Продукты липидного обмена и вторичного метаболизма микроводорослей и цианобактерий для биотехнологии.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-74-30003

НазваниеПродукты липидного обмена и вторичного метаболизма микроводорослей и цианобактерий для биотехнологии.

Руководитель ЛОСЬ Дмитрий Анатольевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №53 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-206 - Физиология и биохимия растений

Ключевые слова геномика, вторичный метаболизм, жирные кислоты, липиды, метаболомика, микроводоросли, протеомика, транскриптомика, цианобактерии

Код ГРНТИ34.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение липидного обмена и вторичного метаболизма микроводорослей и цианобактерий - потенциальных продуцентов биологически активных соединений. Среди микроводорослей встречаются продуценты омега-3 полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), к которым, в частности, относятся линолевая, альфа-линоленовая, арахидоновая , эйкозапентоеновая и докозагексоеновая кислоты ( ЛК, АЛК, АРК, ЭПК и ДГК, соответственно), обладающие биологической активностью. Эти ПНЖК, необходимые животным и человеку для развития и нормального функционирования, не синтезируются в организмах последних и потребляются с пищей, т.е. - являются незаменимыми. Биосинтез таких ЖК происходит с участием элонгаз, удлиняющих углеводородные цепи, и десатураз ЖК, образующих до шести двойных связей в этих цепях. Стандартный скрининг организмов на содержание ПНЖК позволяет выявить их потенциальных продуцентов, которые в дальнейшем могут быть использованы для производства масла, обогащенного незаменимыми ПНЖК, которое (подобно рыбьему жиру) может применяться в качестве лечебных и профилактических средств. Цианобактерии не синтезируют АРК, ЭПК и ДГК, но могут служить продуцентами ЛК, АЛК, а также гамма-линоленовой кислоты (ГЛК). Некоторые штаммы цианобактерий, благодаря простоте генно-инженерных манипуляций, являются удобными модельными организмами для изучения биосинтеза ПНЖК, который остается недостаточно изученным, в частности, из-за свойств мембранных ацил-липидных десатураз, которые с трудом экспрессируются в обычных гетерологичных системах, трудно очищаются и, следовательно, слабо пригодны для структурного анализа. В связи с этим изучение специфичности ацил-липидных десатураз к длине цепи (Cn), положению образуемой двойной связи , предпочтения к положению цепи на молекуле глицерина (sn-положение) крайне затруднено. С другой стороны, множество штаммов цианобактерий, помимо ЛК, АЛК ил ГЛК, синтезирует биологически активные вещества путем нерибосомного биосинтеза с помощью модульных поликетид- или полипептидсинтаз - крупных комплексов, напоминающих синтазы ЖК, работающих на удлинение и модификацию углеводородных цепей. Вследствие большого размера, такие синтазы также трудно очистить и охарактеризовать биохимически. В настоящее время для определения таких синтетических комплексов цианобактерий все чаще используются методы полногеномного секвенирования и т.н. геномного майнинга, когда путем первичного сравнения и последующей экспрессии определяются кластеры генов, кодирующие комплексы синтаз, продуцирующих биологически-активные вещества - токсины, ингибиторы, антибиотики или бактерицидные агенты, противовирусные пептиды и т.д. Предлагаемый проект направлен на: 1) Изучение липидного состава микроводорослей и цианобактерий и разработка технологий получения уникальных композиций растительного масла для пищевого и медицинского назначения. 2) Изучение специфичности и функциональных свойств десатураз ЖКт, участвующих в синтезе ПНЖК у микроводорослей и цианобактерий. 3) Изучение вторичных метаболитов микроводорослей и цианобактерий, в том числе с помощью геномного поиска, с потенциальными биоактивными свойствами. 4) По согласованию с партнером, осуществляющим со-финансирование проекта (ООО "Русская олива") - композиционная характеристика масла амаранта и других растений, характеризующихся необычным составом, в связи с глобальными изменениями климата, что связано с потенциальными рисками, способными повлиять на производство растительного масла, включая обезвоживание и засоление почв, на которых производится культивирование продуцентов. 5) Разработка новых экономичных фотобиореакторов закрытого типа на основе светодиодного освещения и эффективных контроллеров температуры для лабораторного и массового культивирования микроводорослей и цианобактерий - потенциальных продуцентов биологически активных веществ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Куприянова Е.В., Синетова М.А., Леусенко А.В., Воронков А.С., Лось Д.А. A leader peptide of the extracellular cyanobacterial carbonic anhydrase ensures the efficient secretion of recombinant proteins in Escherichia coli Journal of Biotechnology, 344, 1, 11-23. (год публикации - 2022)
10.1016/j.jbiotec.2021.12.006

2. Габриелян Д.А., Синетова М.А., Габель Б.В., Габриелян А.К., Маркелова А.Г., Родионова М.В., Бедбенов В.С., Щербакова Н.В., Лось Д.А. Cultivation of Chlorella sorokiniana IPPAS C‐1 in flat‐panel photobioreactors: From a laboratory to a pilot scale. Life, 12, 9, 1309. (год публикации - 2022)
10.3390/life12091309

3. Стариков А.Ю., Сидоров Р.А., Горяинов С.В., Лось Д.А. Acyl-lipid Δ6-desaturase may act as a first FAD in cyanobacteria Biomolecules, Vol. 12, P. 1795-179. (год публикации - 2022)
10.3390/biom12121795

4. Мешалкина Д., Цветкова Е., Орлова А., Исламова Р., Грашина М., Горбач Д., Бабаков В., Франциозо А., Биркемейер К., Моска Л., Тараховская Е., Фролов А. First insight into the neuroprotective and antibacterial effects of phlorotannins isolated from the cell walls of brown algae Fucus vesiculosus and Pelvetia canaliculata Antioxidants, 12, 696. (год публикации - 2023)
10.3390/antiox12030696

5. Петроченко А.А., Орлова А., Фролова Н., Серебряков Е.Б., Соболева А., Флисюк Е.В., Фролов А., Шиков А.Н. Natural deep eutectic solvents for the extraction of triterpene saponins from Aralia elata var. mandshurica (Rupr. & Maxim.) J. Wen Molecules, 28, 3614. (год публикации - 2023)
10.3390/molecules28083614

6. Куприянова Е.В., Пронина Н.А., Лось Д.А. Adapting from low to high: An update to CO2-concentrating mechanisms of cyanobacteria and microalgae Plants, 12, 1569 (год публикации - 2023)
10.3390/plants12071569

7. Зорина А.А., Новикова Г.В., Гусев Н.Б., Леусенко А.В., Клычников О.И. SpkH (Sll0005) from Synechocystis sp. PCC 6803 is an active Mn2+-dependent Ser kinase Biochimie, 213, 114-122 (год публикации - 2023)
10.1016/j.biochi.2023.05.006

8. Леусенко А.В., Миронов К.С., Лось Д.А. Transmembrane and PAS domains of the histidine kinase Hik33 as regulators of cold and light responses in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 Biochimie, 218, 76-84. (год публикации - 2024)
10.1016/j.biochi.2023.08.004

9. Лось Д.А. Цианобактерии - зеленые модели для изучения стрессовых ответов растений 27-е Годневские чтения, НАН Беларуси, ГНУ "Институт биофизики и клеточной биологии НАН Беларуси", Минск, 76 стр., 27-е Годневские чтения, НАН Беларуси, ГНУ "Институт биофизики и клеточной биологии НАН Беларуси", Минск, 76 стр. (год публикации - 2023)

10. Загоскина Н.В., Синетова М.А., Лапшин П.В., Лось Д.А. Сравнение содержания и состава фенольных соединений у Synechocystis sp. и Desertifilum tharense Химия растительного сырья (год публикации - 2024)

11. Габриелян Д.А., Габель Б.В., Синетова М.А., Габриелян А.К., Маркелова А.Г., Щербакова Н.В., Лось Д.А. Optimization of CO2 supply for intensive cultivation of Chlorella sorokiniana IPPAS C-1 in the laboratory and pilot-scale flat-panel photobioreactors. Life, 12, 10, 1469. (год публикации - 2022)
10.3390/life12101469

12. Зорина А.А., Лось Д.А., Клычников О.И. Серин-треониновые протеинкиназы цианобактерий Biochemistry (Moscow), Biochemistry (Moscow), том 90, выпуск Supplement 1, 2025 (год публикации - 2024)
10.1134/S0006297925140135

13. Миловская И.Г., Варламова Н.В., Стариков А.Ю., Демиденко Д.В., Павленко О.С., Тюрин А.А., Соболев Д.С., Куренина Л.В., Голденкова-Павлова И.В., Халилуев М.Р. Effect of heterologous Δ9-desaturase expression on fatty acid composition of tomato plants. Russian Journal of Plant Physiology, Russ. J. Plant Physiol. 71, 162. (год публикации - 2024)
10.1134/S1021443724607717

14. Стариков А.Ю., Сидоров Р.А., Миронов К.С., Лось Д.А. The specificities of lysophosphatidic acid acyltransferase and fatty acid desaturase determine the high content of myristic and myristoleic acids in Cyanobacterium sp. IPPAS B-1200. International Journal of Molecular Sciences, Intl. J. Mol. Sci. 25(2), 774. (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25020774

15. Куприянова Е.В., Синетова М.А., Габриелян Д.А., Лось Д.А. The Freshwater cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 does not require an active external carbonic anhydrase. Plants, Plants 13, 2323. (год публикации - 2024)
10.3390/plants13162323

16. Сидоров Р.А., Стариков А.Ю., Синетова М.А., Гюльмисарян Е.В., Лось Д.А. Identification of conjugated dienes of fatty acids in Vischeria sp. IPPAS C-70 under oxidative stress. International Journal of Molecular Sciences, Int. J. Mol. Sci. 25, 3239. (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25063239

