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 25-44-02157
НазваниеТаргетная и нетаргетная метаболическая инженерия фенилпропаноидного метаболизма в растениях
Руководитель Ямпольский Илья Викторович, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук , г Москва
Конкурс №113 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами»
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-208 - Молекулярная биология
Ключевые слова Генетическая инженерия растений, биолюминесценция, фенилпропаноидный метаболизм, метаболомный анализ, CRISPR-регуляторы
Код ГРНТИ34.15.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Фенилпропаноидный путь — центральная система вторичного метаболизма растений, формирующая лигнины, флавоноиды, антоцианы и ряд других фенольных соединений, критически важных для защиты от стресса, формирования вкуса и окраски плодов, а также для биомедицинских и промышленных применений. Быстрые климатические изменения и рост спроса на сельскохозяйственную продукцию требуют целенаправленного управления этим путём. Поэтому целью проекта является решение актуальной задачи современной биотехнологии растений - разработка универсального инструментария для рациональной инженерии фенилпропаноидного метаболизма, который позволит создавать генномодифицированные культуры с улучшенными пищевыми, фармацевтическими и технологическими проекта свойствами.
Проект направлен на комплексное исследование регуляторной сети растительных фенилпропаноидов на модели Nicotiana sp. Для достижения этой цели проекта будет применены (i) таргетирование конкретных генов, связанных с фенилпропаноидным метаболизмом, с помощью CRISPR‑регуляторов и нетаргетный подход поиска ассоциированных с этим путем генов путем экспрессии геномной библиотеки A. thaliana; (ii) биолюминесцентные репортерные системы и масс‑спектрометрический мониторинг метаболитов для прямого отслеживания потока углерода; (iii) интегративный биоинформатический анализ метаболомных данных и синтез полученных результатов в единую картину. Такое сочетание таргетных и нетаргетных стратегий обеспечивает идентификацию ключевых регуляторов, управляющих балансом ценных фенольных веществ у растений, и составляет научную новизну проекта.
В результате выполнения проекта будет предложена модель взаимодействия различных веток фенилпропаноидного метаболизма между собой, и их влияния на активность искусственно внедренной ветви метаболизма. Также будут выявлены «горячие точки» регуляции и разработаны модульные CRISPR‑«конструкторы» для гибкой инженерии этого метаболизма. Полученные результаты откроют возможности создания новых пищевых и декоративных культур, кормов с улучшенной перевариваемостью, а также растений‑«фабрик» для получения биоактивных соединений, таких как ресвератрол, изофлавоны, розмариновая кислота и др. Тем самым проект заложит основу для устойчивого сельского хозяйства и разработки инновационных агро‑ и фармпродуктов, укрепляя научно‑технологический потенциал в области растительной метаболической инженерии.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проета будет выявлены новые гены, участвующие в регуляции фенилпропаноидного метаболизма у растений, и охарактеризованы их функциональные свойства.
На начальном этапе проекта на основе анализа литературных данных будут выбраны гены, потенциально принимающие участие в регуляции метаболизма фенилпропаноидов у растений. Для этих генов-кандидатов будут сконструированы направляющие последовательности sgRNA, и созданы линии Nicotiana tabacum или Nicotiana benthamiana (далее – Nicotiana sp.), экспрессирующие CRISPR-регуляторы. По результатам тестирования модулирования экспрессии на спектр фенилпропаноидов будут выявлены наиболее значимые регуляторные гены этой системы метаболизма. Также будет проведен нетаргетный скрининг геномной библиотеки Arabidopsis thaliana путем скрининга с использованием биолюминесцентной системы грибов.
Дополнительно будут созданы сенсорные и аналитические платформы для оценки содержания фенилпропаноидов в клетках. Для этого будет проведена оптимизация биолюминесцентной репортерной системы на базе FBP3 (Shakhova et al. 2024), а также подготовлены протоколы метаболомного анализа с использованием современных протеомных методов (LC-MS).
Полученные фенотипы Nicotiana sp. будут оценены посредством метаболомного анализа и биолюминисцентного имиджинга, а количественный анализ содержания метаболитов и статистическая обработка данных позволят выявить взаимосвязи между экспрессией конкретных генов и метаболическими профилями линий Nicotiana sp. После этого наиболее перспективные гены-кандидаты будут валидированы с применением индивидуальных sgRNA, и, с учётом полученных результатов, будут составлены метаболические карты фенилпропаноидного пути для Nicotiana sp.
Результаты проекта станут основой для генетической инженерии ключевых генов-регуляторов и создания линий Nicotiana sp. с измененным фенилпропаноидным профилем.
Помимо практических задач, проект ставит цель ответить на следующий вопрос, интересный с зрения как эволюционной, так и синтетической биологии: как именно внедрение новой ветви фенилпропаноидного метаболизма влияет на перераспределение потоков веществ и энергии между другими ветвями метаболизма?
Научная значимость проекта обусловлена развитием фундаментальных знаний о молекулярно-генетической регуляции фенилпропаноидного метаболизма у растений. Полученные результаты позволят глубже понять механизмы, лежащие в основе синтеза и накопления фенольных соединений, флавоноидов, лигнина и других метаболитов данного пути, что соответствует мировому уровню исследований в области метаболической инженерии. Наличие новых высокоточных инструментов для идентификации и валидации генов-кандидатов усилит теоретическую базу и откроет возможности для создания более эффективных биотехнологических стратегий управления метаболизмом растений.
Общественная и практическая значимость проекта связана прежде всего с перспективой применения полученных данных и технологий в аграрной, пищевой, фармацевтической и смежных отраслях. Оптимизация фенилпропаноидного пути может привести к повышению устойчивости растений к патогенам и стрессовым факторам окружающей среды, улучшению вкусовых качеств и пищевой ценности продукции, а также повышению выхода ценных фитохимических соединений (например, антиоксидантов и пигментов). Реализация результатов в прикладной сфере будет способствовать развитию новых видов функциональных продуктов питания и лекарственных средств, повышая экономическую эффективность сельского хозяйства и усиливая социальный эффект за счёт расширения ассортимента высококачественной растительной продукции.