Новости

25 апреля, 2022 12:33

И малым найдут работу… Создание биотехнологий идет полным ходом

Источник: Поиск
Микробы – это живые, очень маленькие организмы (размером в микрометры), в основном одноклеточные. Первым человеком, которому удалось рассмотреть и описать их, был голландец Антони ван Левенгук. С помощью созданных им линз, увеличивающих изображение более чем в 200 раз, он разглядел, что микробы – это целый мир со своими особенностями существования. Вообще человек во многом подсматривает за природой, и если бы он мог, как герои повести Валерия Медведева, стать таким же маленьким, как микробы, узнал бы очень много. Пока это невозможно, и люди в научных лабораториях изучают микроорганизмы, а их количество на Земле исчисляется как 10³⁰ (больше, чем нам известно звезд по Вселенной). Эти исследователи и предложили поставить микробные сообщества на службу человеку, «приручить» их. Но сделать такое непросто. В природе микроорганизмы развиваются, как правило, в сообществах (консорциумах), состав которых определен в первую очередь условиями окружающей среды.
Источник: портал "Поиск"

Микробные консорциумы могут быть использованы для решения сложных биотехнологических задач, с которыми не удается справиться, применяя отдельные штаммы-продуценты. Это перспективно, потому что функции различных микроорганизмов в консорциуме могут дополнять друг друга. Как правило, более 99% микроорганизмов, присутствующих в экосистемах, не удается культивировать в лабораторных условиях и, соответственно, задействовать в традиционных биотехнологиях. Но если «приручить» микробные консорциумы, то можно влиять на эффективность их работы путем направленной модификации. Инженерия микробных сообществ, позволяющая мобилизовать их генетический потенциал, стала новым направлением в промышленной биотехнологии.

Однако ради решения конкретной биотехнологической задачи нужно точно знать, какие микроорганизмы присутствуют в консорциуме и какие функции способны выполнять. Метагеномика, метатранскриптомика и др. молекулярно-генетические методы исследования позволяют получить наиболее полную на сегодня информацию не только о составе микробного сообщества, но и понять схемы метаболических взаимосвязей в сообществе между разными группами микроорганизмов, включая некультивируемые. Модификация условий среды или состава сообщества путем введения новых штаммов дает возможность обогатить консорциум необходимыми целевыми группами микроорганизмов и достичь желаемых результатов.
Российский научный фонд поддержал исследованиена тему «Метагеномный анализ и инженерия микробных консорциумов для промышленной микробиологии». О достигнутых сегодня результатах по этому проекту и перспективах исследований «Поиску» рассказал заведующий лабораторией геномики микроорганизмов и метагеномики ФИЦ Биотехнологии РАН доктор биологических наук, профессор РАН Андрей МАРДАНОВ.

– Андрей Владимирович, какова основная задача проекта: поставить бактерии на службу производству или сделать фундаментальные научные открытия?

– Бактерии уже давно на службе, – улыбается Андрей Марданов. – Мы занимаемся анализом и инженерией микробных консорциумов по трем основным направлениям: биогидрометаллургические технологии извлечения цветных и благородных металлов, микробные биотехнологии очистки сточных вод от азота и фосфора и повышение эффективности нефтедобычи. Результаты будут иметь как фундаментальную значимость, так и практическую ценность для развития промышленной микробиологии. С использованием метагеномных и метатранскриптомных подходов они позволят выяснить взаимосвязи различных функциональных групп в микробных сообществах.

– Сегодня то и дело с разных трибун обсуждают проблемы взаимоотношения науки и бизнеса. Ваши исследования востребованы экономикой?

– По всем трем перечисленным мною направлениям у нас есть промышленные партнеры, заинтересованные в практическом применении результатов проекта.

Так, во внедрении новых биотехнологий очистки коммунальных сточных вод от азота и фосфора заинтересовано АО «Мосводоканал», обеспечивающее столицу питьевой водой и отведением стоков. В рамках этих контактов пять лет назад была создана и внедрена первая в России биотехнология очистки сточных вод от азота на основе процесса анаммокс. Эффективная и экономичная. Сегодня перед «Мосводоканалом» стоит следующая задача: освобождение стоков от азота и фосфора до уровня нормативов чистоты водных объектов рыбохозяйственного назначения.

В области создания биогидрометаллургических технологий извлечения цветных и благородных металлов из руд нашими партнерами стал целый ряд российских компаний, включая крупнейшую золотодобывающую АО «Полюс», а также фирмы из ближнего зарубежья. Для них мы провели исследования по характеристике микробных консорциумов и лабораторные испытания перспективности промышленной переработки различного минерального сырья.

– Для повышения эффективности нефтедобычи планируется проводить внедрение наших разработок совместно с ООО «НТЦ Татнефть», – продолжает Андрей Марданов. Предстоят эксперименты по моделированию вытеснения нефти из нефтяного пласта, а также опытно-промышленные испытания биотехнологии увеличения нефтедобычи на месторождениях Татарстана. Как видите, полученные в рамках проекта результаты представляют большой интерес для предприятий реального сектора экономики России.

