Микробиом Третьяковки

Микробы – наши соседи. Они есть везде; где бы ни жил человек, вокруг него обязательно существует сообщество микроскопических организмов. Такие сообщества – микробиомы – давно и всерьез изучаются. Интересно всё: микробиом человеческого кишечника и йогурта, операционных и яслей, почвы, вулканических озёр, океанов, космических аппаратов, библиотек, музеев… Несколько лет назад группу ученых из ФИЦ Биотехнологии РАН пригласили провести такую работу в Третьяковской галерее.

Александр Жгун, ФИЦ Биотехнологии РАН

С точки зрения науки микробиом Третьяковки – сообщество уникальное. На планете не так много мест, где десятилетиями не меняются ни температура, ни количество влаги в воздухе. За старым зданием в Лаврушинском переулке следят и люди, и роботы. В каждом зале галереи работает самописец, фиксирующий температуру и влажность; в музее всегда прохладно, 19-22 градуса, и сухо (55% влажности). Поэтому исследователи были готовы к встрече с ксерофилами – организмами-экстремалами, которые отлично чувствуют себя почти без воды.

«В Третьяковской галерее за состоянием экспонатов внимательно следят. Но такие возможности для обеспечения музейного климата, постоянного контроля со стороны хранителя и реставратора есть далеко не везде. Микробиологическое исследование позволит использовать современные средства и методики для предотвращения микробиологических поражений. Это может стать важным подспорьем для многих отечественных музеев».

Татьяна Городкова, главный хранитель Государственной Третьяковской галереи.

«В первый раз мы пришли искать музейных микроскопических обитателей в обычный день, – вспоминает Александр Жгун, руководитель группы генетической инженерии грибов ФИЦ Биотехнологии РАН. – Вместе с посетителями мы ходили по залам, но вели себя, наверное, странно для стороннего наблюдателя. Мы не любовались большими полотнами издалека – наоборот, подходили вплотную, разглядывали и холсты, и рамы. Мы искали видимые следы микробиологического поражения».

Видимых следов, к счастью, не обнаружилось, и в следующий раз ученые пришли уже в понедельник – день, когда музей закрыт для посетителей, и с экспонатами работают хранители, реставраторы – все службы, следящие за состоянием коллекции. Первым делом хранители пригласили ученых в зал экспозиции древнерусского искусства. Состояние выставленных там икон не вызывает опасений, однако в музее давно было известно о проблемах, связанных с архитектурными особенностями внешней стены зала. Кроме того, данные мониторинга подсказывали, что нужно изучить микробиом помещения.

«Брать пробы с таких ценных и древних предметов, как иконы, оказалось сложнее, чем мы думали, – рассказывает Жгун, – хранители – у каждой иконы свой – поначалу не доверяли нам и следили за каждым шагом. Мы работали в перчатках и халатах, нас постоянно просили не давить на полотно слишком сильно. Более того, хранители напомнили, чтобы мы не поворачивались к иконам спиной – „это считается дурным тоном“. Первым произведением, с которого сняли пробы, стала „Церковь Воинствующая“ – огромная (почти четыре метра в длину и полтора в высоту) икона, изображающая триумфальное шествие войска Ивана Грозного под предводительством ангелов и святых.

Участки сбора проб с иконы «Благословенно воинство небесного царя...» («Церковь воинствующая»), 1550-е гг.Александр Жгун, ФИЦ Биотехнологии РАН

Опасное соседство

Отобрав первые пробы, ученые высеяли их в лаборатории, чтобы вырастить и рассмотреть обитающие на поверхности икон микроорганизмы. Иконы тем временем сняли с демонстрационных щитов и увезли в хранилище. Под щитами, на стенах и под высоким потолком музейных залов показались сообщества плесневых грибов и бактерий, видимые невооруженному глазу. «Эта проблема периодически возникает даже в лучших музеях мира, – объясняет Александр Жгун. – Как бы тщательно ни охранялось помещение, всегда есть факторы, которые невозможно учесть».

В Третьяковке этим фактором стало историческое здание музея, не рассчитанное на современные технологии хранения предметов искусства. Исправить некоторые недостатки сейчас невозможно, – нельзя же, в самом деле, закрыть вентфасадом крыльцо, построенное по проекту Васнецова. А без вентиляционных панелей точка росы – место, где создаются условия для конденсации атмосферной влаги – может оказаться внутри и на внутренней стороне стен; особенно опасны холодные зимы. Для микроорганизмов, привыкших выживать в сухом воздухе, смещение точки росы дает толчок к развитию: впервые, может быть, за десятки лет они получают влагу и начинают размножаться.

Сделав посевы, учёные снова отправились в Лаврушинский переулок, чтобы изучить микробиом уже не икон, а самого зала, от пола до потолка. «Если пробы, которые мы брали с самих икон, были не видны – ватки оставались белыми – то на этот раз мы обнаружили целую радугу», – рассказывает научный сотрудник группы генетической инженерии грибов Дарья Авданина. Из-под щитов, из трещин в потолке, со стен ученые сняли черную, розовую, серую плесень.

