Передовые исследования в агробиотехнологии

30 ноября 2022 года современное выставочное пространство музея «БИОТЕХ» на ВДНХ стало открытой дискуссионной площадкой для обсуждения итогов по проектам научного центра мирового уровня «Агротехнологии будущего», который реализуется при поддержке национального проекта «Наука и университеты».

В рамках научных семинаров дискуссионной площадки были представлены результаты исследований, направленных на создание безопасных, качественных, функциональных кормов и продуктов питания, а также на разработку технологий переработки и валоризации малоценного сельскохозяйственного сырья и отходов агропромышленного комплекса.

Модератором мероприятия выступил научный руководитель ФИЦ Биотехнологии РАН, академик Владимир Попов, который обратился к участникам мероприятия с приветственным словом.

Открыла научную программу заведующая лабораторией молекулярной экологии и филогеномики бактерий ФИЦ Биотехнологии РАН, д.б.н. Светлана Дедыш. Светлана Николаевна рассказала про получение новых высокопродуктивных штаммов метанотрофов, которые могут быть задействованы в современном производстве микробного белка на природном газе. Такие метанотрофные бактерии могут быть использованы как продуценты кормового белка для аквакультуры.

В качестве источников получения первичных накопительных культур метанотрофных микроорганизмов были использованы образцы, отобранные из природных и антропогенных местообитаний с высокой концентрацией метана - активный ил очистных сооружений Мосводоканала, покрывающая почва полигона ТБО, компост, ил пресноводных экосистем. В полученных образцах были определены культуры метанотрофных бактерий, проведены оценка их ростовых характеристик и анализ геномов наиболее перспективных штаммов. Осуществляемый в текущий момент сбор биомассы новых штаммов для проведения анализа содержания белка и состава аминокислот позволит в дальнейшем сделать обоснованный выбор одного целевого штамма для последующих работ по метаболической инженерии и конструированию ассоциаций.

Антон Нижников, д.б.н., заведующий лабораторией протеомики надорганизменных систем ВНИИСХМ, рассказал об исследовании амилоидных белков в семенах бобовых. К настоящему времени, несмотря на активное изучение этой темы, многие аспекты молекулярных механизмов запасания белка в семенах представляют собой до сих пор нераскрытые загадки. Во многом, это касается особенностей структурной организации запасных белков семян, представляющих собой не только ключевой источник азота для растущих эмбрионов растений, но и важный компонент рациона питания человека.

Исследования ученых, реализуемые в рамках проекта НЦМУ «Агротехнологии будущего», направлены на поиск связи первичной структуры запасных белков с их способностью формировать амилоидные агрегаты, которые существенно снижают пищевую ценность таких белков. При помощи разрабатываемых протеомных и биоинформатических подходов производится изучение протеазоустойчивых фракций семян, направленное на выявление репертуара белков, формирующих упорядоченных агрегаты, а также конкретных участков запасных белков и кодирующих их генов, детерминирующих их амилоидные свойства.

Об исследованиях бобовых продолжил Андрей Фролов, к.х.н., доцент кафедры биохимии СПбГУ. Андрей Александрович рассказал про изучение механизмов, лежащих в основе устойчивости бобовых растений и их семян к действию засухи, а также старения и длительного хранения. Эти факторы связаны между собой – так, например, засуха на этапе созревания семян уменьшает их устойчивость к хранению. Также засуха является причиной снижения жизнеспособности семян, проявляющееся в уменьшении их размера и снижении всхожести. Более того, накопление вредных модификаций белков семян может привести к ухудшению качества продуктов термической обработки семян гороха. Сейчас работа ученых направлена на поиск и изучение маркеров устойчивости семян к старению и действию засухи.

Не только негативные климатические явления, вроде засухи, могут стать причиной снижения урожайности и ухудшения потребительских характеристик сельскохозяйственной продукции. Растения подвержены различным заболеваниям. Для оперативной оценки ситуации и принятия защитных мер нужны простые и недорогие экспресс-тесты, позволяющие проводить диагностику во внелабораторных условиях. Такие тест-системы для оперативного выявления возбудителей заболеваний растений разрабатываются в ФИЦ Биотехнологии РАН. Они позволяют определить патоген непосредственно на месте отбора пробы. Разработка, о которой рассказал Анатолий Жердев, д.б.н., ведущий научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН, охватывает несколько групп фитопатогенов, значимых для разных групп растений – плодовых, овощных, кормовых и зерновых культур.

Сейчас учеными уже разработаны экспрессные тест-системы для выявления бактериального ожога плодовых культур, шарки плодовых культур, бактериального рака томата, мозаики люцерны, бактериального вилта кукурузы и фузариоза. В созданных тест-системах реализованы технологические решения для контроля фитопатогенов бактериальной, вирусной и грибной природы. Экспресс-тесты позволяют оперативно принимать решения о качестве и безопасности продукции, расширить контроль фитосанитарной ситуации, а также выявлять скрытое бессимптомное инфицирование.

