Ультравысокопроизводительное профилирование природных сообществ микроорганизмов

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 19-14-00331

НазваниеУльтравысокопроизводительное профилирование природных сообществ микроорганизмов

Руководитель Смирнов Иван Витальевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые слова ультравысокпроизводительный скрининг, микробиота, кластеры биосинтеза, функциональный отбор, антибиотики, лекарственная устойчивость

Код ГРНТИ34.27.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Важнейшим направлением, связанным с развитием медицинской биотехнологии, является поиск путей борьбы с устойчивостью патогенных штаммов микроорганизмов к лекарственным соединениям. В России разработана Стратегия предупреждения распространения антимикробной резистентности в РФ на период до 2030 г (распоряжение Правительства РФ от 25 сентября 2017 г. № 2045-р). В связи с вышесказанным принципиально важно учесть мировые тенденции в развитии медицинской биотехнологии в области молекулярных основ резистентности. Данный проект направлен на генетическое профилирование и метаболомный анализ микробных сообществ методами высокопроизводительного скрининга с целью решение проблемы поиска новых антибиотических препаратов, а также исследование механизмов и поиск лигандов, ингибирующих факторы резистентности микроорганизмов к существующим антибиотическим препаратам. Комбинированное использование таких препаратов может иметь решающее значение для решения проблемы лекарственной устойчивости к антибиотикам и явиться основой для нового направления в синтетической биологии. Общая идея реализации проекта заключается в ультравысокопроизводительном скрининге представителей микробиоты из природных источников с использованием разработанной нами технологии и оригинальных микрофлюидных чипов собственного производства (Terekhov, Smirnov et al. PNAS 2017; Terekhov, Smirnov et al. PNAS 2018). В ходе эксперимента проводится инкапсулирование пары микроорганизмов «мишень»-«эффектор» в капли двойной эмульсии. В качестве «мишени» используется флуоресцентный штамм микроорганизма, для которой поставлена задача поиска «эффектора» – штамма микроорганизма, способного продуцировать вещества (антимикробные пептиды, низкомолекулярные вещества) обладающие антимикробными свойствами, и как следствие, содержащего кластер(ы) генов их биосинтеза. Для регистрации антимикробной активности вводятся специальные флуоресцентные маркеры: (i) генно-инженерно вводится внутриклеточный флуоресцентный белок – для наблюдения за бактерией «мишенью», (ii) – флуоресцентный краситель Calcein violet (или аналог) – для идентификации живых клеток микроорганизмов и (iii) – флуоресцентный краситель для определения количества клеток бактерии «мишени» на начальном этапе скрининга. После инкубации при выбранных условиях проводится отбор «позитивных» инкапсулированных пар с использованием стандартного клеточного сортера (FACS AriaIII или аналог) и подобранных условиях сортинга. Полученные в результате отбора инкапсулированные пары анализируются методами NGS-секвенирования и масс-спектрометрии в режимах без и после культивации в стандартных условиях. Проводится биоинформатический анализ и определяются штаммы микроорганизмов, проводится поиск и идентификация кластеров генов биосинтеза веществ, осуществляющих антимикробное действие, а также при возможности сами антимикробные вещества. В ходе выполнения проекта будут решены задачи по исследованию природных источников бактериальных сообществ на наличие потенциальных продуцентов новых антимикробных соединений. Будет проведен скрининг и идентификация штаммов-продуцентов веществ, ингибирующих рост патогенных бактерий «мишеней», а также поиск кластеров генов и исследование механизмов биосинтеза веществ, обладающих антимикробной активностью. Научная новизна данного проекта базируется на использовании инновационных технологий ультравысокопроизводительного скрининга для поиска новых уникальных популяций бактерий-продуцентов антибиотиков. В отличие от классических источников бактериального разнообразия, таких как образцы почвенных бактерий, в рамках данного проекта мы планируем сконцентрировать свое основное внимание на таких малоизученных бактериальных сообществах как микробиота диких животных. Таким образом, использование современных методов поиска, идентификации и гетерологической экспрессии кластеров генов биосинтеза антибиотиков, а также веществ – ингибиторов факторов устойчивости является актуальной задачей современной медицинской биотехнологии РФ. Проект может явиться основой для одного из перспективных направлений современной синтетической биологии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Терехов С.С., Мокрушина Ю.А., Назаров А.С., Злобин А., Залевский А.О., Буренков Г., Головин А.В., Белогуров А.А., Остерман И.А., Куликова А.А., Миткевич В.А., Хуа Джейн Лу, Турк Б.Е., Вильманнс В., Смирнов И.В., Альтман С, Габибов А.Г. A kinase bioscavenger provides antibiotic resistance by extremely tight substrate binding Science Advances, 24 Jun 2020, Vol 6, Issue 26 (год публикации - 2020)
10.1126/sciadv.aaz9861

