Основные  результаты, полученные в ИБФМ РАН в 2021 г.

Биологическое разнообразие

• На основании результатов филогенетического анализа и сравнительного изучения физиолого-биохимических характеристик подготовлены и опубликованы описания 4-х новых видов дрожжевых грибов  из  фонда  Всероссийской коллекции микроорганизмов (ВКМ): Zygotorulaspora dagestanica (типовой штамм VKM Y-3060, выделен из почвы, Дагестан), Papiliotrema horticola (типовой штамм VKM Y-3061, выделен из мякоти  яблок, Владимирская обл.), Teunia lichenophila (типовой штамм VKM Y-3062, выделен из лишайника Cladonia rangiferina, Тюменская обл.) и Metschnikowia taurica (типовой штамм VKM Y-3063, выделен из плодов Ziziphus jujuba, Крым) (Всероссийская коллекция микроорганизмов, д.б.н. Евтушенко Л.И.).  

• Выполнены исследования в рамках эксперимента «Тест» по изучению выживаемости микроорганизмов в условиях космоса при их длительной экспозиции на внешней поверхности Международной космической станции (МКС). Для исследований отобран штамм архей Methanosarcina mazei VKM B-1636^T, показавший максимальную устойчивость к УФ-облучению и вакуумированию как факторам негативного воздействия условий космического пространства. Эксперимент в космосе показал, что жизнеспособная популяция клеток M. mazei сохранялась на внешней поверхности МКС в течение 24 мес. Полученные результаты свидетельствуют о наличии у M. mazei механизмов защиты от воздействия факторов космического пространства, в том числе вакуума, УФ-облучения, перепадов температур. С протекторными механизмами связана, вероятно, и способность  M. mazei образовывать уникальные цистоподобные покоящиеся формы клеток (Всероссийская коллекция микроорганизмов, д.б.н. Щербакова В.А.)

• Описан новый вид микромицетов – Neodevriesia kalakoutskii (семейство Neodevriesiaceae, класс Dothideomycetes), обнаруженный в многолетнемерзлых отложениях на южном берегу Ис-фьорда, вблизи Баренцбурга, Западный Шпицберген. Известные виды грибов рода Neodevriesia обычно связаны со скальными породами, водорослями и морскими животными наземных и морских литоральных экосистем. Особенностью нового вида, помимо уникального источника выделения, является способность к росту при температурах от 5 до 20 °C (большинство известных видов  Neodevriesia являются мезофилами с оптимумом роста  25 °C). Доказательство принадлежности изученного штамма VKM F-4872 к новому виду основывается на результатах филогенетического анализа  и сравнительного изучения фенотипических признаков (Всероссийская коллекция микроорганизмов, д.б.н. Озерская С.М.). 

• Обобщены морфологические, физиолого-биохимические, хемотаксономические характеристики, проанализировано филогенетическое положение и метаболизм штаммов – представителей родов Methylovorus и Methylobacillus. Секвенированы геномы ряда биотехнологически перспективных аэробных метилотрофных бактерий, исследованы их метаболические особенности окисления и ассимиляции С1-соединений на уровне генов и ферментов. На основе анализа геномов представителей семейства Hyphomicrobiaceae предложено описание нового вида Methyloligella maris sp. nov. и нового семейства Methyloligellaceae fam. nov. Проведен сравнительный анализ всех полных геномов метанотрофных бактерий рода Methylococcus, выявлена высокая синтения их геномов и высокое сходство по генам метанотрофного метаболизма, обнаружены изоляты с генетическими и фенотипическими характеристиками, определяющими адаптацию к условиям природной экониши и высокий биотехнологический потенциал. Разработан экспериментальный подход к изменению коферментной специфичности акрилил-КоА редуктазы, катализирующей НАД(Ф)Н-зависимое восстановление акрилил-КоА до пропионил-КоА, с целью получения рекомбинантных ферментов, применяемых для конструирования искусственных метаболических путей различного назначения (лаб. радиоактивных изотопов, к.б.н.  Мустахимов И.И.).

Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов

• β-Литическая протеаза Lysobacter capsici VKM B-2533^Т является перспективным антимикробным ферментом, гидролизующим живые клетки Staphylococcus aureus, в т.ч. клинические изоляты MRSA. Установлена оптимальная среда культивирования для гомологичной системы экспрессии L. capsici blp P_T5, при росте на которой повышается выход этого фермента. Успешно проведено масштабирование процесса культивирования экспресинного штамма в ферментерах с рабочим объемом 5 л. В результате увеличен выход β-литической протеазы более чем в 1,6 раза по сравнению с лабораторными условиями. Результаты позволяют считать новую гомологичную систему экспрессии перспективной для решения биотехнологических задач (лаб. биохимии клеточной поверхности микроорганизмов, к.б.н. Леонтьевская Н.В.).

