внутрішньоклітинного гомеостазу.

Також було виявлено, що наноби розмножуються при наявності вітамінів, без них ріст припиняється. Основний компонент наноба – мінерал апатит і фосфат кальцію. Крім того, до цього біомінералу додаються і інші компоненти.

Ці факти дозволяють припустити, що явища, за якими спостерігали, пов’язані з кристалізацією гідроксіфосфата кальцію, а «зростання» і «розмноження» кристалів гідроксиапатиту пов’язані з тим, що молекули апатиту є центром кристалізації.

Присутність нанобів в крові людини і тварин пояснюється наявністю певних речовин в сироватці крові. Ці речовини уповільнюють процес кристалізації гідроксиапатиту і карбонату кальцію, приводять до осадження сполук кальцію у вигляді сферичних аморфних частинок, що нагадують бактерії. Тому деякі вчені вважають за краще розглядати наноб як просте гранулювання кальцію і як частину нормального механізму його обміну.

Будь-якому живому організму притаманне зростання, розмноження, обмін енергією та інформацією, обмін речовинами з навколишнім середовищем і реакція на його зміни. Але не до всіх організмів можна застосовувати ці критерії, наприклад, віруси – наука не відносить їх до мертвої матерії. Наноби в даний час не класифіковані, незважаючи на те, що вони, на відміну від вірусів, здатні на самостійний ріст і розмноження.

Наноби – результат процесів біомінералізації. Їх метаболізм дуже відрізняється від метаболізму інших відомих організмів. Швидкість росту виключно низька, приблизно в 10 000 разів менша, ніж швидкість росту бактерій. Вони не синтезують власні амінокислоти, жирні кислоти і, можливо, нуклеотиди, а використовують вже готові, отримані з навколишнього середовища. В разі нестачі екзогенних жирних кислот мембранні ліпіди частково замінюються фосфатом кальцію.

Наноби (Nanobe) – структури овальної форми з найменшими розмірами, відкриті Робертом Фолком в 1990 році.

Наноби містять молекулу ДНК, з клітинними мембранами, що оточують області цитоплазми і ядра. Це дозволяє розглядати ці структури як форму життя (можливо, первинну форму життя), яка розташовується на межі живої і неживої природи.

Також наводяться дані, що наноби виявляються у всіх елементах геосфери, гідросфери, біосфери (включаючи тканини і внутрішні середовища організмів тварин) і навіть в марсіанських метеоритах.

Специфіка наноба полягає в його малих розмірах. Він занадто малий для розміщення в його цитоплазмі полірібосомального комплексу, тобто в нанобі не можуть відбуватися процеси синтезу білків, у тому числі ферментів і структурних білків мембран. Структура стінок наноба аморфна і стабілізується завдяки утворенням з солей кальцію на мембрані сітки. Сфера каліцтва, напевно, також є в каталізатором біохімічних процесів, що відбуваються всередині наноба, в тому числі процесів реплікації ДНК, що лежать в основі їх розмноження.

Поки що питання про природу нанобів дискусійне. Якщо всі отримані результати досліджень вірні, то ці форми матерії цікаві навіть не стільки через свої занадто малі розміри, скільки відсутністю у них певних структур, наявність яких раніше вважали обов’язковим для живого мікроорганізму. Це зайвий раз свідчить, що немає принципових відмінностей, які строго відокремлюють живу матерію від неживої.

Якщо правда, що наноби виявлені в марсіанських породах, то це говорить про відсутність виключного становища виникнення життя тільки для земних умов.

Історія винаходу

У 1990 р. Роберт Фолк (R. Folk, Університет штату Техас в Остіні, США) виявив дивні структури овальної форми розміром близько 100 нм в відкладеннях кальциту і арагоніту біля гарячих джерел в Італії. В 1992 р. він виступив з повідомленням про своє відкриття на з’їзді Геологічного товариства США. Вважаючи ці утворення скам’янілими залишками древніх мініатюрних бактерій, він назвав їх «нанобактеріями». Пізніше ці утворення, на відміну від мікробів, стали називати «нанобами» (тепер їх також називають Nanobe і відносять до роду Nanobacter).

Припущення Фолка про те, що наноби – це останки живих організмів, викликало різку критику більшості мікробіологів. Основне їх заперечення зводилося до того, що ці утворення занадто малі, щоб бути живими: для самовідтворення клітини необхідно якесь «пристосування», яке займає досить багато місця і не може поміститися в окремому нанобі.

Після своїх перших відкриттів Роберт Фолк продовжував пошуки нової форми життя і виявив наноба практично скрізь: в листі, що розкладалося, у струмках, в повітряних фільтрах, в водопровідній та колодязній воді, в волоссі, фекаліях, крові, в каменях жовчного міхура, в шкаралупі яєць, в раковині молюсків, в зубах.