17. Кривина Е., Синетова М., Заднепровская Е., Иванова М., Стариков А., Шибзухова К., Лобакова Е., Букин Ю., Портнов А., Темралеева А. The genus Coelastrella (Chlorophyceae, Chlorophyta): molecular species delimitation, biotechnological potential, and description of a new species Coelastrella affinis sp. nov., based on an integrative taxonomic approach. Antonie van Leeuwenhoek, Antonie van Leeuwenhoek 117, 113. (год публикации - 2024)
10.1007/s10482-024-02008-1

18. Казаков Г.В., Сидоров Р.А. UTCA - Ultimate Triacylglycerol Calculation Application (Универсальное приложение для характеристики состава триацилглицеридов) UTCA – Ultimate Triacylglycerol Calculation Application Универсальное приложение для характеристики состава смесей природных триацилглицеринов и разведки метаболических путей их биосинтеза (год публикации - 2024)

19. Носов А.В., Фоменков А.А., Сидоров Р.А., Горяинов С.В. Euonymus maximowiczianus aril-derived long-term suspension-cultured cells: light and methyl jasmonate impact in the anthocyanin and VLCFA accumulation Plant Physiology and Biochemistry, Plant Physiology and Biochemistry, 217(11), 109293 (год публикации - 2024)
10.1016/j.plaphy.2024.109293

20. Синетова М.А., Куприянова Е.В., Лось Д.А. Spirulina/Arthrospira/Limnospira—three names of the single organism Foods, Foods 13, 2762. (год публикации - 2024)
10.3390/foods13172762

21. Лось Д.А., Леусенко А.В. 50 years since the concept of homeoviscous adaptation Biochimie, 2024 Dec 18:S0300-9084(24)00301-8. (год публикации - 2024)
10.1016/j.biochi.2024.12.008

22. Вишневская А., Башилов А., Осипенко С., Киреев А., Синетова М., Николаев Е., Костюкевич Ю. Metabolomic characterization of a new strain of microalgae by GC-MS method with the introduction of a deuterium label Biochimie, In Press, Journal Pre-proof (год публикации - 2024)
10.1016/j.biochi.2024.11.015

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 г. продолжались работы по модернизации и испытанию фотобиореакторов лабораторного и промышленного масштабов. Продуктивность плоскостного модуля фотобиореактора П-100 составляла 1 г сухой массы микроводорослей на 1 литр в сутки. Сконструированы фотобиореакторы нового типа - лабораторный на 3 литра и промышленный на 200 литров с усовершенствованной системой подачи газовоздушной смеси и перемешивания, которая обеспечивает более эффективную утилизацию СО2 в среде культивирования. Исследованы возможности солнечного фотобиореактора (СФБР) с различными режимами культивирования. Из 230 л суспензии микроводорослей получено получено 1300 г пасты, что соответствует 400 г сухой массы (порошок). В полупроточном режиме интенсивного культивирования в течении 7 циклов получена биомасса со стабильным биохимическим составом: белок - 23 %; липиды - 6 %, крахмал - 22 % от сухой массы. Введены в интенсивную культуру штаммы Porphyridium sp. IPPAS P-519 (Rhodophyta) - продуцент арахидоновой и эйкозапентаеновой кислоты, Tribonema vulgare IPPAS H-150 (Ochrophyta) - продуцент триглицеридов, Halamphora sp. IPPAS H-1541 (Bacillariophyta) - продуцент ЭПК, Mallomonas furtiva IPPAS H-2051 (Ochrophyta) - продуцент фукоксантина. Азотное голодание увеличивало накопление триглицеридов в изучаемых штаммах. Определены оптимальные условия для набора биомассы Neochlorella semenenkoi IPPAS C-1210, применено дфухфазное культивирование, позволяющее увеличить накопление триглицеридов с 16 до 34% (по сухой биомассе). Апробировано массовое культивирование филаментной экстремофильной цианобактерии Desertifilum tharense IPPAS B-1220. Определены основные проблемы при масштабировании культивирования этого проблемного штамма. Завершены работы по характеристике региоспецифичности ω3-десатуразы жирных кислот (ω3-ДЖК), Показано, что ω3-ДЖК по сути является Δ15-ДЖК, отсчитывающей, начиная с карбоксильного (Δ) конца. Δ15-ДЖК вводит двойную связь между 15 и 16 атомами и требует определенной конфигурации ацильного субстрата с двумя уже существующими двойными связями в положениях Δ9 и Δ12.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты являются научно-технической базой для создания пилотного предприятия, в функционировании которого заинтересова соинвестор (см. гарантийное письмо), готовыйподдержать проект по строительству такого предприятия. Сконструированные биореакторы и технология получения биомассы микроводорослей может быть внедрена немедленно. Продукты производства могут найти применение в пищевой промышленности в качестве биодобавок, сельском хозяйстве в качестве кормовых витаминных добавок, для получения белка, пигментов, омега-3 жирных кислот (EPA, DHA), других полезных компонентов.