Мониторинг изменений зоогенных микробных сообществ, ассоциированных с животными — индикаторами состояния природных экосистем арктических островов

судно: НИС «Профессор Молчанов»
отряд: Микробиологические исследования в Арктике
район исследований: Белое море, Баренцево море, Карское море, острова Вайгач, Колгуев, Новая Земли, Земля Франца Иосифа
даты: июнь-июль 2024 г.

Актуальность задачи: Прибрежные и наземные арктические экосистемы, являясь конечными точками сезонных миграций десятков миллионов перелетных птиц и млекопитающих, представляют особый интерес в качестве объектов мониторинговых исследований.
Микробиологический мониторинг, направленный на изучение распространения и состава интродуцируемых в Арктику бактерий, включая патогенные для животных и человека виды, является элементом оценки благополучия арктических экосистем.
Кроме того, активное развитие познавательного туризма и освоение природной среды Арктики с её стратегическим экономическим потенциалом предполагает необходимость оценки активности специфических природных очагов зоонозных инфекций, поддерживаемых мигрирующими представителями орнитофауны и териофауны.
В исследованиях, проведенных нами ранее в экспедициях «Арктического плавучего университета» были определены представители арктической фауны, микробиомы которых являются эффективными и удобными биологическим индикаторами для выявления потенциальных патогенов, в частности, антибиотикорезистентных бактерий. К числу данных животных отнесен ряд морских птиц, формирующих птичьи базары (моевка обыкновенная (Rissa tridactyla), чистики (Cepphus grylle), кайры (Uria lomvia)), а из числа млекопитающих - белый медведь (Ursus maritimus), располагающийся на вершине трофической цепи.
Исследования микробиоты этих видов на архипелагах Шпицберген, Новая Земля, Земля Франца-Иосифа позволило выявить циркуляцию штаммов бактерий с выраженной антибиотикорезистентностью и эпидемическим (эпизоотическим) потенциалом. Так, например, к числу наиболее значимых находок, сделанных нами, относится обнаружение эмерджентного патогена Escherichia marmotae на птичьем базаре на острове Гукера (Земля Франца-Иосифа), выявление на Западном Шпицбергене мультиантибиотикорезистентных штаммов Enterobacter hormaechei , обнаружение на птичьих базарах северного острова Новой Земли штаммов Escherichia coli, филогенетически родственных штаммам пандемических клональных линий APEC и ExPEC.
Для валидации полученных данных крайне важны систематические микробиологические исследования в «горячих точках» микробного разнообразия, которыми являются птичьи базары побережий арктических островов, что является одной из целей планируемой экспедиции.
Исследования зоогенных экосистем на островных территориях будут также использованы с целью биопроспектинга (биоразведки) бактериофагов — перспективных антибактериальных агентов для лечения инфекционных заболеваний и биологического контроля. Изучение филогеографии полярных бактериофагов имеет существенное теоретическое и практическое значение, поскольку имеются основания предполагать, что фаги из удаленных местообитаний, могут обладать уникальными спектрами литической активности (ввиду отсутствия механизмов резистентности к ним у локальных популяций бактерий) .

