ИСТИНА

Разработку научно-технических основ усовершенствованной технологии культивирования микроводоаослей-продуцентов ценных соединений (вторичных каротиноидов).

Oxygenic phototrophic microorganisms, in particular microalgae, have a number of properties that are of great importance for modern industrial biotechnology. Certain groups of microalgae can be producers of such valuable secondary metabolites as carotenoids (for example, astaxanthin and β-carotene), as well as polyunsaturated fatty acids (PUFAs) - substances that have a high added value and are widely in demand in various sectors of the economy: from the food industry to pharmaceuticals. Carotenoids are used primarily as powerful antioxidants, while PUFAs are precursors for the synthesis of various biologically active chemical compounds in the human and animal body, are part of cell membranes, and are necessary for the proper development of a number of systems and organs. The physiological role of secondary carotenoids in microalgae is to protect vital cellular structures from possible photooxidation, and fatty acids are a long-term energy reservoir for the ability to survive a period of adverse conditions. For this reason, the accumulation of these secondary metabolites in the biomass of cell cultures occurs precisely in response to stress factors, which include high light intensity, lack of mineral nutrients, and so on. Thus, in the industrial cultivation of such producers, a conflict often arises between obtaining a sufficient amount of biomass and inducing the required amount of the product, since some of the culture cells cannot withstand stressful conditions. Additionally, the situation is complicated by the risk of parasitic contamination of such crops during large-scale cultivation in semi-closed and open systems. It should be noted that microalgae often exist in the form of algal-bacterial consortiums with bacteria and other microorganisms inhabiting their phycosphere, a zone around phototrophic cells enriched with oxygen and nutrients. This feature is characteristic of microalgae both in natural conditions and in the form of laboratory cultures. Obtaining axenic cultures, that is, represented exclusively by cells of a single phototrophic strain, is difficult for a number of reasons, one of which is the presence of strong algo-bacterial relationships with the components of the phycosphere, expressed in stable trophic relationships and the exchange of regulatory biomolecules. These may include metabolites of cellular processes, signal peptides, proteins, and microRNAs. Such mechanisms of interspecific interactions are widespread in nature as host-symbiont and host-pathogen systems, but are poorly studied in algal-bacterial communities of microalgae today. Considering the ability of some well-known mediators of interspecific interactions to influence the growth characteristics of crops and the accumulation of valuable chemical compounds, the study of these compounds and mechanisms is an urgent task for the biotechnology of microalgal producer strains. As part of the implementation of this project, it is planned to carry out an omics analysis of mediators of microbial interactions in cultures of carotenogenic microalgae, including using the technological resources of the IO. The obtained data will be used to compile interspecies networks of microbial interactions, on the basis of which a predictive model will be built for the first time, linking them with the productivity of carotenogenesis in the cultures under study. The results obtained will be refined using direct microbiological methods. In addition to the productivity indicator, special attention will be paid to the indicator of crop stability, which is expressed in the stability of the taxonomic composition, as well as indicators of the yield of target products over time. To validate the final model of microbial interactions, a minimal algo-bacterial community with predicted targets will be constructed. The most important scientific and practical result of the project will be the development of mathematical modeling tools that allow solving production problems of microalgae biotechnology. In the future, it is possible to extrapolate this approach to other microbiological systems used in industrial biotechnology.

Предполагаемые результаты проекта включают в себя: 1) Подробный массив данных о составе биологически-активных веществ (низкомолекулярных метаболитов, пептидов, белков, РНК), выделяемых компонентами альго-бактериального сообщества каротиногенных микроводорослей в культуральную среду при разных условиях. Данные результаты помогут частично заполнить существующий пробел в фундаментальных знаниях о физиологии микробных сообществ, выстраивающихся вокруг оксигенных фототрофных микроорганизмов – потенциальных источников новых штаммов-продуцентов биотехнологически-ценных субстанций. 2) Компьютерные и экспериментальные методы анализа микробных сообществ, прогнозирования их функционального профиля и физиологических реакций в разных условиях. Данный результат будет иметь трудно переоценимое практическое значение, поскольку создает научно-техническую основу для оптимизации биотехнологических процессов с участием микроорганизмов (в частности микроводорослей) при переходе от лабораторных прототипов к промышленным системам. 3) Набор параметров для оптимизированного культивирования штаммов-продуцентов каротиногенных микроводорослей с новыми комбинациями целевых каротиноидов и ПНЖК. Данный результат обеспечит переход к промышленному культивированию данных штаммов, как альтернативу ныне используемым штаммам H.lacustris и D.salina. С учётом компетенций коллектива исполнителей, доступного им арсенала методов и серьёзного научного задела можно утверждать, что предполагаемые научные результаты будут соответствовать мировому уровню, а в отдельных аспектах — превосходить его. Результаты реализации проекта будут востребованы биотехнологическими производствами – в фотобиореакторах, на фермах аква- и марикультур, крупными промысловыми хозяйствами, фармацевтическими предприятиями и фирмами по производству БАДов для пищевой промышленности. Они могут быть значимыми для отраслей, регулирующихся Министерством сельского хозяйства РФ, Министерством экономического развития РФ, Министерством здравоохранения и Роспотребнадзором. Научно-технические результаты проекта также могут быть экстраполированы на решение задач биоремедиации и экологического мониторинга – службами рекреационных прибрежных зон, на морских нефтегазовых предприятиях для контроля водной среды и ликвидации последствий утечек, а также в очистных сооружениях. Они также будут полезны практическим работниками в системах Министерства природных ресурсов и экологии РФ, Федерального агентства водных ресурсов и Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

У коллектива имеется многолетний опыт совместной работы, что отражено в списке прилагаемых публикаций и успешно завершенных проектов. Под руководством Лобаковой Е.С. на кафедре биоинженерии создана коллекция уникальных штаммов микроводорослей и цианобактерий, изолированных из различных местообитаний; особое место в ней занимают исследования каротиногенных микроводоросли умеренных и высоких широт. Работы Зайцевой А.А. направлены на изучение природных и лабораторных сообществ микроводоросли Haematococcus lacustris. Особое место отведено изучению его микробиома и его динамики в природе в течение нескольких лет при выделении в культуру. В работе применялись как классические микробиологические методы, так и методы высокопроизводительного секвенирования (метабаркодинг по локусу 16S рРНК). Коллектив имеет коллекцию уникальных штаммов каротиногенных микроводорослей. Многие штаммы защищены патентами РФ. Для некоторых из них описаны параметры накопления каротиноидов, ростовые характеристики, особенности микробиома культур. Разработаны методики получения устойчивых альго-бактериальных сообществ, качественный таксономический состав которых не изменяется в зависимости от условий среды, а также получения аксеничных культур, лишенных сопутствующих бактерий (данные в процессе публикации). Также имеется коллекция штаммов бактерий, выделенных из микробиома культур каротиногенных микроводорослей, необходимых для выполнения данного проекта. Помимо этого, благодаря разработанным методикам, имеются два альго-бактериальных сообщества со стабильным составом микробиома, которые планируется использовать для проведения работ по данному гранту в первую очередь. Коллектив владеет всеми необходимыми для выполнения данного проекта методиками и имеет доступ к необходимому оборудованию, такому как масс-спектрометры, хроматографы (ресурсы ОИ), секвенаторы 2-го и 3-го поколений, оборудованию для спектроскопии, и условиям для массовых параллельных микробиологических экспериментов.

Результаты проекта направлены на разработку научно-технических основ усовершенствованной технологии культивирования микроводорослей-продуцентов ценных соединений (вторичных каротиноидов). Новые знания о межмикробных взаимодействия в культурах и управлении продуктивность микроорганизмов экзометаболитами представителей микробиома позволят: - увеличить стабильность культур, снизив тем самым затраты на поддержание культур; - повысить продуктивность за счёт рационального управления составом микробиома культур с целью стимулирования накопления биомассы и целевых субстанций. Всё это в совокупности сделает технологии получения натуральных биоантиоксидантов, БАВ и безопасных красителей из культур микроводорослей более рентабельными, а значит и более доступными для производителей соответствующей продукции. В частности, результаты проекта будут востребованы для производства следующих товаров: - добавки к кормам для аквакультуры лососёвых и других ценных пород рыб; - кормовых добавок для животных; - пищевых добавок для функционального питания, в т.ч. диет для спорта высоких достижений; - безопасных натуральных красителей для пищевых продуктов и изделий; - активных ингредиентов для медицинской косметики; - линейки БАВ.