2. Мокрушина Ю.А., Смирнов И.В., Терехов С.С., Пипия С.О., Габибов А.Г. РЕКОНСТРУКЦИЯ КЛАСТЕРА ГЕНОВ БИОСИНТЕЗА ЛАНТИБИОТИКА В ДРОЖЖАХ PICHIA PASTORIS ACTA NATURAE, ACTA NATURAE, СПЕЦВЫПУСК том 2, 2019, СТР. 258 (год публикации - 2019)

3. Терехов С.С., Смирнов И.В., Назаров А.С., Габибов А.Г. ГЛУБОКОЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ МИКРОБИОМОВ ACTA NATURAE, ACTA NATURAE, СПЕЦВЫПУСК том 2, 2019, СТР. 170 (год публикации - 2019)

4. Пипия С.О., Мокрушина Ю.А., Габибов А.Г., Смирнов И.В., Терехов С.С. Selective Eradication of Staphylococcus aureus by the Designer Genetically Programmed Yeast Biocontrol Agent Antibiotics (Basel), 2020 Aug 19;9(9):527 (год публикации - 2020)
10.3390/antibiotics9090527

5. Терехов С.С., Назаров А.С., Мокрушина Ю.А., Баранова М.Н., Потапова Н.А., Малахова М.В., Ильина Е.Н., Смирнов И.В., Габибов А.Г. Deep Functional Profiling Facilitates the Evaluation of the Antibacterial Potential of the Antibiotic Amicoumacin Antibiotics (Basel), 2;9(4):157 (год публикации - 2020)
10.3390/antibiotics9040157

6. Баранова, М; Терехов, С; Мокрушина, Ю; Смирнов Я High-level homogeneous production of fluorescent proteins in E. coli provides a sensitive reporter for antibiotic activity detection FEBS OPEN BIO, V11, p. 151, JUL 2021 (год публикации - 2021)
10.1002/2211-5463.13205

7. Д. Данилов, С. Терехов, И. Смирнов Heterologous production of AmiN kinase provides the resistance of mammalian cells toward ribosome-targeting antibiotic amicoumacin FEBS OPEN BIO, V.11, p. 266 (год публикации - 2021)
10.1002/2211-5463.13205

8. А. Назаров, С. Терехов, И. Смирнов, А. Габибов A novel kinase provides self-resistance to isocoumarin antibiotic amicoumacin A in Bacillus FEBS OPEN BIO, V. 11, p.367 (год публикации - 2021)
10.1002/2211-5463.13205

9. Балмасова И.П., Олехнович Е.И., Климина К.М., Коренькова А.А., Вахитова М.Т., Бабаев Е.А., Овчинникова Л.А., Ломакин Ю.А., Смирнов И.В., Царев В.Н., Мкртумян А.М., Белогуров А.А.-младший, Габибов А.Г., Ильина Е.Н., Арутюнов С.Д. Drift of the Subgingival Periodontal Microbiome during Chronic Periodontitis in Type 2 Diabetes Mellitus Patients PATHOGENS, 2021 Apr 22;10(5):504 (год публикации - 2021)
10.3390/pathogens10050504

Публикации