Микробиология Третьяковской галереи

Как защитить шедевры живописи от микроорганизмов и какие этапы включают «клинические испытания» антисептика для иконы, рассказывает Александр Жгун.


Александр Жгун — руководитель группы генетической инженерии грибов ФИЦ Биотехнологии РАН. Мы на «ты», потому что когда-то учились в одной группе на кафедре молекулярной биологии биофака МГУ.

Кто ест темперу

Саша, как вы начали сотрудничество с Третьяковской галереей? Был какой-то грант?

Да, был грант РФФИ, крупный междисциплинарный проект «офи-м». Там участвовали МФТИ и Третьяковская галерея как организации. Также были приглашены сотрудники нашей группы генетической инженерии грибов из ФИЦ биотехнологии РАН. История началась в 2017 году и продолжалась четыре года.

Изначально на Ученом совете в Третьяковской галерее нам для изучения предложили ряд проблемных объектов. Задача была связана с определением микроорганизмов, которые потенциально опасны для произведений живописи. Мы отобрали пробы в залах древнерусского искусства, где хранятся исторические православные иконы. С потолков, кабель-каналов, темперной поверхности икон.

Насчет темперы сразу поясним: чем она отличается от живописи маслом? В плане питательности.

Да, это другая технология. Почему она для микроорганизмов очень вкусная — раньше в качестве связующего для темперных красок использовали яичный желток, к которому добавляли пигмент. Допустим, сульфид ртути, киноварь — будет красная краска, Fe3O4 — желтоватая охра, кость жженая тертая — получается черная. То есть какие-то металлы, минералы или органические вещества, как кость, но связующее — это яйцо. Все необходимые питательные элементы для развития микроорганизмов там присутствуют. И если имеется необходимая влажность, то некоторые организмы могут расти на таких красках.

А тяжелые металлы для них не токсичны?

Это мы немного вперед зашли, но ладно. В Третьяковской галереи коллеги-реставраторы сделали для нашей совместной работы макеты с материалами, используемыми в темперной живописи. Там сначала доска, после этого паволока — ткань, пропитанная рыбьим клеем или осетровым. Затем наносили грунт — левкас, клей с мелом, а потом уже наносили различные темперные краски. Это как слоеный пирог. А сверху еще и лак наносится, но и лак некоторые микроорганизмы могут кушать. Оказалось, что многие микроорганизмы могут быстро разрушать краски с пигментами на основе тяжелых металлов, например, соли ртути, — киноварь. Причем токсичности от добавления ртути в используемых для приготовления киновари концентрациях не наблюдали по сравнению с другими пигментами, без тяжелых металлов.

Фото из личного архива А.Жгуна

Ясно, спасибо. Давай теперь вернемся к пробам.

С разрешения главного хранителя музейных ценностей Государственной Третьяковской галереи мы в феврале 2018 года отобрали более ста проб в залах древнерусской живописи основного исторического здания — Лаврушинский переулок, 10. Пробы отбирали как с самих экспонатов, так и с разнообразных поверхностей в залах — со стен, опорных балок, демонстрационных щитов, потолков, кабель-каналов. В частности, в зале 61, после переноса экспонатов и демонтажа демонстрационных щитов, на стенах и деревянных балках обнаружили значительные очаги биопоражения. Помещение обработали, два года выдерживали на карантине, затем снова открыли для экспозиции. На самих произведениях искусства не было видимых глазом следов биопоражения.

А что за произведения в зале 61?

Одно из них — икона «Церковь воинствующая». Она раньше находилась в Успенском соборе Кремля, там, где происходила коронация. Ее заказал написать Иван Грозный после взятия Казани. Это многофигурная композиция, ее площадь — почти шесть квадратных метров. После революции эту икону перевезли в Третьяковскую галерею. 

 

Мы отобрали 36 образцов с иконы «Церковь Воинствующая», из них 20 – с темперной поверхности и 10 — с боков и задней поверхности. Кроме того, отобрали образцы с бюстового фрагмента статуи Святого Великомученика Георгия Победоносца и с иконы «Св. Великомученик Димитрий Солунский». В зале 61 также взяли пробы с демонстрационных щитов, на которых крепились экспонаты, с потолка, перекрытий стен и балок, кабель-каналов. В залах 56 и 57 — со стен и подоконников. Затем сделали метагеномное секвенирование и расшифровали сообщества.

