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 20-74-10076
НазваниеГенетическая и эколого-биохимическая паспортизация и разработка оптимальных технологий культивирования водорослей и цианобактерий для получения биологически активных метаболитов
Руководитель Мальцев Евгений Иванович, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук , г Москва
Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-102 - Ботаника
Ключевые слова Скрининг, водоросли, коллекция культур, биотехнология, эколого-биохимический паспорт, технологическая карта, общие липиды, жирные кислоты, витамины, пигменты, номограмма, стрессирование, культивирование, кривые роста, биореактор
Код ГРНТИ62.09.00, 62.09.39, 69.25.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Конкурентоспособность экономик будущего неразрывно связана с внедрением биотехнологических разработок, которые открывают новые возможности повышения продуктивности сельского хозяйства и обеспечения продовольственной безопасности. Переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству является одной из первостепенных задач для повышения качества и продолжительности жизни каждого отдельного человека и населения страны в целом. Именно характер продовольствия, как базовый показатель жизнедеятельности человека, выступает основным индикатором социально-экономического развития страны.
Обеспечение увеличения производства продуктов питания в ситуации невозможности роста посевных площадей, что связано как климатическими ограничениями, так и необходимостью сохранять баланс с территориями под природными экосистемами, – это задача, которая выходит за пределы возможностей традиционных ресурсов растениеводства и животноводства. Так, для решения проблемы обеспечения необходимых объемов кормов может быть задействован потенциал фотосинтезирующих микроорганизмов – водорослей и цианобактерий, способных синтезировать ценные биопродукты в короткие сроки. Учитывая, что среди водорослей есть представители, накапливающие в больших количествах белки, углеводы и липиды, а также имеющие высокое содержание в биомассе витаминов, соединений обладающих антиоксидантными свойствами, микроэлементов и др. биологически активных метаболитов, использование их в качестве микро- или объемного ингредиента в кормах на сегодняшний момент рассматривается как альтернативный путь удовлетворения спроса на корма в сельскохозяйственной промышленности.
Данный проект предусматривает выполнение исследований по скринингу разных групп водорослей и цианобактерий на основе Коллекции культур водорослей и цианобактерий лаборатории Молекулярной систематики водных растений Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН для выявления новых, коммерчески перспективных продуцентов липидов и других ценных биопродуктов, которые могут быть использованы в качестве сырья при производстве кормов и подкормок для агро- и аквахозяйств, разработки для них эколого-биохимических паспортов и технологических карт культивирования.
Для достижения цели поставлены следующие задачи, последовательное выполнение которых позволит протестировать значительный объем штаммов водорослей и цианобактерий и создать эколого-биохимические паспорта для наиболее производительных штаммов, разработать технологические карты их культивирования как в лабораторных, так и промышленных масштабах, а также подобрать оптимальные условия подготовки и хранения биомассы отобранных штаммов:
1. Проанализировать принадлежность штаммов водорослей и цианобактерий к филогенетическим кладам и линиям, для которых уже отмечена генетическая предрасположенность к повышенному накоплению липидов (в том числе полиненасыщенных жирных кислот), белков (в том числе незаменимых аминокислот), пигментов (в т.ч. β-каротина), витаминов и ферментов с антиоксидантной активностью.
2. Провести культивирование в накопительном и квазинепрерывном режиме в лабораторных условиях отобранных штаммов для определения в ходе экспоненциальной и стационарной фаз автотрофного роста темпов накопления биомассы, продуктивности и количества сухого вещества. Составить номограммы для режимов освещения, температуры, рН и состава питательных сред.
3. Определить биохимические характеристики: общее содержание липидов, триглицеридов и белков (в том числе незаменимых аминокислот); пигментов (хлорофиллов, β-каротина), витаминов (A, E). Оценить активность ферментов с антиоксидантной активностью (каталазы, супероксиддисмутазы и др.). Проанализировать состав жирных кислот, при этом особое внимание будет уделено содержанию омега-3 полиненасыщенных жирных кислот (α-линоленовой, стеаридоновой, эйкозапентаеновой и докозагексаеновой), достаточное количество которых позволяет повышать ценность кормов и подкормок.