В лаборатории микроскопических «гостей» Третьяковки вырастили в чашках Петри и изучили: рассмотрели под электронным микроскопом, расшифровали ДНК. «Генетические исследования бывают разные, – объясняет Александр Жгун, – можно размножить ДНК микроорганизмов из пробы с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) и прочитать генетическую информацию. Однако четкое прочтение возможно только тогда, когда в исходной пробе есть всего один доминантный микроорганизм. В результате ученые получили представление о доминирующих представителях микробиома залов живописи Древней Руси Третьяковской галереи – их оказалось чуть больше десятка.

Второй подход – метагеномное исследование – позволяет заметить ДНК даже тех видов, которых в пробе было совсем немного, считанные доли процентов от общего числа. Такой анализ дал представление обо всем разнообразии микробиома залов живописи Древней Руси Третьяковки, показав, что на иконах и вокруг них обитает около 700 видов бактерий и 300 видов грибов. Один из них и вовсе не нашелся ни в одной базе данных. Ученые планируют зарегистрировать новый вид под именем Ulocladium tretiakovium – в честь галереи и ее основателя.

Теперь ученым предстояло ответить на главный вопрос: какие из музейных грибов способны не просто жить рядом с иконами, но и нанести им ущерб.

Слоеный пирог

«Реставраторы Третьяковской галереи сделали для нас огромный макет на основе липовой доски с 20-ю образцами основных материалов, которые можно найти на иконах. В лаборатории доску назвали, в подражание „Черному квадрату“ Малевича, „Двадцатью квадратами Шитова“ – по фамилии заведующего отделом реставрации темперной живописи», – рассказывает Дарья.

Для чего целых двадцать квадратов? Важно понимать, что древнерусские иконы, произведения темперной живописи – устроены как «слоеный пирог». В основе – деревянная доска, на которую наклеена ткань — «паволока», сверху нанесен грунт (в иконописи называющийся «левкас»), состоящий из животного клея и мела или гипса. В классической иконописи живопись выполнялась яичной темперой — перетертыми натуральными пигментами и яичным желтком. Сверху икону покрывали олифой.

За прошедшие века реставраторы добавляли «пирогу» ингредиентов – и красок, и адгезивов, которыми «лечат» отслоение грунта, и консервационных материалов – ими закалывают трещины (кракелюры). Биологам надо было выяснить, на каких материалах способны жить и размножаться найденные в Третьяковке организмы.

Результаты этих поисков сейчас хранятся в запечатанных чашках Петри. На небольших фрагментах «Двадцати квадратов» белеют, чернеют, зеленеют звездочки – островки плесени. Оказалось, что при определенных условиях микробиом Третьяковки потенциально способен расти почти на всех материалах, которые используются в иконописи и реставрации. Не поддались некоторым видам плесени только лаки, а больше всего грибам пришлись по вкусу темперные краски, по старинному рецепту замешанные на яичном желтке. Фрагменты доски с такими красками плесень разъела до неузнаваемости.

Плесневые грибы – враги предметов старины, но при правильном обращении могут быть и полезными. Те грибы, которые научились питаться средневековой темперой, можно – по крайней мере в теории – использовать для синтеза лекарств. По словам молекулярного биолога Марка Потапова, ученика Александра Жгуна, грибы, которые питаются темперой, должны быть способны метаболизировать холестерин – им богаты яичные желтки, на котором иконописцы замешивали свои краски. Поэтому эти грибы можно использовать для важных стадий получения стероидных препаратов. Сейчас группа Александра Жгуна работает над исследованием метаболизма «иконных» грибов – возможно, когда-нибудь с их помощью заработают новые фабрики по производству лекарств.

А можно спиртом протереть?

«Эффективнее всего с микробиологическими поражениями борются самые простые вещества – такие, как этиловый спирт, – объясняет Александр Жгун, – Но ведь смазать икону спиртом совершенно невозможно, это разрушит защитное покрытие и краски! С таким же успехом можно бороться с сорняками с помощью пожаров». Перед молекулярными биологами возникла задача найти молекулу, которая способна убивать микроорганизмы и не воздействовать на неживое (материалы, из которых созданы иконы). Кроме того, формула должна быть безопасной для посетителей галереи и для реставраторов. Варианты таких соединений предложили четыре научных коллектива ФИЦ Биотехнологии РАН и ИМБ РАН; предполагалось, что все они не имеют поверхностно-активного действия и не способны повредить краски, клеи, лаки и пластификаторы.

Александр Жгун сравнивает процесс поиска антисептика для икон с клиническими испытаниями новых лекарств: «В медицине испытания сначала проводят в лаборатории, потом – на животных, и только потом – на людях. Так и мы сначала протестировали антисептики на стандартных микробиологических средах, затем на макетах с образцами материалов, и только потом – на настоящих иконах».

