LZA korespondētājloceklis ALEKSANDRS RAPOPORTS,
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas institūta Šūnu bioloģijas laboratorijas vadītājs

Anabioze, apturēta dzīvība... un modernās biotehnoloģijas

Aleksandrs Rapoports dzimis Rīgā 1946. gadā, pabeidzis Latvijas Universitātes Bioloģijas fakultāti 1969. gadā un iestājies aspirantūrā LZA A.Kirhenšteina Mikrobioloģijas institūtā, no kura tika nosūtīts izstrādāt disertācijas darbu uz PSRS ZA Molekulāras bioloģijas institūtu un Mikrobioloģijas institūtu Maskavā. Bioloģijas zinātņu kandidāta grādu saņēmis, aizstāvot disertāciju LZA Padomē Rīgā 1974. gadā, bet 1988.gadā PSRS ZA Mikrobioloģijas institūtā aizstāvējis bioloģijas zinātņu doktora disertāciju. 1992. gadā LZP piešķīra A.Rapoportam habilitēta bioloģijas doktora grādu. 1993. gadā viņš tika ievēlēts par LZA korespondētājlocekli.

A.Rapoporta zinātniskā grupa strādā mikroorganismu citoloģijas, fizioloģijas, bioķīmijas un biotehnoloģijas virzienā, kā galveno modeļorganismu izmantojot raugu. Viena no A.Rapoporta laboratorijas pamattēmām ir saistīta ar anabiozes pētījumiem. Anabioze – tā ir “apstādināta” dzīvība, stāvoklis kad dzīviem organismiem ir atgrieziniski apturēts metabolisms, kurā viņi var atrasties neierobežoti ilgu laiku un pēc kura tiem atkal var atjaunoties aktīvie dzīvības procesi. Anabioze – tā ir dzīvās dabas parādība, kuras izzināšana zinātnieku – dabaspētnieku prātus vilina jau vairāk par trīm gadsimtiem un kura arī vēl šodien slēpj sevī ne mazumu mīklu.

Anabiozes pētīšanas vēsture sākās 1701. gada 1. septembrī. Tajā dienā izcilais holandiešu pētnieks Antonijs van Lēvenhuks vienā no saviem mikroskopiem aplūkoja sausas smiltis, kuras viņš bija paņēmis no savas mājas jumta un uzpilinājis tām ūdeni. Šajā preparātā viņš pavisam negaidīti ieraudzīja mīlzīgu daudzumu mikroskopisku dzīvu būtņu (tās bija rotatorijas). Tad pilnīgi sausas smiltis no jumta viņš ievīstīja papīrā un uzglabāja 21 mēnesi. Pēc šādas glabāšanas viņš atkal uzpilināja smiltīm ūdeni un atkal ieraudzīja savā mikroskopā dzīvus organismus. Tā tika atklāta anabioze. Neskatoties uz to, ka anabiozes pētījumu vēsture ilgst jau vairāk par 300 gadiem, tikai 20. gadsimta otrajā pusē, pateicoties modernās bioloģijas sasniegumiem, sākās reāla anabiozes mehānismu izprašana. Tieši 20. gs. 50. gados sākās anabiozes pētīšanas “Latvijas posms”. Šajā laikā akadēmiķis Mārtiņš Beķers, būdams vēl Latvijas Lauksaimniecības akadēmijas students, nolēma savu diplomdarbu veltīt maizes rauga kaltēšanai. No tā laika Rīga kļuva par vienu no anabiozes pētījumu galvenajiem pasaules centriem. Neskatoties uz pašreizējām grūtībām zinātnes finansēšanā, Rīga arī tagad paliek līderpozīcijās pasaulē anabiozes pētījumu virzienā. A.Rapoporta vadītās zinātniskās grupas pētījumos iegūtie rezultāti dod iespēju ne tikai labāk izprast šo ārkārtīgi interesanto dabas parādību, bet arī atklāt galvenos iekššūnas reakciju mehānismus nelabvēlīgos apkārtējās vides apstākļos. A.Rapoporta zinātniskā grupa pirmā pasaulē parādīja, kā elektronmikroskopā izskatās raugu šūnas anabiozes stāvoklī. Tika atklāts arī, kādēļ eikariotiskai šūnai ir “vajadzīgas” mazās invaginācijas uz bioloģisko membrānu virsmām. Tika parādīts, ka šūnās, pārejot anabiozes stāvoklī dehidratācijas rezultātā, stipri izmainās strukturāli un funkcionāli visas iekššūnu organellas. Galvenās strukturālās un funkcionālās izmaiņas tika atklātas raugu šūnas sienai, plazmas membrānai, mitohondrijiem, vakuolām, lizosomālajam aparātam un kodolam. Veiktie eksperimenti parādīja, ka galvenie faktori, kas ietekmē šūnu rezistenci pret dehidratāciju ir: iekššūnas nukleīnskābju stabilitātes līmenis, šūnas dzīves cikla stadija, šūnas spēja saglabāt intracelulāro membrānu molekulārās organizācijas integritāti un spēju “ieslēgt” kompleksu aizsargreakciju kopumu agrīnās dehidratācijas stadijās. Tāpat tika atklāta vesela rinda agrāk nezināmu aizsargreakciju eikariotiskos organismos ekstrēmos apkārtējās vides apstākļos – šūnu spēja limitēt neatgriezeniski bojātos citoplazmas reģionus, ar kodola membrānas palīdzību atdalīt hromatīnu saturošās kodola daļas, hromatīna kondensācija u.c.