4. Провести эксперименты по стрессированию во время культивирования для ускорения темпов накопления биомассы и увеличения содержания ценных метаболитов. В качестве стрессовых условий будет использовано увеличение концентрации всех макро-, микро- и ультрамикроэлементов в культивируемой среде в 10 раз, исключение из среды азота, исключение из среды фосфора, одновременное исключение из среды азота и фосфора, а также эксперименты с интенсивностью освещения и величиной pH питательной среды.
5. Провести культивирование отобранных штаммов водорослей и цианобактерий в биореакторах закрытого типа для оценки способности накопления ими больших объемов биомассы.
6. Проанализировать интенсивность процессов пероксидного окисления липидов в биомассе водорослей и цианобактерий при ее длительном хранении и разных видах ее подготовки (лиофильной, тонкослойной и солнечной сушке, замораживании).
Успешная реализация поставленных задач возможна благодаря:
– наличию в коллекции штаммов из основных группы водорослей, а именно диатомовых, зеленых, желтозеленых, эустигматофитовых, золотистых и криптофитовых, а также цианобактерий, что позволит отобрать с помощью скрининга наиболее перспективные штаммы в каждой группе;
– представленности в коллекции штаммов из родов зеленых водорослей Bracteacoccus, Chlorella, Chlamydomonas, Chlorococcum, Coccomyxa, Parietochloris и Scenedesmus; эустигматофитовых Eustigmatos, Pseudocharaciopsis и Vischeria; желтозеленых Pleurochloris; диатомовых Amphora, Aulacoseira, Halamphora, Navicula, Nitzschia и Synedra; цианобактерий Desmonostoc, Nodularia и Nostoc, среди представителей которых уже известны биотехнологически ценные штаммы;
– включению в коллекцию штаммов, выделенных из широчайшего спектра экотопов: от пресных до соленых водоемов, в том числе и гиперсоленной рапы, почвенных и эпифитных, что позволит исследовать штаммы водорослей с разной экологической валентностью;
– депонированию штаммов, представляющих разнообразные географические зоны не только Северного полушария, но и Южного – основными регионами пополнения коллекции являются Россия (Алтай, Байкальский регион, Волжский бассейн, Дальний Восток, Карелия, Москва, Северный Кавказ), Вьетнам, Индонезия, Монголия, Япония, Эфиопия, Украина – это даст возможность тестировать штаммы, представляющие географически отдаленные популяции и, возможно, обладающие разными физиологическими и биохимическими свойствами;
– полученным нуклеотидным последовательностям генов 18S рДНК, 28S рДНК, rbcL, ITS2 (эукариоты) и 16S рДНК, 23S рДНК и ITS (цианобактерии) для многих штаммов – это станет основой для установления принадлежности исследуемых штаммов к филогенетическим кладам, в составе которых уже отмечены высокопродуктивные представители с точки зрения накопления ценных биоактивных метаболитов.
Именно сочетание молекулярно-генетических, морфологических, физиологических и биохимических методов позволит нам отобрать и поддерживать набор биотехнологически ценных штаммов из разных групп водорослей и цианобактерий, которые будут иметь высокие темпы роста и накопления биомассы, характеризоваться высоким процентным содержанием липидов, а также необходимым составом жирных кислот, белков (в том числе незаменимых аминокислот), пигментов, витаминов и ферментов с антиоксидантной активностью. Исследование интенсивности процессов пероксидного окисления липидов в биомассе водорослей и цианобактерий позволит установить время начала накопления в ней вторичных продуктов липопероксидации. На основании этого будут предложены оптимальные способы подготовки и условия хранения биомассы, позволяющие как можно долго сохранять максимальное количество доступных метаболитов.
Разработанные эколого-биохимические паспорта штаммов микроводорослей и технологические карты условий культивирования, апробированные в модельных закрытых биореакторах, создадут надежную платформу для их промышленного использования. Внедрение в производство данных штаммов станет не только новым шагом в повышении эффективности использования биоресурсов, но и позволит улучшить качество и уменьшить себестоимость кормов и подкормок для сельского хозяйства, стимулировать рациональное использование природных ресурсов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