Почвенные микроорганизмы для биотехнологии и сельского хозяйства РФ
Завершился проект «Всероссийский атлас почвенных микроорганизмов как основа для поиска новых противомикробных продуцентов и ферментов с уникальными свойствами», который реализовывался в рамках ФНТП развития генетических технологий при поддержке Минобрнауки РФ. На основе научного волонтерства проведены сбор и масштабные исследования почвенных микроорганизмов, поступивших в Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН вместе с образцами почвы, собранной на территории Российской Федерации. материал сетевого издания «Коммерсант», подготовленный при поддержке Минобрнауки России, рассказывает о проекте и его результатах.
В проекте впервые использовали многоуровневую архитектуру выполнения научно-исследовательской работы: от участия нескольких тысяч школьников для первичного скрининга почвенных микроорганизмов до работы высококвалифицированных ученых. Целями проекта были создание продуцентов ряда новых ферментов, важных для генетических и биотехнологий, поиск и исследование механизмов действия новых антибиотиков, поиск новых бактериофагов и создание лекарственных препаратов на их основе, создание микробных консорциумов, положительно влияющих на рост и развитие сельскохозяйственных растений.
Необходимо было в максимально сжатые сроки осуществить процесс сбора почвенных образцов на огромной территории РФ и изучить их. Благодаря школьникам за два года и два месяца удалось собрать более 15 тыс. образцов почвы от Калининграда до Владивостока. Школьники проводили первичный скрининг образцов на пять типов разной биологической активности и отправляли их в ИХБФМ СО РАН. Все полученные образцы и их описание занесены в базу данных. Научные группы были сформированы таким образом, чтобы каждый образец был исследован не только микробиологическими, но и молекулярно-биологическими и генетическими методами.
Отдельная группа ученых занималась поиском микроорганизмов, продуцирующих антибиотики, другая искала бактериофаги, которые живут в этих микроорганизмах, третья изучала возможность улучшения плодородия почв с помощью продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, четвертая занималась изучением ферментов, содержащихся в этих микроорганизмах, для их последующего использования в молекулярно-биологических целях, приложениях, биотехнологиях и т. д.
Каждое направление исследований было закреплено за отдельными научными коллективами мирового уровня из четырех научных организаций и двух вузов: Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Сколковского института науки и технологий, Новосибирского национального исследовательского государственного университета, Института почвоведения и агрохимии СО РАН, Пущинского научного центра биологических исследований РАН и научно-технологического университета «Сириус». Фонд «Поддержка проектов в области образования» выступал координатором между общеобразовательными учреждениями, участвующими в массовом эксперименте, и участниками научных направлений.
Об основных результатах проекта:
В 2024 году получен ряд мутантных и химерных вариантов термостабильных ДНК-полимераз, которые по одному либо двум параметрам значительно превосходят используемые (доступные в РФ) аналоги. Применение новых ферментов позволит значительно уменьшить число ошибок при проведении ПЦР, что особенно важно, например, для клонирования генов, систем ПЦР-диагностики точечных мутаций и других приложений, в которых требуется высокоточное воспроизведение матричной цепи ДНК.
Обнаружен и охарактеризован штамм Bacillus pumilus, одновременно продуцирующий несколько протеаз, проявляющих активность в широком диапазоне температур и рН. Это важное свойство позволяет использовать немодифицированный природный штамм в производстве моющих средств, фармацевтической, пищевой и кормовой промышленности.
Создан коктейль аэромонадных бактериофагов как средство профилактики и терапии рыб с аэромонозами. Бактерии аэромонады вызывают тяжелые болезни рыб, нанося существенный ущерб рыбным хозяйствам. Они обладают природной устойчивостью к ряду антибиотиков, поэтому разработка альтернативных методов лечения, одним из которых может быть фаготерапия, является весьма актуальной. Разработанный коктейль содержит четыре охарактеризованных фага против основных патогенных видов аэромонад. Его эффективность показана в аквариумном эксперименте на модельной инфекции карповых рыб Barbus tetrazona.
Создана диагностическая панель для обнаружения и идентификации отдельных штаммов бактерий сальмонелл и эшерихий. Она позволит анализировать пути заражения животных и птиц в сельском хозяйстве и подбирать нужные бактериофаги, которые будут работать лучше всего в каждом отдельном случае.
15 тыс. почвенных микроорганизмов протестировали на способность производить антибиотики. Обнаружен 951 штамм бактерий, подавляющих другие микроорганизмы. Составлен список неидентифицированных молекул, из которого возможно получить новые антибиотики. В 2024 году проведен анализ механизма действия одного из новых антибиотиков.
Для повышения продуктивности при выращивании шампиньонов на компосте из подстилочной смеси с птицефабрик в интересах индустриального партнера проводили анализ целлюлозолитических микроорганизмов, повышающих доступность питательных веществ в субстрате. В 2024 году изолированы два термофильных штамма бактерий, обладающих такой активностью. Доказано отсутствие патогенности новых штаммов. Показано, что компостирование подстилки с добавлением данных бактерий обеспечивает более быстрый рост грибного мицелия на субстрате.
С целью интегральной оценки наличия разных микроорганизмов и разных метаболических путей в конкретном образце почвы разработан прототип ПЦР-тест-системы оценки микробиома почвы, полезного для плодородия. Результаты ПЦР в конкретном образце почвы позволяют оценить присутствие генов основных метаболических путей, отвечающих как за улучшение питательных свойств почвы, так и за адаптационные характеристики самих растений. Использование тест-системы позволит сделать сельское хозяйство персонализированным и вносить в почву именно те микроорганизмы, которые необходимы растению.
Фото: aleksandarlittlewolf / Freepik