Цианобактерии в Уругвае: разработан экспресс-тест, позволяющий определить токсичность воды за 30 минут

Группа исследовательниц из Института биологических исследований имени Клементе Эстабле (IIBCE) совместно с коллегами из Университета Республики разработала быстрый, чувствительный и недорогой инструмент для обнаружения цианобактерий, способных вырабатывать токсины в воде, ещё до появления видимых цветений. Это достижение может стать ключевым элементом систем экологического мониторинга и раннего предупреждения в Уругвае. Работа была недавно опубликована в научном журнале Journal of Microbiological Methods под названием «LAMP-based detection of toxic Microcystis spp. as an early warning tool for water quality monitoring» и представляет метод, основанный на технике LAMP (петлевая изотермическая амплификация), который позволяет за менее чем 30 минут выявить наличие токсичных Microcystis — одного из родов цианобактерий, наиболее часто связанных со случаями загрязнения воды в стране. Цветение цианобактерий стало растущей проблемой для качества воды и общественного здоровья из-за усиления эвтрофикации и воздействия изменения климата. Одной из основных проблем является то, что используемые в настоящее время методы мониторинга, как правило, являются медленными, дорогостоящими и зависят от сложного оборудования или микроскопических наблюдений, которые не позволяют быстро определить, действительно ли присутствующие популяции являются токсичными. В связи с этой ситуацией новая разработка направлена именно на выявление тех штаммов Microcystis, которые способны продуцировать микроцистины — токсины, опасные для человека и животных, — путем амплификации гена mcyJ, генетического маркера, связанного с этой токсической способностью. Габриэла Мартинес де ла Эскалера и Каролина Крочи, две из исследовательниц, участвовавших в исследовании, объяснили газете El País, что за этим результатом «стоит долгая работа по молекулярному проектированию и оптимизации лабораторных условий». Как они пояснили, отправной точкой стало именно выявление того, что цианобактерией, наиболее часто встречающейся в таких случаях, является Microcystis, и что в рамках одного и того же цветения могут сосуществовать токсичные и нетоксичные популяции, что делает недостаточным одно лишь микроскопическое наблюдение. Поэтому они решили разработать инструмент, который был бы «более молекулярным» и позволял бы точно определять, когда имеет место реальная токсичность. Для этого они разработали различные наборы праймеров, направленных на ген mcyJ, и приступили к этапу последовательных испытаний с положительными контрольными образцами. Ученые отметили, что инициатива возникла на основе проекта под руководством Клаудии Пиччини при финансовой поддержке Национального агентства по исследованиям и инновациям (ANII), задуманного с самого начала с прикладной целью: получить конечный продукт, полезный для управления качеством воды. В этом контексте они также воспользовались знаниями, накопленными в области применения молекулярных методов во время пандемии COVID-19, когда методика LAMP приобрела широкую известность благодаря своей скорости диагностики, чтобы применить тот же принцип к обнаружению цианотоксинов. Мартинес де ла Эскалера и Крочи рассказали, что в течение нескольких месяцев они тестировали различные комбинации праймеров, концентраций ДНК, ферментных ингибиторов и условий амплификации, «пока не пришли к протоколу, обеспечивающему оптимальную работу». Затем они сравнили чувствительность новой системы с qPCR — количественной ПЦР, которую группа использует с 2013 года в качестве эталонной методики. Там они убедились, что LAMP не только был намного быстрее, но и достигал высоких уровней чувствительности и специфичности. Согласно опубликованным результатам, метод смог обнаружить ДНК токсичных Microcystis со 100% чувствительностью всего за 12–19 минут, в то время как метод боковых потоковых полос — похожий на тест на беременность — достиг самого низкого предела обнаружения, позволяя идентифицировать концентрации, эквивалентные примерно 150 токсичным клеткам на миллилитр воды. Помимо быстроты, еще одним преимуществом разработки стала простота считывания результатов. Исследователи пояснили, что они опробовали несколько систем визуализации: флуоресценцию в реальном времени, колориметрические изменения в зависимости от pH и тест-полоски. Последние оказались одной из наиболее многообещающих альтернатив, поскольку позволяют получить очень простой результат — две полоски означают положительный результат, одна — отрицательный — — без необходимости использования сложного оборудования или привлечения высокоспециализированного персонала. Как отмечали исследователи, такая простота использования открывает возможность применения метода непосредственно в полевых условиях или в лабораториях, занимающихся плановым мониторингом. Инструмент был успешно проверен на натуральных образцах из различных сред, от пресноводных водоемов до прибрежных зон, и продемонстрировал способность обнаруживать микроорганизмы даже в низких концентрациях, то есть до того, как цветение станет видимым невооруженным глазом. Именно эта возможность прогнозирования является одним из аспектов, наиболее ценимых командой, поскольку она позволит генерировать ранние предупреждения и принимать меры до того, как явление достигнет критических уровней. Исследование возглавила Клаудия Пиччини, в нем также приняли участие Паола Скавоне, Карла Крук и Анхель Сегура. В рамках IIBCE работа велась в Лаборатории водной микробной экологии и Лаборатории микробных биопленок при Центре исследований в области экологических наук (CICA). По словам исследователей, «конечной целью сейчас является вывод этой методики за пределы строго академической сферы и ее внедрение в систему государственного контроля качества воды». В связи с этим они сообщили, что уже приступили к процессу передачи технологий совместно с Министерством окружающей среды с целью подготовки технических специалистов и содействия постепенному внедрению этих методов в официальные системы мониторинга. В настоящее время, как они пояснили, «многие анализы по-прежнему зависят от микроскопического наблюдения, которое, помимо того, что является медленным, требует очень натренированного глаза и не позволяет определить, являются ли обнаруженные цианобактерии токсичными или нет». Команда надеется, что как этот новый инструмент LAMP, так и метод количественной qPCR, которым они пользуются уже много лет, смогут «быть предоставлены министерствам, муниципалитетам и органам, ответственным за управление окружающей средой, для быстрого определения наличия санитарного риска, связанного с водой».