• Проведен детальный сравнительный анализ содержания неорганических полифосфатов, полифосфатазных активностей и устойчивости к марганцевому, окислительному и щелочному стрессам родительского штамма дрожжей и штаммов–сверхпродуцентов четырех полифосфатаз, различающихся по физико-химическим свойствам, локализации в клетке и относящихся к разным белковым семействам. Показано, что штаммы, оверэкспрессирующие полифосфатазы Ppn1   и Ddp1, характеризуются повышенной устойчивостью к марганцевому и окислительному стрессам, несмотря на то, что содержание полифосфатов у первого штамма снижено, а у второго не изменилось. Штамм, оверэкспрессирующий полифосфатазу Ppx1 со сниженным уровнем полифосфатов, напротив, был более чувствителен к указанным стрессам. Предположено, что эти эффекты связаны с различной способностью полифосфатаз к гидродизу органических сигнальных фосфорных соединений, таких, как цАМФ и инозитолпирофосфаты (лаб. регуляции биохимических процессов, д.б.н. Кулаковская Т.В.).

• Получена рекомбинантная двухдоменная лакказа бактерии Streptomyces carpinensis с температурным оптимумом 85 °С и стабильностью при щелочных значениях рН. Фермент окислял типовой органический нефенольный субстрат лакказ АБТС при рН 3,0-5,0, фенольный субстрат 2.6-ДМФ -  при рН 5.5-9.0. Окислительно-восстановительный потенциал лакказы составил 0,472±0,007 V. Таким образом, полученная лакказа – первая двухдоменная лакказа, обладающая средним окислительно-восстановительным потенциалом. Трансформация гуминовых кислот двухдоменной лакказой происходит путем их полимеризации при щелочных значениях рН, что характерно для изученных ранее двухдоменных лакказ из других стрептомицетов (лаб. микробной энзимологии, д.б.н. Леонтьевский А.А.).

Структура и функции биомолекул и надмолекулярных комплексов, протеомика, биокатализ

• Получены результаты полных молекулярных, структурных и функциональных исследований первой гентизат-1,2-диоксигеназы (rho-GDO) из актинобактерии Rhodococcus opacus 1CP), которая осуществляет расщепление ароматического кольца гентизата – интермедиата разложения широкого спектра токсичных ароматических и полиароматических ксенобиотиков. Впервые получена полная нуклеотидная последовательность гена, кодирующего rho-GDO, осуществлен филогенетический анализ аминокислотной последовательности rho-GDO. Структурный анализ показал идентичность аминокислот, формирующих полость активного центра rho-GDO и салицилат-1,2-диоксигеназы из Pseudaminobacter salicylatoxidans (RCSB PDB: 2PHD), имеющей отличную субстратную специфичность. Описанный феномен «мимикрии» активных центров предполагает более сложную природу механизма, лежащего в основе субстратной специфичности ферментов этого класса, и делает rho-GDO удобной моделью для нового направления последующих исследований в области взаимосвязи структуры и функции ферментов (лаб. энзиматической деградации органических соединений, к.б.н. Коломыцева М.П.)

Молекулярная генетика, механизмы реализации генетической информации, биоинженерия

• Проанализированы 474 последовательности кольцевых молекул бактерий группы Bacillus cereus депонированных в GenBank с размером 15–500 тысяч пар оснований. В результате обнаружено 28 (5.9  %) новых плазмидных профагов, среди которых 23 генома, являющихся представителями 23 новых родов бактериофагов. Данные  исследования могут служить основой не только для выявления биоразнообразия бактериофагов, но и являться источником материала для конструирования новых вирусов бактерий, в том числе с помощью методов синтетической биологии (лаб. биологии вирусов бактерий, к.б.н. Шадрин А.М.)

