Генетическая и эколого-биохимическая паспортизация и разработка оптимальных технологий культивирования водорослей и цианобактерий для получения биологически активных метаболитов

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

Публикации

1. Мальцев Е.И., Мальцева Е.И. Fatty acids of microalgae: diversity and applications Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 20: 515–547 (год публикации - 2021)
10.1007/s11157-021-09571-3

2. Мальцев Е.И., Мальцева С.Ю., Коциолек Д.П., Ян Р., Куликовский М.С. Biogeography of the cosmopolitan terrestrial diatom Hantzschia amphioxys sensu lato based on molecular and morphological data Scientific Reports, 11, 4266 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-82092-9

3. Мальцев Е.И., Мальцева Е.И., Куликовский М.С., Мальцева С.Ю. Influence of light conditions on microalgae growth and content of lipids, carotenoids and fatty acid composition Biology, 10, 10, 1060 (год публикации - 2021)
10.3390/biology10101060

4. Мальцев Е., Кривова З., Мальцева С., Мальцева Е., Горшкова Е., Куликовский М. Lipid accumulation by Coelastrella multistriata (Scenedesmaceae, Sphaeropleales) during nitrogen and phosphorus starvation Scientific Reports, 11, 19818 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-99376-9

5. Лобус Н.В., Куликовский М.С., Мальцев Е.И. Multi-element composition of diatom Chaetoceros spp. from natural phytoplankton assemblages of the Russian Arctic seas Biology, 10, 10, 1009 (год публикации - 2021)
10.3390/biology10101009

6. Мальцев Е., Мальцева А., Мальцева С. Differential Zn and Mn sensitivity of microalgae species from genera Bracteacoccus and Lobosphaera Environmental Science and Pollution Research, 28, 57412–57423 (год публикации - 2021)
10.1007/s11356-021-15981-1

7. Мальцев Е.И., Кривова З.В., Мальцева С.Ю., Куликовский М.С. Использование профиля жирных кислот в качестве хемотаксономического маркера для диатомовых водорослей из рода Nitzschia Hassall соленых озер Монголии Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии, 20, 1, 246–248 (год публикации - 2021)
10.14258/pbssm.2021047

8. Кривова З.В., Мальцев Е.И., Куликовский М.С. Сравнение жирнокислотных профилей разных штаммов диатомовой водоросли Cyclotella meneghiniana Kützing из соленого озера Тахилт-Нуур (Монголия) Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии, 20, 1, 246–248 (год публикации - 2021)
10.14258/pbssm.2021047

9. Кривова З.В., Мальцев Е.И., Куликовский М.С. Влияние фосфорного голодания на жирнокислотный состав штаммов рода Vischeria Вопросы современной альгологии, 2, 26, 159–163 (год публикации - 2021)
10.33624/2311-0147-2021-2(26)-159-163

10. Мальцева С.Ю., Куликовский М.С., Мальцев Е.И. Functional state of Coelastrella multistriata (Sphaeropleales, Chlorophyta) in an enrichment culture Microbiology, V. 91, № 5. – P. 523–532. (год публикации - 2022)
10.1134/S0026261722601385

11. Боровков А.Б., Гудвилович И.Н., Мальцева И.А., Рылькова О.А., Мальцев Е.И. Growth and B-phycoerythrin production of red microalga Porphyridium purpureum (Porphyridiales, Rhodophyta) under different carbon supply Microorganisms, V. 10, №11. – P. 2124. (год публикации - 2022)
10.3390/microorganisms10112124

12. Кезля Е., Глущенко А., Коциолек Дж.П., Мальцев Е., Генкал С., Куликовский М. A new species of Placoneis (Bacillariophyceae: Cymbellales) from wet soils in Southern Vietnam Cryptogamie, Algologie, V. 43, № 11. – P. 177–188. (год публикации - 2022)
10.5252/cryptogamie-algologie2022v43a11

13. Мальцева С., Кезля Е., Кривова З., Гусев Е., Куликовский М., Мальцев Е. Phylogeny and fatty acid profiles of Aliinostoc vietnamicum sp. nov. (Cyanobacteria) from soils of Vietnam Journal of Phycology, V. 58. – P. 789–803. (год публикации - 2022)
10.1111/jpy.13283

14. Кезля Е., Мальцев Е., Генкал С., Кривова З., Куликовский М. Phylogeny and fatty acid profiles of new Pinnularia (Bacillariophyta) species from soils of Vietnam Cells, V. 11, № 15. – P. 2446. (год публикации - 2022)
10.3390/cells11152446

15. Мальцев Е.И., Кривова З.В., Мальцева С.Ю., Кезля Е.М., Куликовский М.С. Особенности состава жирных кислот нового штамма Aliinostoc (Nostocales) Вестник Башкирского государственного педагогического университета им. М. Акмуллы, Т. 63, № 2. - С. 95-98. (год публикации - 2022)

16. Яковийчук А., Кривова З., Мальцева С., Кочубей А., Куликовский М., Мальцев Е. Antioxidant status and biotechnological potential of new Vischeria vischeri (Eustigmatophyceae) soil strains in enrichment cultures Antioxidants, V. 12, № 3. – P. 654. (год публикации - 2023)
10.3390/antiox12030654

17. Мальцев Е., Мальцева С.Ю., Куликовский М.С. Toxic effect of copper on soil microalgae: experimental data and critical review International Journal of Environmental Science and Technology, Published online: 18 January 2023 (год публикации - 2023)
10.1007/s13762-023-04766-3

Публикации