– Работа не на один год и для большого научного коллектива…

– Да. Для выполнения проекта был создан Центр метагеномики и инженерии микробных сообществ, в состав которого вошли специалисты Института биоинженерии им. К.Г.Скрябина и Института микробиологии им С.Н.Виноградского ФИЦ Биотехнологии РАН. Сотрудники центра являются инициаторами внедрения высокопроизводительного геномного анализа в биологическую науку и активными участниками этих работ. Компетенции исполнителей проекта дополняют друг друга и помогают решать поставленные задачи. Например, работа по секвенированию геномов архей, обитающих в экстремальных условиях окружающей среды, стала первым примером крупномасштабного применения современных методов геномного анализа в отечественной микробиологии. Полученные результаты явились основой серии работ по молекулярно-генетической, микробиологической, биохимической и экологической характеристикам этих микроорганизмов.

– А сколько всего человек вошло в состав научного коллектива, выполняющего исследования в рамках гранта РНФ?

– На данный момент у нас 27 исполнителей проекта, среди них 14 – в возрасте до 39 лет (аспиранты, студенты, есть и иностранный ученый).

– Грант рассчитан на три года, а что уже сделано? Вот вы упомянули сотрудничество с «Мосводоканалом»…

– По направлению «Разработка микробных биотехнологий очистки сточных вод от соединений азота и фосфора» наш коллектив с помощью методов метагеномики охарактеризовал состав и функциональный потенциал микробных консорциумов активных илов, удаляющих азот и фосфор из коммунальных сточных вод, и определил экофизиологические функции микроорганизмов – членов консорциумов. Среди основных работ, пожалуй, назову определение полных геномных последовательностей анаммокс-бактерий видов Ca. Jettenia asiatica и Ca. Brocadia fulgida. Сравнительный геномный анализ позволил предположить у них разные стратегии выживания. Подвижность и хемотаксис дают возможность представителям рода Ca. Brocadia эффективно ориентироваться в новых условиях окружающей среды и быстро занимать наиболее благоприятную нишу. Неподвижность Ca. Jettenia spp. заставляет их лучше адаптироваться к изменениям окружающей среды и при столкновении с неблагоприятным воздействием более или менее успешно вырабатывать подходящий для ситуации защитный механизм.

Еще выявлены доминирующие группы микроорганизмов в активных илах курьяновских и люберецких очистных сооружений столицы. Сравнение из составов с доминирующими микробными консорциумами в подобных сооружениях по всему миру показало, что все московские образцы сгруппированы вместе. Это указывает на большее влияние культурных, социальных и экологических факторов на состав микробных сообществ, чем технологий эксплуатации очистных сооружений.

– А чем порадовали нефтяников?

– Для них мы исследовали физико-химические характеристики пластовых вод ряда нефтяных месторождений. Получена достоверная информация о разнообразии бактерий и архей в нефтеносных горизонтах с разными физико-химическими условиями, температурой пласта и соленостью пластовой воды. Классифицированы данные о характеристиках микроорганизмов основных метаболических групп – сульфатредуцирующих, бродильных, синтрофных и метаногенных – в нагнетаемой и пластовой воде и зависимости состава микробного сообщества от геохимических параметров местообитания. Они послужат базой для последующих работ в области генетической инженерии этих консорциумов.

– А что от того промышленности?

– Микробные биотехнологии уже применялись на месторождениях России. Результаты молекулярно-экологических исследований нефтяных месторождений Китая позволили предложить новый вариант биотехнологии. Например, на трех опытных участках китайского нефтяного месторождения Даган были получены более 46 тысяч тонн дополнительной нефти, а также продемонстрирована высокая эффективность этой биотехнологии для вытеснения тяжелой нефти из высокотемпературных нефтяных пластов.

– Андрей Владимирович, если у вас такие мощные промышленные партнеры, такие востребованные разработки, зачем вам гранты?

– На средства гранта РНФ мы прежде всего решаем научную задачу по изучению механизмов функционирования микробных сообществ как целого. Это ориентированное фундаментальное исследование, которые и призвано финансировать государство. Разработка технологий – следующий этап, который уже должен быть интересен промышленности. Полученные результаты позволят создавать новые методы управления микробными консорциумами для воплощения биотехнологий, которые интересны промышленности. Это разные, но взаимосвязанные задачи, нацеленные на то, чтобы сделать мир чище, безопаснее и комфортнее для людей.

Теги
Биология
18 мая, 2022
Ученые Института цитологии РАН улучшили коллагеновые структуры, предназначенные для трансплантации клеток
В Институте цитологии РАН (ИНЦ РАН) с помощью перекиси водорода улучшили свойства скаффолдов на ос...
13 мая, 2022
Ботаники РФ и Китая расшифровали геномы лекарственного василисника
Ученые научно-исследовательской лаборатории «Гербарий» ТГУ в соавторстве с коллегами из Китая опуб...