Pētnieku grupa atrada iespēju, kā palielināt raugu šūnu rezistenci pret dehidratāciju, izmantojot speciālu priekšapstrādi ar osmotisko spiedienu. Tika konstatēts, ka šajos apstākļos notiek iekššūnas membrānas stabilizācija. Pirmo reizi tika parādīts, ka osmotolerantie un termorezistentie raugi ir ekstremāli rezistenti pret dehidratāciju – rehidratāciju un var tikt izmantoti kā jauni, ļoti interesanti objekti tālākajiem anhidrobiozes pētījumiem. Atklāts, ka šo raugu membrānas atšķiras no tradicionālo maizes raugu – tām ir ļoti zema lipīdu fāzes pārejas temperatūra. Tika noskaidrots, ka spēja producēt ksilītu korelē ar šūnu rezistenci pret dehidratāciju. Pētnieku ierosināta hipotēze, ka gadījumos kad šūna nespēj sintezēt trehalozi, to spēj aizvietot ksilīts un tādējādi aizsargāt šūnas membrānu molekulāro organizāciju. Gadījumos, kad trehaloze sintezējas, ksilīts var kalpot kā papildus aizsargsavienojums, kas stabilizē un aizsargā proteīnus un/ vai nukleīnskābes.

Tajā pašā laikā veiktajos eksperimentos atklājas arī, ka dažas iekššūnu izmaiņas var ievērojami ietekmēt šūnu tālāko fizioloģisko aktivitāti un daudzos gadījumos var būt mūsdienu biotehnoloģijas interešu lokā. Jaunas interesantas iespējas modernām biotehnoloģijām var tikt atklātas visos 3 dehidratācijas–rehidratācijas etapos (dehidratācijas, rehidratācijas un reaktivācijas laikā). Izpētīts, ka raugu dehidratācija noteiktos apstākļos var ievērojami palielināt atsevišķu metabolītu sintēzi, kuri vēlāk var tikt izdalīti no biomasas. Papildus tam var tikt inducēta tikai stresa apstākļiem raksturīgu metabolītu sintēze.

Vēl viena interesanta iespēja ir joprojām vēl ne līdz galam izpētītais “aktivācijas fenomens” raugu šūnās dehidratācijas–rehidratācijas procesā. Šī fenomena rezultātā fermentācijas laikā var tikt inducēta dažu metabolītu stipri palielināta sinteze šūnu kultūrās, kuras iesētas, kā inokulumu izmantojot sausos “aktivētos” raugus. Intracelulāro membrānu molekulārās organizācijas un izmaiņu pētījumi parādīja iespējas, kā var dažādi manipulēt ar to stāvokli, piemēram, palielinot vai samazinot to caurlaidību atkarībā no biotehnoloģiskā procesa vajadzībām. Raugu šūnas sienas strukturālās un funkcionālās izmaiņas arī var tikt izmantotas biotehnoloģijā. Viens no iespējamajiem pielietojumiem ir raugu šūnu, kuras pakļautas specifiskām iedarbībām, izmantošana apkārtējās vides attīrīšanai no smagajiem metāliem. Uz iegūto zināšanu bāzes ir izstrādāta pilnīgi jauna un lēta metode mikroorganismu imobilizācijai, ko var izmantot dažādos biotehnoloģiskajos procesos, ieskaitot bioetanola produkcijā. Pirmo reizi ir parādīta iespēja iegūt aktīvu sausu raugu preparātus no anaerobi audzētām šūnām, kas ir ļoti nozīmīgi vīna, alus un etanola ražošanas industrijai. Visi šie piemēri parāda jaunas interesantas iespējas biotehnoloģijā, kas var tikt atklātas, pētot dažādu stresu ietekmi uz raugu šūnām.

Aleksandrs Rapoports ir autors vairāk kā 200 publikācijām, ieskaitot 5 grāmatas (kā autors un līdzautors) latviešu, angļu un krievu valodā, 5 patentiem un 73 rakstiem starptautiski citējamos izdevumos. A.Rapoporta vadībā ir izstrādāti un aizstāvēti vairāki bakalaura darbi, ap 30 maģistra darbu (šogad viņa vadībā maģistra darbu izstrādāja arī studente no Italijas, Perudžijas Universitātes) un 2 doktora disertācijas, Arī šogad tiek plānota 1 disertācijas aizstāvēšana, bet nākamgad tiks aizstāvētas vēl 2 doktora disertācijas. A. Rapoports ir daudzu starptautisku mikrobioloģijas un biotehnoloģijas žurnālu redkolēģijas loceklis. Viņš ir Latvijas pārstāvis Eiropas Mikrobioloģijas Biedrību Federācijā (FEMS), Starptautiskajā Raugu Komisijā (ICY) un Amerikas Mikrobioloģijas Biedrības Vēstnieks Latvijā (ASM Ambassador fot Latvia).