Нейросеть научилась определять лучшие условия консервации организмов-экстремалов

Российские ученые определили самые оптимальные условия для консервации специфических микроорганизмов, способных выживать в условиях экстремально высокой солености. Авторы исследования с помощью искусственной нейронной сети нашли лучший способ сохранения таких микроорганизмов в течение долгого времени. Результаты исследования опубликованы в журнале Extremophiles. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Некоторые микроорганизмы обитают в настолько неблагоприятных условиях, что выжить в них, кажется, невозможно. Например, Halobacterium salinarum – экстремально галофильная (в дословном переводе с греческого — «любящая соль») архея, то есть одноклеточный организм без ядра и мембранных органелл, способный выживать в концентрированном растворе соли. Весьма вероятно, что галофильные археи были первыми живыми существами на Земле и со временем приобрели устойчивость не только к высокому содержанию соли, но и к высушиванию, высокой температуре, радиации и некоторым ядам. Благодаря своим уникальным свойствам галофильные бактерии и археи, попадая в организм животных, могут выполнять защитные функции. Разные группы исследователей ищут новые возможные применения галофилов в биотехнологии и промышленности (например, в производстве кормовых добавок и в биомедицине). Однако для массового применения галофильных микроорганизмов необходимо развитие технологий их высушивания и хранения. Авторы нового исследования определили, каким образом это делать лучше всего.

Реклама

«Галофильные микроорганизмы, в частности галобактерии, продолжают рассматриваться многими исследователями как возможный первый живой организм, занесенный на Землю из просторов космоса и давший, благодаря эволюционным преобразованиям, все разнообразие живых форм на нашей планете. В подтверждение данной гипотезы упоминают более высокую выживаемость клеток микроорганизмов при их высушивании и инкапсуляции, в частности, в кристаллы соли NaCl. Получение и использование высушенных клеток галобактерий дает возможность длительного хранения жизнеспособных клеток, обладающих всеми ценными свойствами, характерными для живой материи вообще», — рассказал Дмитрий Складнев, один из авторов работы, заведующий лабораторией выживаемости микроорганизмов Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН.

Существует два способа высушивания галофильных микроорганизмов: распылительная сушка и лиофилизация. В первом случае раствор с организмами распыляют в поток горячего воздуха, в результате жидкость удаляется и остаются только сухие твердые частицы. При лиофилизации вещество сначала замораживается, а затем помещается в вакуумную камеру. Качество консервации зависит не только от того, каким методом ее проводят, но и от конкретных условий эксперимента: температуры, давления и так далее. Ученые из Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева совместно с коллегами из Института биохимии и физиологии микроорганизмов имени Г.К. Скрябина, Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова, Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН и Института микробиологии имени С.Н. Виноградского РАН определили, какие условия консервации подходят лучше всего.

В качестве индикаторов сохранности компонентов биомассы ученые использовали каротиноиды – аналоги природного пигмента моркови каротина, которые выполняют в галофилах защитную функцию. Для подбора лучших параметров консервации ученые применили модель искусственной нейронной сети. Она способна обучаться на примере различных условий и различных исходов эксперимента, а затем предсказывать результат для любых заданных входных параметров. Исследователи использовали метод распылительной сушки для нескольких образцов биомассы с Halobacterium salinarum, каждый раз изменяя один или несколько параметров: температуру воздушной струи, высушивающей препарат, ее интенсивность и скорость, а также интенсивность распыления биомассы. Эти параметры затем использовались в качестве «входных нейронов» нейросети. «Выходными нейронами» стала концентрация каротиноидов через 4, 6 и 12 месяцев после эксперимента. В результате нейронная сеть подобрала оптимальные параметры распылительной сушки, при которых сохранность каротиноидов максимальная, а повреждения микроорганизмов – минимальные.

«В настоящей работе оптимизировались практически значимые режимы распылительной сушки галобактерий и исследовались характеристики высушенной биомассы в процессе длительного хранения. Определение в лабораторных условиях параметров распылительной сушки галофильных микроорганизмов позволит в дальнейшем экстраполировать полученные данные для применения в промышленных масштабах», — пояснил Сергей Каленов, еще один автор исследования, доцент кафедры биотехнологии РХТУ имени Д.И. Менделеева.

В экспериментах клетки микроорганизмов высушивались, «прячась» в кристаллы соли. В дальнейших исследованиях ученые планируют провести аналогичные эксперименты с использованием органических протекторов, например, полисахаридов.

«Галобактерии используют в качестве источника углерода только аминокислоты. Это значит, что углеводы и полисахариды не потребляются и могут служить протекторами при распылительной сушке. Такой процесс интересно было бы исследовать. Снижение стоимости биотехнологического сырья и возможный протекторный эффект полисахаридов при распылительной сушке может дать значимый экономический эффект», — добавил Сергей Каленов.