Регистрация / Вход
Прислать материал

Новые экспрессионные системы для высокопродуктивной гетерологичной экспрессии бактериальных экзо-ферментов, востребованных промышленной биотехнологией

Докладчик: Синицын Аркадий Пантелеймонович

Должность: Зав. лаб., профессор

Цель проекта:
Целью проекта является создание новых высокопродуктивных рекомбинантных штаммов микроорганизмов, продуцирующих технические ферменты-бактериальные целлюлазы, обладающие уникальными свойствами при гидролизе целлюлозосодержащего сырья (ЦСС) при совместном участии российских и немецких партнеров. Адаптация полученных рекомбинантных штаммов к технологическому процессу биоконверсии ЦСС приведет к значимому экономическому эффекту за счет снижения операционных расходов на производство ферментных препаратов- наиболее затратной составляющей технологического процесса переработки ЦСС.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными ожидаемыми результатами проекта будут являться:
-) Разработка научно-технических подходов к созданию новых эффективных рекомбинантных штаммов микроорганизмов, являющихся продуцентами гетерологичных ферментов, востребованных промышленной биотехнологией. Подход будет иметь комплексный характер и включать в себя набор генно-инженерных, микробиологических, биохимических и биоинформационных методов.
-) Разработка новых экспрессионных систем получения гетерологичных ферментов, в частности, целлюлаз бактериального происхождения в эукариотических (Aspergillus, Penicillium) и прокариотических (Bacillus) системах. Новые системы будут отличаться повышенным уровнем экспрессии бактериальных ферментов, а также будут характеризоваться универсальностью использования при получении любых промышленно важных ферментов.
-) Получены эффективные производственные штаммы-продуценты бактериальных целлюлаз, являющихся структурными единицами целлюлосом – целлюлолитического комплекса ферментов бактерии Clostridium thermocellum, обладающего исключительной активностью при деградации целлюлозы. Новые прокариотические и/или эукариотические рекомбинантные штаммы-продуценты бактериальных целлюлаз будут характеризоваться повышенной целлюлолитической активностью по отношению к растворимой и нерастворимой целлюлозе.
-) В рамках проекта будет получен набор методической и нормативной документации, такой как набор методик для высокопродуктивного скрининга рекомбинантных штаммов, определения базовых и целевых активностей рекомбинантных штаммов, культивирования оптимизированных рекомбинантных штаммов в лабораторных ферментерах, а также нормативной документации, в частности, лабораторного регламента получения рекомбинантных штаммов-продуцентов бактериальных целлюлаз.
-) В рамках проекта предполагается получение результатов, способных к правовой охране (2 патента).
-) В рамках проекта предполагается 3 совместных с немецкими партнерами публикации в журналах, индексируемых в базе данных Web of Science или Scopus, отражающие ход реализации совместного проекта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты предлагаемого проекта могут быть использованы в биотехнологии, в частности, в процессах биоконверсии целлюлозосодержащего сырья до простых сахаров как субстратов для микробиологического синтеза. Минимизация затрат при использовании ферментных препаратов бактериальных целлюлаз приведет к экономическому эффекту в процессах биоконверсии ЦСС за счет снижения стоимости ферментных препаратов, которая будет достигаться, в свою очередь, за счет удешевления процессов культивирования новых рекомбинантных штаммов как прокариотических так и эукариотических микроорганизмов.
Важен также и экологический аспект биоконверсии ЦСС. Применение биотехнологических подходов при переработке ЦСС создает новые возможности для многих отраслей биотехнологии. В экологическом смысле замена традиционных ископаемых источников углеводородов на растительные возобновляемые ресурсы позволит добиться снижения выбросов углекислого газа за счет использования возобновляемой биомассы. Ферментативная обработка ЦСС является экологически чистой стадией биоконверсии растительного сырья, снижая нагрузку на экологическую систему Земли.
Важно также отметить, что получаемые ферментные препараты бактериальных целлюлаз будут иметь комплексные характеристики, поскольку реципиентные штаммы низших грибов Penicillium, например, обладают собственным базовым комплексом ферментов-карбогидраз (целлюлаз, ксиланаз и тд). Это позволит получить универсальные ферментные препараты, которые можно будет использовать для ферментативного гидролиза широкого спектра целлюлозосодержащих субстратов, расширяя тем самым сырьевую базу ЦСС. Этот факт является существенным преимуществом в сравнении с коммерческими ферментными препаратами, полученными на основе штамма микромицетного гриба Trichoderma, которые, зачастую, требует предварительного смешения, что в технологическом смысле затрудняет процесс ферментативного осахаривания.
Таким образом, новые ферментные препараты, используемые при биоконверсии целлюлозосодержащего сырья, позволят экологически чисто утилизировать основной возобновляемый отход лесной и деревообрабатывающей промышленности- некондиционную древесину, а также отходы лесопильных производств- щепу в простые сахара. Экспериментально полученные новые комплексные ферментные препараты также могут быть применены для биодеградации любых других целлюлозосодержащих отходов производств, например, отходов целлюлозобумажной промышленности.
Разработка востребованных штаммов-продуцентов гетерологичных ферментов для целей промышленной биотехнологии, на примере впервые экспрессированных генов клостридиальных целлюлаз (ТUM, Мюнхен, Германия) в реципиентных штаммах низших грибов (ИНБИ РАН, Москва, Россия) и бактерий рода Bacillus, интенсифицирует русско-немецкое сотрудничество в области экспрессии промышленно значимых белков.
Предлагаемый комплексный проект будет способствовать реализации целей нескольких европейских инициатив, таких как Roadmap to a Resource-Efficient Europe, the Bioeconomy Stategy, the Eco-Innovation Initiatives for the Environmental Technologies Action Plan, и the Lead Market Initiative on Bio-Based Products.

Текущие результаты проекта:
К текущим результатам проекта следует отнести:
- Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы с использованием более 100 литературных источников.
- Теоретические исследования способов получения рекомбинантных штаммов промышленного значения, анализ потребностей рынка ферментных препаратов целлюлаз показали, что существует значительная потребность в новых целлюлолитических ферментах, обладающих уникальными свойствами, в частности, более высокой удельной активностью для экспрессии их в высокопродуктивной системе низших грибов.
- Обоснован выбор оптимальных реципиентных штаммов низших грибов по следующим критериям: продуктивность, стабильность продукции белков, низкий уровень экспрессии протеаз- такими штаммами могут являться ауксотрофные штаммы Aspergillus awamori и Penicillium canescens.
- Произведен биоинформатический анализ частоты использования кодонов в выбранных штаммах Penicillim и Aspergillus для моделирования синтетических бактериальных генов cel1 и cel2 из Clostridium thermocellum;
- Разработана лабораторная методика трансформации штамма-реципиента Aspergillus.
- Разработана лабораторная методика трансформации штамма-реципиента Penicillium.