• Продолжена работа по поиску потенциальных противоопухолевых агентов, продуцируемых микроорганизмами, и разработке средств их доставки в клетки человека посредством лигнин-подобных полимерных наночастиц. Исследована биологическая активность фумихиназолинов F и G - вторичных метаболитов гриба Penicillium thymicola ВКМ F-869 - на культивируемые клетки рака молочной железы. Показано, что эти метаболиты подавляют способность опухолевых клеток к миграции, изменяя уровень белков, принадлежащих к Wnt-b catenin сигнальному пути. Посредством ЯМР определена структура лигнин-подобных полимеров феруловой и гентизиновой кислот, используемых для формирования наночастиц для переноса фармакологических соединений в клетки человека. Показано, что в составе наночастиц полимеры феруловой кислоты имеют линейную форму, а полимеры гентизиновой кислоты - разветвлённую форму. Наночастицы, сформированные этими полимерами, не обладают цитотоксичностью для культивируемых клеток человека, что позволяет их применение в качестве носителей для загрузки лекарственными препаратами (лаб. энзимологии генетических процессов, отв. исп. к.б.н. Земскова М.Ю.).

Биотехнология

• Успешно выполнено секвенирование полного генома и транскриптома штамма Gordonia alkanivorans 135. У актинобактерии впервые обнаружены гены, вовлечённые в катаболизм дибензотиофена (ДБТ), которые не относятся к распространённому у этой группы бактерий 4S-пути десульфуризации дибензотиофена. Все ранее имеющиеся в литературе данные о ДБТ-катаболизирующих актинобактериях касались единственного известного у них пути деструкции ДБТ, который контролируется генным кластером dsz. В данной работе выявлено и достоверно подтверждено, что штамм G. alkanivorans 135 использует при утилизации ДБТ другие гены и другой метаболический путь. Штамм утилизировал 45.26 % ДБТ за 150 ч. культивирования при 26 °С. Это первое сообщение о штамме Gordonia, который утилизирует ДБТ, не имея генов dsz (лаб. физиологии микроорганизмов, д.б.н. Вайнштейн М.Б.).

• Установлена способность термофильного штамма актинобактерий Saccharopolyspora hirsuta ВКМ Ac-666^T к структурной модификации и окислительной деградации холестерина с образованием 26-гидроксихолестерина и 3-гидрокси-5-ен-26-оевой кислоты. Структуры подтверждены различными инструментальными методами анализа, включая H¹- и C¹³-ЯМР спектроскопию. Установлено, что гидроксилирование алифатической боковой цепи при С-26 и модификация кольца А стероидного ядра, предположительно катализируемые цитохром-P450 монооксигеназой CYP125 и холестеролоксидазой, соответственно, происходят одновременно и предшествуют каскаду реакций деградации боковой цепи и деструкции стероидного ядра по 9(10)-секо-пути. Кандидатные гены, относящиеся к окислению стеринов и холатов, образуют в геноме S. hirsuta 3 кластера. Наборы генов включают ортологи генов стероидного катаболизма у Mycobacterium tuberculosis H37Rv, Rhodococcus jostii RHA1 и других стеринтрансформирующих актинобактерий. Осуществлен биоинформатический анализ 52 геномов термофильных бактерий и выявлено семь кандидатных штаммов, обладающих ключевыми генами, относящимися к 9(10)-секопути деградации стероидов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что способность к окислительной деградации стероидов, выявленная для 5 из 6 термофильных актинобактерий рода Saccharopolyspora, не характерна для большинства других термофильных бактерий (лаб. микробиологической трансформации органических соединений, д.б.н. Донова М.В.).

• По результатам скрининга и характеристики перспективных нефтеокисляющих штаммов созданы опытные образцы новых биопрепаратов для очистки почв от нефтяных загрязнений на основе ассоциаций термотолерантных микроорганизмов-нефтедеструкторов. Разработана технология их хранения и применения, определена эффективность деградации нефти микробными ассоциациями в различных модельных системах, отслежены изменения уровня нефтезагрязнения в почве в процессе биоремедиации. Как итог разработана стратегия очистки территорий, загрязненных  нефтью с использованием агротехнических мероприятий и новых биопрепаратов для полигона ТОО «К-Курылыс, Республика Казахстан и проведены полевые испытания. Численность микроорганизмов-нефтедеструкторов на нефтезагрязненном участке с внесенным биопрепаратом была выше на 2 порядка, чем на контрольном участке, что обеспечило снижение содержания нефти в почве на 70 %  за 6 недель при температуре 36-46 °С (в контрольном участке убыль нефти достигла лишь 23 %), что демонстрирует эффективность разработанных биопрепаратов и технологии биоремедиации  в условиях резко континентального и жаркого аридного климата (лаб. биологии плазмид, чл.-корр. РАН Боронин А.М.).

• Проведено детальное исследование безмедиаторного биоэлектрокаталитического окисления глюкозы мембранными фракциями бактерий Gluconobacter oxydans на электродах, модифицированных терморасширенным графитом и проводящим полимером ПЭДОТ:ПСС. На основе полученных результатов разработан биосенсор, позволяющий выполнять безреагентный экспресс-анализ глюкозы. Создан новый композит для модификации графитовых электродов на основе проводящего полимера ПЭДОТ:ПСС, наноматериала терморасширенный графит, полимерного геля  нафиона и целых клеток G. oxydans. Композит сохраняет активность уксуснокислых бактерий и сигнал биосенсора на первоначальном уровне в течение 120 сут. Полученные данные будут использованы при создании микробных топливных элементов для долговременной генерации электроэнергии (лаб. биосенсоров, д.х.н. Решетилов А.Н.).

Сведения о выполнении количественных показателей индикаторов

эффективности фундаментальных научных исследований

Проведенные мероприятия

Организована и проведена Школа-конференция для молодых ученых, аспирантов и студентов «Генетические технологии в микробиологии, микробное разнообразие».

Школа проводилась в рамках VII Пущинской конференции «Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов».

Работа конференции и школы проходила в заочном (публикация тезисов) и  очном (доклады и постерные сообщения) форматах. В заочном формате приняло участие более 150 сотрудников из 30 научных и образовательных организаций. Выпущен сборник материалов, включающий более 180 расширенных тезисов.

Заслушано  29 докладов ведущих специалистов и молодых ученых из ИБФМ, ФИЦ Биотехнологии, МГУ, университетов и Институтов Самары, Владивостока, Улан-Удэ, С-Петербурга, Перми, Саратова и др.

Организована онлайн-трансляция для зарегистрированных в качестве слушателей.

Взаимодействие с вузовской наукой

Институт имеет бессрочную Лицензию серии ААА № 002674 от 13 марта 2012 г. на право ведения образовательной деятельности в сфере профессионального образования, в частности по программе подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре. Направления подготовки – Биологические науки 06.06.01.

Проводятся совместные работы с рядом образовательных организаций – МГУ, Пущинским государственным естественно-научном институтом, Тульским государственным университетом, Российским университетом дружбы народов, Южным федеральным университетом, Тульским государственным педагогическим университетом им. Л.Н. Толстого, Белгородским государственным национальным исследовательским университетом, Сибирским государственным университетом  науки и технологий им. ак. М.Ф. Решетнева и др.

Результаты совместных исследований публикуются в отечественных и международных изданиях, материалах научных мероприятий.

Информация о пропаганде и популяризации научных знаний 

Публикации в научно-популярном издании:

Элена Гваришвили, Ирина Позднякова-Филатова «Еще раз про ГМО: молекулярный биолог — о мифах и пользе генно-модифицированных продуктов», медиа «Теории и практики»

(https://theoryandpractice.ru/posts/18817-eshche-raz-pro-gmo-molekulyarnyy-biolog--o-mifakh-i-polze-genno-modifitsirovannykh-produktov 

Международное научное сотрудничество

Научно-технические связи с зарубежными странами осуществлялись по следующим направлениям:

• Командирование сотрудников Института за рубеж – 1 командировка в Арканзасский университет медицинских наук г. Литтл-Рок. Связана с изучением биогенеза и структурно-функциональной организации АТФазы плазматических мембран дрожжей (тема Госзадания «Механизмы стрессовой адаптации микроорганизмов».

• Прием зарубежных ученых – принято 50 ученых и специалистов из Алжира, Беларуси, Латвии, Казахстана, Сирии, Таджикистана, Уганды.

Их визиты связаны с выполнением работ по совместным работам в рамках Соглашений о сотрудничестве, грантов, договоров, а также стажировок.

• Работы по международным договорам связаны:

- с определением жизнеспособности штаммов микроорганизмов (НАН Армении, Национальный университет Сингапура)

- с выполнением исследований по международным грантам (Белорусский госуниверситет, Биотехнологический центр Казахстана)

- продолжением работ, проводимых ВКМ,  по созданию Консорциума стран Европы для изучения и обеспечения устойчивости микробных ресурсов, внедрению системы взаимосвязи между базами данных (Программа «Горизонт-2020»).

8 сотрудников Института являются членами редколлегий международных журналов, международных научных консультативных советов, комитетов и обществ.