Артемий Гончаров - заведующий лабораторией функциональной геномики и протеомики микроорганизмов ФГБНУ Институт экспериментальной медицины, профессор кафедры эпидемиологии, паразитологии и дезинфектологии Северо-западного государственного медицнского университета им.И.И. Мечникова. Основной областью исследований являлась молекулярная эпидемиология, филогения и эволюция возбудителей бактериальных инфекций человека в полярных регионах Земли, включая палеомикробиологические исследования. В данных областях были получены следующие значимые результаты:
- Проведены микробиологические и метагеномные исследования микробных сообществ пищеварительного тракта ископаемых животных, включая т.н. "Малоляховского мамонта". Полученные данные позволили оценить состав своеобразного микробного сообщества пищеварительного тракта шерстистого мамонта. Описана структура геномов древних изолятов бактерий, ассоциированных с мамонтовой фауной Якутии. В частности, изучены геномы штаммов Enterococcus sp. (GenBank Acc. № LGAN00000000, NZ_LGAO00000000), Serratia spp. (Acc. № MQRH00000000, MQML00000000), Acinetobacter lwoffii (Acc. № LZDF00000000) (Grigoriev S.E., Savvinov G.N., Novgorodov G.P., Cheprasov M.Y., Fedorov S.E., Ivanov E.V., Tikhonov A.N., Fisher D.C., Shirley E.A., Rountrey A.N., Obadă T., Garmaeva D.K., Egorova V.E., Petrova P.P., Egorova E.E., Akhremenko Y.A., Vasilev S.E., Goncharov A.E., Masharskiy A., van der Plicht J. et al. A woolly mammoth (Mammuthus primigenius) carcass from Maly Lyakhovsky island (New Siberian islands, Russian Federation). Quaternary International. 2017. Т. 427. P. 89-103. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1040618216302324?via%3Dihub).
- На основе данных полногеномного секвенирования ряда изолятов, выделенных в криогенных экосистемах Восточной Антарктиды показана принципиальная возможность быстрой адаптации бактерий – паразитов человека и животных к экстремальным условиям существования путем приобретения генов устойчивости к холоду и радиации. В этой связи биологические угрозы могут быть связаны с формированием клонов, сохраняющих патогенный потенциал наряду с повышенной устойчивостью к воздействию различных стрессовых факторов. Депонированы в GenBank последовательности геномов антарктических штаммов Enterococcus faecalis 85-4d, Serratia liquefaciens 72 и Salmonella enterica 404 депонированы в GenBank под номерами SAXB00000000.1, NZ_MQRG00000000.1 и WIAP00000000.1 соответственно. (Гончаров А.Е., Соломенный А.П., Панин А.Л., Григорьев С.Е., Чепрасов М.Ю., Ахременко Я.А., Колоджиева В.В., Гончаров Н.Е., Краева Л.А. Оценка патогенного потенциала серраций из криогенных местообитаний. Инфекция и иммунитет. 2021. Т. 11. № 3. С. 585-590.)
- Описаны новые виды бактериофагов Acinetobacter baumannii и Enterococcus faecalis, имеющие перспективы практического применения для лечения и профилактики инфекций, обусловленных бактериями с множественной лекарственной устойчивостью (Tkachev, P.V.; Pchelin, I.M.; Azarov, D.V.; Gorshkov, A.N.; Shamova, O.V.; Dmitriev, A.V.; Goncharov, A.E. Two Novel Lytic Bacteriophages Infecting Enterococcus spp. Are Promising Candidates for Targeted Antibacterial Therapy. Viruses 2022, 14, 831. https://doi.org/10.3390/v14040831, Popova AV, Lavysh DG, Klimuk EI, Edelstein MV, Bogun AG, Shneider MM, Goncharov AE, Leonov SV, Severinov KV. Novel Fri1-like Viruses Infecting Acinetobacter baumannii-vB_AbaP_AS11 and vB_AbaP_AS12-Characterization, Comparative Genomic Analysis, and Host-Recognition Strategy.Viruses. 2017 Jul 17;9(7). pii: E188. doi: 10.3390/v9070188. http://www.mdpi.com/1999-4915/9/7/188)
Являюсь участником ряда экспедиций в Арктику, 63 и 68 Российской антарктической экспедиции.

Опубликованные работы по теме задачи:
Краева Л.А., Панин А.Л., Гончаров А.Е., Власов Д.Ю., Гончаров Н.Е., Сбойчаков В.Б. Факторы риска распространения возбудителей инфекционных заболеваний в арктической зоне. Инфекционные болезни. 2021. Т. 19. № 2. С. 113-118.

Tkachev, P.V.; Pchelin, I.M.; Azarov, D.V.; Gorshkov, A.N.; Shamova, O.V.; Dmitriev, A.V.; Goncharov, A.E. Two Novel Lytic Bacteriophages Infecting Enterococcus spp. Are Promising Candidates for Targeted Antibacterial Therapy. Viruses 2022, 14, 831.

Panin, A. L., Sboichakov, V. B., Belov, A. B., Kraeva, L. A., Vlasov, D. Y., & Goncharov, A. E. (2016). Natural and technogenic focality of infectious diseases in Antarctic settlements. Biology Bulletin Reviews, 6(4), 320-332.

Что предстоит делать:
Непосредственные задачи заключаются в отборе проб биологического материала на высадках по маршруту судна , первичной обработке и консервации проб в судовой лаборатории

Методы, приборы, ПО, с которыми предстоит работать:
Студенты смогут научиться методам маршрутных полевых исследований, методикам асептического отбора проб биологического материала для микробиологических исследований, методам приготовления питательных сред и криоконсервации материала. В работе будет использован микробиологический инструментарий (переносной автоклав, спиртовки, бактериологические петли) , оборудование для фиксации точек отбора проб (GPS-навигатор), персональный компьютер для построения маршрута и ведения базы данных отобранных образцов.

Обязательные требования: - готовность к полевым маршрутным работам в Арктике,
- интерес к полярной микробиологии
Специализация, уровень образования: биология, экология, медицина, бакалавры 3 курс и выше, магистры, аспиранты
Необязательные требования:  опыт работы в микробиологической или "мокрой" биологической лаборатории будет преимуществом
Необходимые документы: паспорт РФ и справка из медучреждения (форма свободная)

Финансирование: проезд и проживание покрывается организаторами

После рейса возможно продолжение работы над полученными материалами в лаборатории - по договоренности с научным руководителем. Сопутствующие расходы оплачиваются студентами самостоятельно.