Какие микроорганизмы были в залах? Грибки или бактерии тоже?

Там оказалось несколько видов аспергилл, кладоспор из класса дотидеомицеты, также представителей класса сордариомицетов — в общем, различные микроскопические грибы, которые, как мы потом увидели, могут разрушать живописные материалы. И в том числе они активнее работают в сообществе с разными бактериями. Всего по этим залам мы определили примерно 300 видов различных видов грибов и 700 видов бактерий.

Музейные инфекции

Как в определенной больнице есть своя больничная инфекция — пациенты туда попадают и могут дополнительно заразиться. После этого все обрабатывают антисептиками, но проходит год-другой, и в больнице опять всплывает эта инфекция, — осталась в каких-то маленьких резервуарах. Так и в музеях есть «музейные инфекции». Что такое историческое здание в Лаврушинском переулке? С середины XIX века там находятся экспонаты произведений живописи. На них и на материалы самого здания действуют, как правило, два процесса. С одной стороны, консервация — соблюдение температурно-влажностного режима, освещенности, удаление пыли. А с другой стороны — реставрация. Под прессингом этих двух факторов происходит селекция микроорганизмов. В первую очередь, могут отбираться так называемые ксерофильные грибы, которые способны жить при повышенной сухости. Прошел посетитель, дыхнул, и им этого хватило, чтобы немного продержаться. Считается, что большинство микроорганизмов не может жить при влажности ниже 85% — относительной влажности, которая зависит от температуры. Так вот, эти ксерофильные организмы могут жить даже при влажности 65% и немного ниже.

Как с икон отбираются пробы? Берут мазки?

Используют неразрушающий метод отбора сухим ватным тампоном. Потом этот тампон помещается в эппендорф со специальной жидкой средой, которая называется MRD. Суть в том, чтобы не было дисбаланса, когда одни организмы начинают расти на питательной среде, а другие нет. Это важно, чтобы мы могли затем при метагеномном секвенировании определить максимально неизмененную по процентному составу изначальную экологическую ДНК. Также, чтобы получить соответствующие культуры, аликвоты проб в MRD высевали на стандартные питательные пробы. Однако многие организмы не культивируются на стандартных микробиологических средах. Поэтому для метагеномного секвенирования мы брали как исходные пробы, так и полученные на их основе культуры. И сравнивали полученные данные между собой.

И так вылавливаете некультивируемые микроорганизмы, которые там есть, но не желают расти на средах?

Ну, они не могут расти на стандартных средах. В конце концов из некультивируемых они могут стать культивируемыми, если подбирают подходящие среды. Для них, например, оптимальная среда — иконы, их различные компоненты. Либо макеты, которые нам сделали в мастерской реставрации темперной живописи — доска, паволока, левкас, пластификаторы (вещества, которые придают краске эластичность, чтобы она не трескалась, например, мед. — ЕК), различного цвета темперные краски. Набор лаков, клеев, с добавлением антисептика или без. На следующем этапе получили тест-культуры и инокулировали их на эти макеты, смотрели уровень деструкции.

Как можно секвенировать экологическую ДНК?

Зависит от количества исходного материала. Можно делать полногеномное секвенирование либо определять отдельные характерные районы ДНК, принятые для так называемого штрихкодирования (или баркодирования) организмов, что мы и делали.

А если определяли микроорганизмы по баркодам, то какие баркоды выбирали?

Мы секвенировали одни из наиболее принятых для генотипирования микроорганизмов участки, гипервариабельные районы рибосомной ДНК, — ITS районы для грибов и V3/V4 районы для прокариот. Изначально крайне мало биологического материала, если проба для секвенирования отбирается ватным тампоном из области иконы, без видимого глазом биопоражения. В таких случаях невозможно сделать полногеномное секвенирование, только баркоды. И выбирать их нужно среди тех генов, у которых повышенная доза в геноме, — в рибосомной или митохондриальной ДНК. Когда нужно было определить культуру до вида, использовали дополнительные видоспецифические маркеры. При малых количествах материала нужна чувствительная полимераза, способная вытягивать фрагмент при его изначально малом количестве у различных микроорганизмов в образце. Мы использовали KAPA HiFi фирмы Roche. Конечно, если вы делаете 40 циклов ПЦР, вы что угодно вытащите, и фон сможете вытащить, но с каждым циклом у вас искажается состав микробиома. Тех, кого много, становится еще больше, тех, кого меньше, можно вообще не увидеть. Поэтому мы старались все вытянуть за 25 циклов.

