Відділ біології екстремофільних мікроорганізмів, Федеральний дослідницький центр

Відділ біології екстремофільних мікроорганізмів

федеральний

Ключові слова термофільні бактерії, гіпертермофільні археї, анаероби, літоавтотрофи, нові типи метаболізму, метаболізм С1 сполук, термофільні мікробні співтовариства, термостабільні ферменти, геноміка, гетагеноміка

Напрями досліджень

  • Дослідження філогенетичної різноманітності термофільних прокаріотів
  • Дослідження метаболічного розмаїття термофільних прокаріотів
  • Характеристика нових типів катаболічного обміну у термофільних мікроорганізмів
  • Використання С1 з'єднань термофільними прокаріотами
  • Відновлення неорганічних акцепторів електронів термофільними прокаріотами
  • Характеристика глибоких філогенетичних гілок прокаріотів
  • Аналіз повних геномів нових термофільних прокаріотів
  • Метагеномний аналіз термофільних мікробних співтовариств
  • Термостабільні гідролази з нових термофільних прокаріотів
  • Термінальні оксидоредуктази термофільних прокаріотів

Основні методи досліджень У лабораторії налагоджено повний цикл виділення, культивування та характеристики нових термофільних прокаріотів, у тому числі анаеробів, мікроорганізмів з газовим харчуванням, мікроорганізмів, що відновлюють нерозчинні акцептори електронів. Є установка для анаеробного приготування середовища із заповненням вільного об'єму газовою сумішшю заданого складу, а також анаеробний бокс рукавички «Inmed» для роботи з анаеробними культурами і ферментами. Є проточний ферментер Unfors об'ємом 2.5 л для проточного культивування термофілів (до 90оС) і облігатних анаеробів. Є 12 термостатів Binder і Memmert, що дозволяють культивування термофільних мікроорганізмів призаданих температурах від 40 до 110оС.

Методи характеристики нових ізолятів:

  • морфологія клітин та моніторинг росту - світлова фазово-контрастна мікроскопія, флюоресцентна мікроскопія
  • характеристика метаболізму - ВЕРХ, газо-рідинна хроматографія, спектрофотометрія
  • характеристика цільових ферментів – зимографія, спектрофотометрія
  • геносистематична характеристика нових ізолятів – визначення ГЦ складу ДНК та ДНК-ДНК гібридизація.

Методи характеристики мікробних угруповань:

  • виділення ДНК та РНК із природних угруповань та накопичувальних культур
  • ПЛР-ДГГЕ генів 16S рРНК та функціональних генів
  • транскриптомний аналіз
  • флюоресцентна гібридизація in situ (FISH, CARD-FISH)

  • визначення філогенетичного становища нових ізолятів
  • побудова філогенетичних дерев на базі генів 16S рРНК та функціональних генів
  • аналіз баз даних
  • розробка ПЛР-праймерів та зондів для аналізу мікробних співтовариств
  • аналіз повних геномів нових ізолятів, метагеномів та транскриптомів природних спільнот та накопичувальних культур

Коротка історія відділу У 2017 році лабораторію гіпертермофільних мікробних співтовариств перетворено на відділ біології екстремофільних мікроорганізмів, до складу якої увійшли дві лабораторії: лабораторія різноманітності та екології екстремофільних мікроорганізмів та лабораторія метаболізму екстремофільних прокаріотів.

Лабораторія гіпертермофільних мікробних угруповань була організована в 1996 році з групи, що входила до складу лабораторії мікробних угруповань (керівник академік Г.А. Заварзін) і увійшла до відділу мікробних угруповань, також керований Г.А. Заварзіним. З 2012 року існує яксамостійна лабораторія у складі ІНМІ РАН.

З моменту заснування лабораторії і до сьогодні її керівником є ​​д.б.н. Є.А. Бонч-Осмолівська. За весь період лабораторію не залишив жоден ключовий співробітник; була значно розширена галузь компетенції членів лабораторії, яка, окрім класичної мікробіології, включає тепер геноміку, біоінформатику, ензимологію термофільних прокаріотів. Захищено 3 докторських та 9 кандидатських дисертацій. 2014 року колектив лабораторії отримав грант президента України з підтримки провідних наукових шкіл.

Досягнення

ОСНОВНІ ДОСЯГНЕННЯ

Лабораторія займається дослідженням філогенетичної та метаболічної різноманітності термофільних прокаріотів, а також можливості їх застосування в біотехнології. Основна увага приділяється важким для культивування груп з незвичайним катаболізмом, а також представникам нових ліній філогенезу.