После лабораторных испытаний был выбран препарат на основе модифицированного нуклеозида. Первыми «пациентами» стали две работы из запасников Третьяковской галереи – «Пророк Соломон» и «Сошествие во Ад». Как и в клинических исследованиях, параллельно использовали плацебо: пораженные микроорганизмами фрагменты икон разделили на части, одну проблемную зону обработали водой, а другую – экспериментальным средством. По словам Александра Жгуна, ожидание результатов может занять от полутора до трех лет.

А пока новое «лекарство» проходит испытания на «Сошествии во Ад», ученые продолжают работу – снова выращивают и учатся убивать микроорганизмы – но уже на масляных красках. Теперь их задача – навсегда защитить от плесени многострадальную картину Репина «Иван Грозный и сын его Иван».

«Двадцать квадратов Шитова» – макет для исследования роста плесневых грибов на материалах древних икон

Александр Жгун, ФИЦ Биотехнологии РАН

Клей для Ивана Грозного

Знаменитому полотну Ильи Репина, на котором царь Иван Грозный обнимает убиенного царевича, крепко досталось в 2018 году. На картину напал вандал. Посетитель схватил массивный металлический столбик ограждения и несколько раз ударил им картину. «Ивана Грозного» увезли в реставрационную мастерскую, где он находится до сих пор.

К реставрации решили подойти комплексно: не только подклеить порванный холст, но и вылечить «хроническую болезнь» этой картины, ослабленную связь грунта с красочным слоем. С самим холстом тоже возникли проблемы. Сто лет назад, в 1913 году, на «Ивана Грозного» напали в первый раз – тогда на картину бросился с ножом другой посетитель. В тот раз в реставрации участвовал сам Репин, и с живописной частью проблем не возникло. Но художник пользовался технологиями и материалами своего времени: авторский холст был дублирован на новый с использованием глютинового клея. Спустя годы это повлияло на сохранность произведения, и сегодня добавило реставраторам проблем.

На помощь реставраторам пришли физики из МФТИ и молекулярные биологи из группы Александра Жгуна. Физики занялись проверкой реставрационных материалов на прочность, клейкость и тому подобное. Молекулярным биологам же предстояло убедиться в том, что материалы, которые выберут для реставрации, будут защищены от любых микробиологических поражений. «В галерее за картиной следят, – объясняет Александр Жгун, – но бывают разные обстоятельства. Мы хотим убедиться в том, что материалы, которыми реставрируют картину, будут максимально устойчивы к любому микробиологическому поражению».

Александр Жгун, ФИЦ Биотехнологии РАН, Государственная Третьяковская галерея

Убийственный коктейль

В ход снова пошли образцы красок – на этот раз масляных, которыми написан «Иван Грозный». Поначалу организмы, собранные в галерее, упорно отказывались расти на красках. «Реставраторы Третьяковской галереи по нашей просьбе сделали макеты с художественно-реставрационными материалами по принципу „слоёного пирога“: холст, грунт из свинцовых белил на осетровом клее, пигмент сиена жжёная — основная коричневая краска художников XIX века, и клей сверху. Испытывали клеи как природного происхождения, так и современного синтетического», – поясняет студентка-практикантка исследовательской группы Вера Кукушкина.

«Мы поняли, что поодиночке, в чистых культурах, ни один гриб не в состоянии питаться масляными красками – объясняет Дарья Авданина. – Поэтому мы создали композиции микробиомов. В них вошли несколько десятков грибов и бактерий, ранее отобранных в Третьяковке. Благодаря использованию таких смешанных культур мы смогли понять, на каких материалах – в первую очередь, клеях – эти коктейли грибов будут расти хуже всего.

«Не стоит думать, что мы изобрели „биологическое оружие“ против Третьяковской галереи, – смеётся Александр Жгун. – Но мы вывели коктейли из микроорганизмов, которые сообща способны заселить недоступный им поодиночке субстрат – произведение масляной живописи. Имея такой потенциально опасный для экспонатов коктейль из местных микробов, мы можем заранее создать против него антисептик».

Совместив свои результаты с результатами физиков, ученые определили лучшие кандидатуры – самый прочный и самый устойчивый к плесени адгезив. Реставраторы возьмут полученные данные на вооружение, и картину реставрируют с применением современного клеящего состава.

Вероятно, в качестве дополнительной защиты в клей введут антисептик, который до этого разработали для икон – сейчас группа Александра Жгуна готовится к новым тестам. «Подобрать такой антисептик крайне трудно, – говорит Александр – Микробиологическое сообщество может проявлять коллективную устойчивость к антисептикам. Одни организмы защищаются от одного соединения, другие — от другого. Чтобы победить целое сообщество микроорганизмов, нужен коктейль веществ, который не оставит грибам и бактериям ни единого шанса».

Александр Жгун, ФИЦ Биотехнологии РАН