В итоге как получилось с культивированием?

Получилось, что подавляющее большинство все-таки можно культивировать. Мы не брали образцы из слоев, из толщи икон и материалов залов, но процессы деструкции идут там, где появляется вода, а она, как правило, проникает снаружи, с поверхности произведения искусства. Также получили коллекцию смешанных культур. Наиболее интересные для нас выделили в чистые линии, задепонировали в GenBank. В дальнейшем использовали такие штаммы как тест-культуры. Определили, кто из них за что отвечает, какую проявляет энзиматическую активность. В результате получили стандартную панель из 12–15 доминантных грибов, которые перекрывали практически все типы деструкции изученных живописных материалов. Эту панель мы убивали.

То есть у них общий метаболизм, все сообщество может жить на картине или иконе, потому что они совместно проводят цепочки реакций, и чтобы им кислород перекрыть, надо воздействовать на какое-то звено этих цепочек?

Кислород перекрыть — это фигурально, потому что мы в основном с аэробами имели дело. Собственно говоря, у них получается более эффективная деструкция, когда они в сообществе, но материалы темперной живописи такие питательные, что большинство грибов могут их индивидуально разрушать.

Клей для «Ивана Грозного» и антибиотик для икон

Потом мы стали работать с адгезивными материалами для картины Репина «Иван Грозный и его сын Иван». Там была проблема — отслаивалось полотно. Когда было второе покушение, поняли, что невозможно так оставлять. И был вопрос: чем склеить. Физики тестировали физические свойства различных адгезивов, то есть клеев, а мы эти клеи охарактеризовали с точки зрения микробиологического поражения. Для этого в реставрационной мастерской масляной живописи для нас сделали макеты с различными адгезивными материалами. Отдельные микроорганизмы не могли на них эффективно расти. Тогда мы взяли из нашей лабораторной коллекции культур, выделенных в Третьяковской галере, многочисленные штаммы и стали делать маленькую эволюцию. Делали смеси бактерий и грибов и на контрольных макетах вывели те консорциумы, сообщества микроорганизмов, которые смогли расти на этих адгезивных материалах. Полученные таким способом смешанные культуры использовали в качестве тест-культур чтобы мерить степень биозащитных свойств адгезивов. Также сделали искусственное старение макетов в специальной камере — «промотали» время на 50 лет вперед. Нужно понимать, что станет в будущем с материалами, какие произойдут физические и химические изменения. Для этого есть определенные процедуры, например, температурно-влажностное старение или световое, или и то, и другое.

И выбирали, что микроорганизмы будут наименее охотно есть через 50 лет?

Да. Коллеги из отдела реставрации масляной живописи в Третьяковской галерее изготовили для нас 12 типов макетов с адгезивами, в результате мы количественно сравнили как будут через 50 лет отличаться биозащитные свойства этих материалов.

Реставраторы «Ивана Грозного» все это учитывали, когда выбирали адгезив?

Да. В Третьяковской галерее этим занимался отдел под руководством заведующего научной реставрации масляной живописи Андрея Голубейко и многочисленные научные сотрудники Третьяковской галереи. Изначально у них был свои предпочтения, также все наработки, которые мы дали, они учли для окончательного выбора адгезива.

 Сотрудники группы генетической инженерии грибов с.н.с Александр Жгун и н.с. Дарья Авданина на пресс-конференции о завершении реставрации картины Ильи Репина «Иван Грозный и его сын Иван 16 ноября 1581 года». Москва, 23 мая 2022

Какие антисептики используют в музеях?

Проблема в том, что в настоящее время достаточно мало антисептиков можно использовать для защиты произведений живописи. С одной стороны, они должны убивать микроорганизмы при добавлении в живописные материалы, а с другой, должны быть инертны по отношению к самим материалам. Если они будут взаимодействовать, может выцветать пигмент, — например, различные феноляты, производные фенола, к этому приводят. И еще антисептик не должен быть токсичен для реставратора и посетителей. И когда я у реставраторов темперной живописи в Русском музее спросил: «Что используете при микробиологическом поражении икон?» Ответили, что у них остался только катамин. Катамин, катамин и еще раз катамин. Это четвертичный амин, бензалкония хлорид, который в 1935 году открыли за рубежом, он используется также в качестве контрацептива, потому что очень хорошо лизирует сперматозоиды. Однако его эффективность в составе твердых материалов значительно снижается.