Одним из приоритетных направлений развития сельского хозяйства юга России является виноградарство. И на урожайность винограда оказывает большое влияние также поражение растений заболеваниями и вредителями. При этом часто инфекцию невозможно определить по симптомам, а для закладки новых виноградников очень важно использовать безвирусный посадочный материал.

Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН используют современные молекулярно-генетические методы для выявления вирусов на различных этапах роста виноградной лозы и производства посадочного материала. Об этом рассказала Светлана Виноградова, к.б.н., научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН. Полученные данные используются при проведении фитосанитарного мониторинга, составлении схемы защиты для предотвращения распространения вирусов, оценки эффективности использования противовирусных веществ, получения безвирусного посадочного материала.

Свободный от инфекции посадочный материал, здоровая виноградная лоза и качественное сырье – ключевые факторы для винодельческой отрасли. ФИЦ Биотехнологии РАН проводит исследование штаммов микроорганизмов, используемых при производстве вин в России, в первую очередь винных дрожжей. Это исследование представил Андрей Марданов, д.б.н., заведующий лабораторией геномики микроорганизмов и метагеномики ФИЦ Биотехнологии РАН. В качестве объектов исследования ученые используют промышленно ценные штаммы винных дрожжей из коллекции микроорганизмов виноделия «Магарач» (Ялта, Крым). Эта работа позволяет на геномном уровне охарактеризовать отечественные штаммы винных дрожжей, описать их свойства, с помощью молекулярно-генетических методов произвести отбор новых природных штаммов дрожжей, перспективных для использования в виноделии, а также осуществить генетическую паспортизацию отечественных промышленно ценных штаммов винных дрожжей.

Исследования, направленные на разработку новых инновационных продуктов питания функционального назначения, представили Алексей Топунов, д.б.н., заведующий лабораторией биохимии азотфиксации и метаболизма азота, и Татьяна Федорова, к.т.н., заведующая лабораторией молекулярных основ биотрансформаций ФИЦ Биотехнологии РАН. Алексей Федорович рассказал про растительный гемоглобин – леггемоглобин – как возможный компонент «растительного мяса». А Татьяна Васильевна представила исследования, направленные на изучение пробиотического (функционального) потенциала молочнокислых бактерий и создание на их основе новых инновационных функциональных ферментированных продуктов питания. Эти научные исследования направлены на расширение ассортимента конкурентоспособных продуктов для различных групп населения, получение продуктов здорового питания и повышение качества и безопасности пищевых продуктов.

Масштабный проект «Штаммы-продуценты», реализуемый в рамках НЦМУ «Агротехнологии будущего», представил Аркадий Синицын, д.х.н., заведующий лабораторией биотехнологии ферментов ФИЦ Биотехнологии РАН. Целью исследования является разработка «под ключ» технологий производства рекомбинантных ферментов и создание основ для производства в нашей стране ряда новых востребованных в сельском хозяйстве и пищевой промышленности ферментных препаратов.

Развитие биотехнологий открыло новые возможности использования живых организмов на благо человечества. Создание «растений-биофабрик» является передовым направлением агробиотехнологии. В таких природных «фабриках» производится наработка белков. Младший научный сотрудник кафедры генетики и биотехнологии СПбГУ, к.б.н. Михаил Бурлаковский рассказал о результатах исследования, направленного на создание организмов-продуцентов белков-иммуномодуляторов животных. Белки иммуномодуляторы, интерфероны и интерлейкины, способны координировать работу иммунной системы, контролировать силу и интенсивность иммунного ответа. В ходе научной работы ученые отобрали варианты гамма-интерферона курицы с повышенной устойчивостью к протеолитической деградации. В качестве растения-продуцента гамма-интерферона курицы ученые предложили использовать люцерну, которая применяется в птицеводстве для приготовления витаминно-травяной муки – важного элемента подкормки. Это позволит использовать трансгенные растения в качестве иммуномодулирующей кормовой добавки.

Еще одно исследование, проводимое с использованием «растений-биофабрик», представила Евгения Марданова, к.б.н., старший научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН. Проект направлен на разработку технологии получения рекомбинатных белков медицинского назначения, которые могут быть использованы в качестве кандидатных вакцин и диагностикумов. Сейчас ученые работают в нескольких направлениях – в рамках одной научной работы ученые выделили из растений препарат антигена коронавируса, а в рамках второго направления разработаны методы введения фитовирусных векторов в растительные клетки с помощью вакуумной фильтрации, что позволяет масштабировать экспрессию в растениях и использовать данный способ при коммерческом производстве.

Бактериофаги – это один из ключевых экологических факторов в мире микробов, оказывающий многосторонее влияние, включая естественный контроль популяций, а также в эволюции и адаптации бактерий. В ходе реализации проекта «Экология бактериофагов и средства биоконтроля в агро- и пищевых технологиях», руководителем которого является д.б.н. Андрей Летаров, заведующий лабораторией вирусов микроорганизмов ФИЦ Биотехнологии РАН, ведется разработка прототипа препарата для борьбы с бактериозами рыб, создаются также новые подходы к получению менее подверженных фаговым лизисам заквасочных штаммов лактобактерий. Одним из важных результатом работ в данном направлении на текущий момент является создание системы редактирования геномов лактобактерий, что создает возможность для комбинирования различных противофаговых систем и решения иных практических задач, например, создание пробиотических штаммов или вакцин на основе лактобактерий.