Роберт Фолк: «Наноби всюди навколо нас, треба тільки захотіти їх побачити».

Хто вирощує камінь? Наноби
Рис.1. Марсіанські наноби

Група дослідників НАСА під керівництвом Д. Мак Кея повідомила про відкриття подібних структур в метеориті марсіанського походження ALH84001, опубліковано в 1996 г. (рис. 1). Оскільки вік метеорита становить 3,8-4,5 млрд. років, це може означати, що наші предки були марсіанського походження.

НАСА звертається до Національної ради з науки та Національної Академії наук США з проханням сформувати комісію експертів і відповісти на питання, якого розміру можуть бути клітини.

Наприкінці 1998 р. експерти опублікували свій звіт «Граничні розміри дуже маленьких мікроорганізмів», у якому зазначалося:
– для синтезу білка необхідні рибосоми,
– типові рибосоми мають майже сферичну форму і розміри 25-30 нм,
– типова сучасна клітина може містити кілька сотень тисяч рибосом.

Оскільки молекули мають об’єм, повинна бути нижня межа розміру організму. Сфера діаметром близько 200 нм – ось той мінімальний обсяг, в якому можуть вміститися всі молекули, необхідні біоорганізму. Примітивні мікроби, які жили на древній Землі, могли мати і менші розміри. В принципі можна уявити собі організм, що має тільки один тип інформаційних молекул, який може поміститися в сфері діаметром близько 50 нм.

Е.Нолл (A.Knoll), палеобіолог з Гарвардського університету і член комісії експертів, вважає, що між відомою біохімією і біохімією, яка може бути реалізована, але не спостерігається у відомих живих організмів, – принципова різниця: «…поки не буде доведено, що наноби дійсно є живими організмами, немає підстав змінювати існуючі погляди. Якщо ж такі докази будуть отримані, то це означає, що на Землі існує форма життя, біохімію якої ми поки що не знаємо».

Р. Фолк заперечує: «Не можна довільно встановлювати межі розмірів організмів. Зрештою, до Пастера не існували бактерії, а до 1890 р. ніхто не знав про віруси». На його думку, структури, знайдені в метеориті ALH84001, являють собою скам’янілі останки представників давнього життя на Марсі, так само як і подібні структури в іншому марсіанському метеориті Dhofar 019 і в немарсіанских вуглецевих метеоритах Allende і Murchison. А виявлені ним наноби – це первісні форми життя, що збереглися на Землі.

У березні 1999 р. Мак Кей оголосив про виявлення нанобів в товщі порід марсіанських метеоритів Nakhla і Shergotty, що мають вік 1,3 млрд. років і 165-300 млн. років відповідно. Дослідники взяли спеціальні заходи, щоб повністю виключити можливість забруднення зразків метеорита мікроорганізмами земного походження. Марс 300 млн. років тому виглядав майже так само, як і зараз. Таким чином, якщо на Марсі і є життя, то, швидше за все, в товщі скель і в ґрунтових водах.

У 1996 р. група вчених під керівництвом Ф. Ювінс (Ph.Uwins) з Центру мікроскопії і мікроаналізу в Квінсленді (Австралія) досліджувала зразки пісковиків з глибин 3400-5100 м нижче морського дна, які отримали при бурінні пробних нафтових свердловин на заході від берегів Австралії. На такій глибині температура становить 117-170 °C, тиск – кілька тисяч атмосфер. Проте, дослідники виявили в зразках пісковику структури, подібні з відкритими Р. Фолком.

При вивченні зразків під електронним мікроскопом їх поміщають в вакуум і опромінюють могутнім потоком електронів (звичайні біологічні об’єкти при цьому часто руйнуються). Яке ж було здивування Ф. Ювінс, коли вона помітила, що ці структури ростуть, а число часток збільшується.

Зайнявшись їх дослідженням, вчені зіткнулися з величезними труднощами. Наноби виявилися поліекстремофілами. На відміну від мікробів, вони легко переносять будь-яке поєднання екстремальних умов. Це, мабуть, найстабільніша форма життя на Землі. Тому стандартні мікробіологічні методи досліджень часто виявлялися непридатними для вивчення нанобів.

Хто вирощує камінь? Наноби
Рис. 2. Наноби – нитки, що відходять від шматочка пісковика (розмір від 20 до 150 нм)

Австралійським вченим вдалося показати, що наноби містять ДНК. Ці організми спонтанно ростуть на будь-яких поверхнях, утворюючи колонії, які стають видимими неозброєним оком через 2-3 тижні після відкриття поверхні.

Морфологічно наноби дуже схожі на актиноміцети або гриби, але мають набагато менші розміри (рис. 2 і 3). Основні хімічні елементи в складі нанобів – це азот, кисень і вуглець. Наноби володіють клітинною мембраною, яка оточує область цитоплазми і ядра, при цьому структура стінок залишається аморфною.

Хто вирощує камінь? Наноби
Рис. 3. Колонія нанобів на поверхні пісковику

Ф. Ювінс з колегами тільки через два роки, в 1998 р., в журналі American Mineralogist опублікувала статтю під назвою «Нові наноорганізми з австралійських пісковиків». Вважають, що це перше експериментальне підтвердження того, що наноби являють собою живі організми.

У 1996-1998 рр. фінські мікробіологи (O.Kajander, N.Ciftsioglu) опублікували серію статей про причини загибелі культур клітин людини, які вирощували на сироватці крові. З культурами клітин ссавців таке трапляється часто, і мікробіологам доводиться повторювати свої експерименти з самого початку. Але одного разу культуру клітин не викинули, як зазвичай, а забули її в інкубаторі. Виявивши її приблизно через 4 місяці, дослідники дуже здивувалися тому, що культура клітин була покрита шаром якогось слизу. Вони вирішили встановити природу походження слизу.

Хто вирощує камінь? Наноби
Рис. 4. Культура Nanobacterium sanguineum

За допомогою найпотужніших світових мікроскопів нічого побачити не вдалося. Вирішили використати скануючий електронний мікроскоп із збільшенням у 100 тис. Тоді виявили кальцифіковані структури розміром 20-200 нм, характерні для нанобів.

Після вченим вдалося отримати культуру нанобів (рис. 4), яку назвали Nanobacterium sаnguineum. Ці організми розмножуються дуже повільно – клітинний цикл займає 3-5 днів. Вони плеоморфні, тобто мають різні життєві форми в різних фазах розвитку, вміють переходити в «сплячий» стан і довго перебувати в самостійно утвореній оболонці з солей кальцію.

Фінським вченим вдалося виділити ДНК з нанобів розміром 20 нм і визначити послідовність нуклеотидів в геномі. Їх дані тепер підтверджені ще п’ятьма дослідницькими групами. Незабаром була створена спеціальна компанія Nanobaclab, яка займається вивченням нанобів і спричинених ними хвороб і розробкою відповідних вакцин.

Хто вирощує камінь? Наноби
Рис. 5. Наноби, які обліпили фібробласт (внизу – контроль)

В організмі людини наноби – сапрофіти. Їх дуже важко вбити, і вони є причиною багатьох захворювань людини.

Нанобактерія може проникати в усі тканини людини, вільно проходити крізь гематоенцефалічний бар’єр. У всіх місцях, куди вони проникали, найбільшої шкоди приносить їх здатність до кальцифікації (до утворення відкладень із солей кальцію). Вони можуть викликати апоптоз, або програмовану смерть клітин в будь-яких тканинах (рис. 5).

Хто вирощує камінь? Наноби
Рис. 6. Колонії нанобів, що утворюють частини каменя в нирках

Те, що раніше вважали природним результатом старіння організму у багатьох випадках виявилося наслідком діяльності нанобів, наприклад, відкладення солей, утворення каменів в нирках (рис. 6), катаракта (рис. 7), серцево-судинна недостатність (рис. 8) тощо.

Хто вирощує камінь? Наноби
Рис. 7. Наноби, які виявлені в твердому матеріалі катаракти

Наноби викликають утворення антитіл в організмі людини. З різних причин вони виявляються неефективними проти нанобів, але можуть призводити до хронічних запальних процесів. Практично всі процеси, які пов’язані з мінералізацією, в тій чи іншій мірі схильні до впливу нанобів.

Через малу швидкість розмноження і через малі розміри симптоми захворювань, що викликаються нанобами, починають проявлятися зазвичай у віці 35-40 років.

Хто вирощує камінь? Наноби
Рис. 8. Наноби в мінеральній (а) і органічній (б) частинах склеротичної бляшки при повній блокаді артерії

Оскільки наноби живуть на будь-яких субстратах, вони можуть обліплювати і будь-які клітини, в тому числі і лімфоцити. Коли нанобів на клітині стає занадто багато, клітина гине.

Хто вирощує камінь? Наноби
Наноби на піщині (кольоровий мікрознімок СЕМ Nanobe)

В даний час дослідження нанобів ведуться в багатьох лабораторіях різних країн. Отримано нові результати, розроблені нові методи лікування захворювань з урахуванням участі в їх розвитку нанобів. Але багато питань про нову форму життя до сих пір залишаються невирішеними.

Джерело: Нанобы – новая форма жизни (Л. В. Яковенко)

Залишити відповідь