В рамках основного напряму роботи:

  • Досліджено мікробні співтовариства природних термальних місць проживання різного походження та географічного положення: наземні гарячі джерела вулканічного та рифтового походження, морські мілководні та глибинні гідротерми, підземні високотемпературні екосистеми. Співробітниками лабораторії виділено, повністю охарактеризовано та узаконено 91 новий таксон термофільних прокаріотів, у тому числі новий філум, новий клас, 4 порядки, 3 сімейства, 25 пологів.
  • Створено колекцію термофільних прокаріотів, що включає понад 400 штамів термофільних та гіпертермофільних бактерій та архей.
  • Виділено перші термофільні представники філуму Planctomycetes.
  • Охарактеризовано нові метаболічні групи термофілів, у тому числі анаеробні гідрогеногенні карбоксидотрофи,гіпертермофільні археї, що анаеробно використовують форміат з утворенням водню, термофільні залізоредуктори, термофільні літоавтотрофні бактерії, що здійснюють дипропорціонування сполук сірки.

Крім класичних культуральних методів, у лабораторії широко використовуються біоінформатичний та молекулярно-екологічний підходи:

  • На підставі аналізу повних геномів нових термофільних прокаріотів виявлено генетичні детермінанти гідрогеногенної карбоксидотрофії, а також новий тип катаболічного обміну - анаеробне розкладання форміату, що йде з утворенням водню, гени, що зумовлюють здатність до зростання з нерозчинними акцепторами електронів, зокрема, з геном кодують нові гідролази, у тому числі архейну мультидоменну глікозидгідролазу.
  • У геномах нових термофільних планктоміцетів ідентифіковані гени, що кодують нові термостабільні гідролази, згодом експериментально охарактеризовані.
  • Розроблено методи аналізу мікробних угруповань шляхом кількісної оцінки генів, що кодують ключові ферменти цільових мікробіологічних процесів.
  • Шляхом аналізу бібліотек клонів генів mcrA із наземних гарячих джерел виявлено нові філогенетичні групи метаногенних архей, що домінують у цих місцеперебуваннях. Виявлено нову групу термоацидофільних сульфатредукторів.

Прикладні дослідження лабораторії пов'язані в першу чергу з пошуком продуцентів нових термостабільних гідролаз для різних галузей біотехнології:

  • Виділено та охарактеризовано гіпертермофільні археї, здатні росту за рахунок гідролізу целюлози та ксилану, а також термофільні та гіпертермофільні прокаріоти здатні повністю розкладати стійкі до гідролізу білки (альфа- та бета-кератини).
  • Виділено першу факультативно-анаеробну термофільну бактерію Melioribacter roseus, здатну в анаеробних умовах повністю окислювати біополімери, у тому числі целюлозу. Новим ферментам дано первинну біохімічну характеристику.

Лабораторія гіпертермофільних мікробних спільнот бере участь у великій кількості українських та міжнародних проектів. З 2012 по 2015 роки лабораторія брала участь у Проекті “Hotzyme” (Systematic screening for novel thermostable hydrolases), в якому брало участь 13 робочих груп з 10 країн, у тому числі два індустріальних партнери (Sigma-Aldrich та Novozymes). У проекті лабораторія виконувала ключову роль, забезпечуючи доступ до нових термофільних мікроорганізмів-гідролітиків та метагеном з термальних місцепроживання. В результаті спільної роботи консорціуму виявлено та повністю охарактеризовано нові термостабільні гідролази із заданими індустріальними партнерами властивостями.

За час існування лабораторії кількість працівників лабораторії зросла з 6 до 16 осіб, під керівництвом яких зараз виконує дисертаційні роботи 6 аспірантів. 3 співробітників захистили докторські дисертації, 9 – кандидатські. 2012 року зав. лабораторією д.б. Є.А. Бонч-Осмоловська за видатні досягнення у галузі мікробіології стала лауреатом премії ім. С.М. Виноградського Президії РАН. Співробітники лабораторії щорічно беруть участь у профільних міжнародних наукових заходах – конгресах ISME (Міжнародне Товариство мікробної екології), конгресах “Extremophiles” та “Thermophiles”, де виступають із запрошеними пленарними та секційними доповідями. У 2014 році лабораторія гіпертермофільних мікробних спільнот була головним організатором 10 Міжнародного конгресу “Extremophiles-2014”, що відбувся у Санкт-Петербурзі і зібрав 450 учасників із 40 країн світу, у тому числі 90 осіб з різних наукових та навчальних закладів РФ.

Співробітники

СКЛАД ВІДДІЛУ

Відділ біології екстремофільних мікроорганізмів (Завідувач: Бонч-Осмоловська Є.А.):