Проект направлен на изучение метаболического потенциала метанотрофной бактерии Methylotuvimicrobium alcaliphilum 20ZR с помощью методов биоинформатики и системной биологии при анализе оригинальных и опубликованных экспериментальных данных. В рамках проекта будут впервые проведены поиск и идентификация в геноме Methylotuvimicrobium alcaliphilum 20ZR потенциальных транскрипционных факторов (ТФ) – регуляторов ключевых ферментов центрального метаболизма бактерии, и реконструкция молекулярно-генетических механизмов регуляции экспрессии их генов-мишеней на основе биоинформатических подходов. Основой для предсказания потенциальных ТФ в геноме галоалкалофильного метанотрофа и их сайтов связывания в промоторных областях генов-ферментов будут служить опубликованные геномные, транскриптомные и протеомные данные, собранные в различных условиях культивирования Methylotuvimicrobium alcaliphilum 20ZR и близкородственных видов. Реконструированные особенности регуляции экспрессии генов центрального метаболизма метанотрофа будут использованы для развития ранее разработанной нами метаболической модели M. alcaliphilum 20ZR. Это, в свою очередь, позволит более точно предсказывать оптимальные пути максимизации скорости роста культуры этой бактерии в конкретных условиях культивирования и/или скорости наработки целевого продукта, имеющего высокую добавленную стоимость. Более того, эта математическая модель будет расширена для изучения и поиска наиболее оптимальных метаболических путей продукции нескольких рекомбинантных белков. Ожидается, что в результате выполнения проекта будут значительно расширены знания о молекулярных механизмах регуляции экспрессии генов у метан-окисляющих бактерий, а впервые полученные теоретические предсказания составят основу для проведения целенаправленных генно-инженерных экспериментов по их верификации у M. alcaliphilum 20ZR.
Проект выполняется совместно с исследователями Института цитологии и генетики СО РАН, ООО «БИОСОФТ.РУ» и в сотрудничестве с экспериментальной лабораторией под руководством профессора Марины Калюжной (San Diego State University).
Метан является ценным источником энергии, но в то же время – значимым глобальным продуктом утилизируемых отходов и одним из наиболее опасных парниковых газов. В настоящее время порядка 30% выбросов метана в атмосферу обусловлено природной геологической активностью, тогда как оставшаяся часть - вызвана антропогенной активностью: добыча природных ископаемых, сельское хозяйство и утилизация отходов.
Несмотря на снижение стоимости природного газа с 2008 года, которое привело к тому, что метан как основной компонент природного газа стал наиболее перспективным источником углерода и энергии для биологической конверсии, миллионы кубометров природного газа до сих пор ежегодно сжигаются в местах добычи нефти по всему миру. Более того, таяние вечной мерзлоты, которая занимает порядка 65 % территории России, по последним оценкам ученых, в ближайшие десятилетия приведет не только к серьезным потерям российской экономики, но и значимо повысит выброс парниковых газов, в т.ч. метана, в атмосферу Земли. Поэтому поиск и изучение альтернативных подходов для более эффективного, экологического и экономически выгодного использования метана является одним из ключевых вызовов современного общества.
С другой стороны, метан является также перспективным источником углерода для биосинтеза биотехнологически полезных соединений с использованием в качестве биокатализаторов аэробных метанотрофных бактерий, а его окисление микробными сообществами метанотрофных организмов, по сути, является единственным биологическим механизмом регуляции и снижения его содержания в атмосфере.
Аэробные метанокисляющие бактерии или метанотрофы повсеместно распространены в окружающей среде. Среди них, галоалколофильные аэробные метанотрофы в промышленных исследованиях рассматривают как наиболее перспективные микробные «фабрики» в качестве новых источников ферментов и белковых продуктов, устойчивых к повышенным содержаниям солей и уровням pH, и естественных продуцентов аминокислот, сахаров и осмопротекторов. Однако биотехнологическое применение этих организмов ограничено крайне низким уровнем знаний о молекулярно-генетических механизмах регуляции их метаболизма, без которых сложно планировать эксперименты по конструированию штаммов-продуцентов целевых продуктов на основе метанотрофных бактерий для их использования в промышленных целях.
Поэтому в рамках данного проекта будет проведено детальное изучение молекулярных механизмов регуляции экспрессии генов у одной из наиболее биотехнологически перспективной метанотрофной бактерии Methylotuvimicrobium alcaliphilum 20ZR методами биоинформатики и системной биологии.
В результате реализации проекта будут существенно расширены представления о молекулярных механизмах регуляции экспрессии генов у метан-окисляющих бактерий. На основе теоретических предсказаний станет возможно проведение экспериментальной проверки для подтверждения функций белков, осуществляющих ключевые этапы метаболизма у M. alcaliphilum 20ZR, что в дальнейшем может иметь важный практический выход. Развитие оригинальной потоковой модели с целью учета процессов синтеза и продукции рекомбинантных белков в клетке 20ZR позволит предсказать совершенно новые «точки роста» для применения генетических модификаций центрального метаболизма метана, направленных на улучшение конкурентоспособности метанотрофов как микробных продуцентов в современной биотехнологии.
В данном проекте на основе интеграции современных методов биоинформатики и системной биологии будет проведено первое теоретическое исследование белок-кодирующих генов метанотрофной бактерии Methylotuvimicrobium alcaliphilum 20ZR, функции которых пока неизвестны, с целью идентификации ТФ и их генов-мишеней, кодирующих ферменты центрального метаболизма 20ZR. Результаты анализа транскриптомных и протеомных данных будут интегрированы в потоковую метаболическую модель. Расширенная версия потоковой модели, как конечный in silico инструмент, позволит более точно предсказывать скорость роста метанотрофа, его метаболические возможности в качестве продуцента целевых биотехнологических продуктов (например, рекомбинантных белков) в зависимости не только от условий культивирования, но и при экспериментах с изменением уровня экспрессии ТФ.