А как вообще обрабатывают картины антисептиками?

Здесь первое правило, как Гиппократ говорил в отношении пациента, — «не навреди!». Если можно не использовать антисептик, лучше его не использовать. Часто изменение температурно-влажностных условий является достаточным фактором, чтобы сохранить произведение живописи от микробиологического поражения. Есть три уровня испытания препаратов: первая фаза, вторая, третья.

Как клинические испытания.

Да. Сначала на стандартных микробиологических средах определяется группа соединений, таргетированная против конкретных деструкторов. После этого делается макет, в него добавляют наиболее активные вещества. Изучают физико-химические свойства новых композитных материалов. Например, делают FTIR — инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье. Изучают возможные изменения в поверхностной структуре материала, например, с помощью атомно-силовой микроскопии.

То есть смотрите, действует ли на микроорганизмы и не повреждает ли краски?

Или другие материалы. Нужно в норме сделать 40-50 типов различных макетов, которые перекрываются. Если антисептик более-менее нормально работает против микроорганизмов на макете, после этого даем влажность и сравниваем с контролем.

Действительно, как клинические испытания — эффективность, безопасность…

И если все более-менее нормально, потом уже обрабатываем группу икон-«добровольцев».

У вас в статьях упоминается хитозан как антисептик. Не знала его с этой стороны.

Мы ряд статей опубликовали на эту тему, наши коллеги — лаборатория профессора Валерия Петровича Варламова, председателя хитинового общества России. Хитозан известен своей антимикробной активностью, эффективен против многих грибов и бактерий. Но его не использовали как антисептик для защиты живописи, потому что необходимо предварительно изучить, как меняются при добавлении хитозана свойства живописных материалов — эластичность, пластичность, цветность и многое другое). Кроме того важно, чтобы хитозан сохранял свою активность в составе материала.

А не развивается ли в музейных сообществах лекарственная устойчивость?

Развивается, и есть многочисленные работы об этом! Когда мы сравнили работу по библиотеке в Венеции, там в микробиоме доминантными представителями тоже оказались ксерофильные грибы, то есть идет селекция по этому признаку. В музеях делают консервацию, реставрацию, обрабатывают антисептиками, и такие превентивные и экстренные мероприятия снижают фон. А потом он восстанавливается.

Так вот, мы в общей сложности протестировали около ста соединений, и сейчас у нас есть четыре класса соединений: ароматика на основе гидроксамовых кислот, алкилнуклеозиды, фосфорилированные аминокислоты и хитозан. По сравнению с имеющимися антисептиками они достаточно хорошо работают.

Теперь у музейных работников будет выбор препаратов?

Ну, мы пока еще не дошли до внедрения, исследования ведутся на уровне макетов. И такие антисептики получаются дороже в силу трудной для синтеза химической структуры, Например, доступность и дешевизна катамина АБ определяется его структурой — это коктейль четвертичных аминов, у которых от азота две метильные группы, одна бензил-этильная, а четвертая группа – это жирный хвост, и там коктейль от C8 до С18. Для некоторых микроорганизмов С14 наиболее токсичен, для других С12.

Сообщество исследователей микробиомики музейных экспонатов большое? Есть у вас коллеги в других российских городах, в других странах?

На самом деле не очень много. Я в МФТИ читаю курс лекций «Методы диагностики и предотвращения деградации произведений изобразительного искусства». Одно из занятий посвящено работам по микробиому музеев. Когда этой весной смотрел опубликованные данные по микробиологическим сообществам музеев в GenBank, таких работ было всего девять, включая наш набор данных по Третьяковской галерее. А вот публикаций по другим микробиомам, например, кишечника, - просто море.

То есть таких групп, как твоя, в целом мире десятки?

Я думаю, что сотни, если по всему миру. Мир науки достаточно большой. Но, действительно, то, что мы сделали с Третьяковской галереей, — это одна из передовых работ.

Со студентами Московского политехнического университета

Добавить в избранное