В ходе научных семинаров дискуссионной площадки НЦМУ «Агротехнологии будущего» были представлены работы, направленные на разработку технологии переработки и валоризации малоценного сельскохозяйственного сырья и отходов АПК.

Так, Юрий Литти, к.б.н., заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН рассказал о разработке технологии анаэробной переработки сельскохозяйственных отходов в гибридных биореакторах нового поколения на основе направленной селекции микроорганизмов, осуществляющих прямой межвидовой перенос электронов (DIET) под действием электропроводящих материалов и электрического тока низкого напряжения.

Исследования процесса DIET идут очень активно во всем мире, в первую очередь в США и Китае. В реализации проекта НЦМУ «Агротехнологии будущего» также применяется процесс DIET, позволяющий значительно увеличить скорость лимитирующей стадии метаногенеза и стабильности биохимических процессов при переработке «проблемных» с/х отходов, к которым, например, относятся свиной навоз и птичий помет.

На данный момент уже разработана эскизно-конструкторская документация на гибридный анаэробный реактор нового поколения. Получены новые данные о стимуляции разных типов DIET в зависимости от микробного сообщества реактора и электропроводности материала-носителя. Еще одним результатом работы по проекту, полученным в 2022 году, является новая водород-образующая бактерия, которая была выделена из сточных вод Курьяновских очистных сооружений. Эту бактерию отличает от ранее известных повышенная активностью при низких рН. Был подтвержден ее высокий биотехнологический потенциал при переработке реальных сточных вод.

Владимир Миронов, д.т.н., руководитель группы микробных процессов конверсии органических отходов ФИЦ Биотехнологии РАН рассказал про новые технологии переработки биоорганических отходов, которые используются при реализации проекта НЦМУ «Агротехнологии будущего»: «Новая стратегия получения биокомпоста с заданными свойствами на основе исследований кинетики роста микроорганизмов, материально-энергетического баланса и прогнозирования биотехнологии с использованием динамической имитационной модели».

Альтернативой методов переработки органических отходов, в которых задействованы химические и физические процессы, является вермикомпостирование, т.е. переработка органических отходов с помощью червей. Георгий Холостов, инженер-исследователь НЦМУ «Агротехнологии будущего» СПбГУ рассказал про исследование свойств ила сточных вод до и после вермикомпостирования с помощью кольчатых малощетинковых червей (олигохет). Объектом исследования являлись ил сточных вод и вермикомпост, полученные от компании “Аквафор” (Колпинский район Санкт-Петербурга). Полезные свойства вермикомпоста обеспечиваются, по большей части, сообществами бактерий, обитающими в пищеварительной системе червя и перерабатывающими поступающий субстрат. Об этом рассказала Валерия Хабибулина, младший научный сотрудник кафедры зоологиии беспозвоночных биологического факультета СПбГУ, представляя работу «Особенности динамики микробиоты почвенной олигохеты Eisenia fetida при культивировании на илах водоочистных сооружений». Исследование показало значимые различия в микробиоме олигохет, культивированных в торфяном субстрате и субстрате на иле с водоочистных сооружений. Функциональный анализ микробиома позволит определить конкретные рода бактерий, участвующие в переработке субстрата. Возможное культивирование таких бактерий и добавление в целевой субстрат, потенциально может улучшить процесс вермикомпостирования подобных сложных органических отходов.

Про переработку отходов льняного комплекса и интенсивные инновационные агротехнологии выращивания и переработки сельскохозяйственных культур, преимущественно льна и технической конопли рассказал Сергей Белопухов, д.с.-х.н., профессор кафедры химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. В результате проведенной научной работы были разработаны два новых высокоэффективных экологически безопасных защитно-стимулирующих комплекса, которые способны влиять на продукционный процесс, рост и развитие сельскохозяйственных культур. При этом препараты были получены в результате применения технологий глубокой переработки целлюлозосодержащих отходов, прежде всего, льняного комплекса, в виде гумифицированной костры. Сергей Леонидович подчеркнул, что впервые было предложено использовать отходы льно- и пенькопроизводства для выпуска новых видов защитно-стимулирующих комплексов и органоминеральных удобрений. Они могут быть использованы как для предпосевной обработки семян, так и опрыскивания растений льна и технической конопли во время вегетации.

Подводя итоги работы дискуссионной площадки, научный руководитель ФИЦ Биотехнологии РАН, академик Владимир Попов подчеркнул важность прикладной направленности проводимых исследований. Практическое применение результатов работ, реализуемых в рамках НЦМУ «Агротехнологии будущего», будет способствовать устойчивому развитию агропромышленного сектора, созданию прочных основ для импортозамещения, обеспечению продовольственной безопасности и технологического суверенитета страны.

Работа научных семинаров дискуссионной площадки завершилась экскурсией по музею «БИОТЕХ», в экспозиции которого представлены также и экспонаты, демонстрирующие исследования, проводимые в рамках НЦМУ «Агротехнологии будущего».