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. В рамках проекта на основе подхода гражданской науки (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.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Командная работа

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.

«В рамках проекта впервые реализована уникальная сквозная технология массового сбора, первичного скрининга и всестороннего изучения свойств почвенных микроорганизмов, показавшая значимость гражданских ученых для развития научных исследований»,— комментирует академик Валентин Власов, научный руководитель ИХБФМ СО РАН.

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.

Новые перспективы

«В ходе реализации проекта получены интересные как фундаментальные, так и практически значимые результаты, которые готовы к внедрению в биотехнологических и сельскохозяйственных компаниях, заключен ряд лицензионных договоров на использование ключевых разработок»,— рассказывает Никита Кузнецов, руководитель проекта, заведующий лабораторией генетических технологий ИХБФМ СО РАН.

Созданные учеными высокоточные термостабильные ДНК-полимеразы способны нарабатывать фрагменты ДНК длиной до 25 тыс. пар нуклеотидов, которые необходимы для решения задач синтетической биологии. Одними из основных считаются три характеристики ферментов: длина молекулы ДНК, которая может быть наработана в пробирке, скорость синтеза этой ДНК и точность ее воспроизведения. 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. Ученые провели ряд этапов клинических испытаний бактериофагов, входящих в состав диагностической панели, в качестве средства профилактики сальмонеллеза на птицефабрике.

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.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки