Научная новизна данного исследования заключается в разработке комплексного подхода к изучению взаимодействий метанотрофов с другими микроорганизмами для целей биоремедиации. В отличие от существующих работ по данной тематике, данное исследование фокусируется на первом исследовании различных комбинаций бактерий, участвующих в биоремедиации с помощью подходов потокового моделирования, для изучения путей взаимодействия между микроорганизмами и способов их оптимизации. Более того, результатом работы будет уникальный конвейер, доступный любому пользователю на веб-платформе BioUML, позволяющий производить реконструкцию потоковых моделей от геномной последовательности до микробиологического сообщества.

Проект, вошедший в число победителей в рамках открытого публичного конкурса на получение грантов Российского научного фонда по мероприятию «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс), реализуется при поддержке Российского научного фонда и федеральной территории «Сириус» (паритетное финансирование). 

Актуальность проекта

Загрязнение окружающей среды — как атмосферы, так и почвы — являются критически важными проблемами современной экологии. Поэтому поиск потенциальных решений, которые позволят эффективно бороться с этой проблемой и в тоже время преобразовывать опасные метаболиты, такие как метан и углекислый газ одновременно с утилизацией токсичных соединений для продукции биотехнологически важных соединений, является крайне актуальной и приоритетной задачей. Метан и углекислый газ являются перспективными источниками углерода для синтеза широкого спектра различных биотехнологических продуктов, начиная от продукции кормового белка и заканчивая целевыми метаболитами, такими как эктоин, сукцинат, полигидроксиалканоаты, а также рекомбинантными белками. Несмотря на то, что метанотрофные организмы являются единственными микроорганизмами способными использовать метан в качестве единственного источника углерода, различные исследования показывают, что для них крайне важно наличие других микроорганизмов-спутников, которые повышают эффективность аккумуляции метана, а также наработку клеточной биомассы. В тоже время, многие спутники метанотрофов являются также активными участниками процессов биоремедиации в различных экологических нишах. Несмотря на то, что влияние микроорганизмов-спутников метанотрофов известно уже более 30 лет, на данный момент механизмы взаимодействия между ними до сих пор являются малоизученными, и имеются лишь единичные примеры, описывающие потенциальные механизмы их взаимодействия. Более того, влияние метанотрофных организмов на увеличение эффективности биоремедиации микроорганизмами-спутниками также остаётся малоизученным. По этой причине, исследования таких микробиологических сообществ является крайне важной задачей. Более того, потенциальная возможность создания синтетических микробиологических сообществ открывает новые перспективы использования их как для задач по очистке экологических загрязнений, так и для биотехнологической промышленности.

Научная и практическая значимость проекта

В рамках данного проекта планируется разработать конвейер для реконструкции потоковых математических моделей в рамках веб-платформы BioUML, который даст возможность для реконструкции моделей большому количеству пользователей, что значительно расширит возможности анализа различных микроорганизмов как для биотехнологических задач, так и для оценки их потенциала для задач биоремедиации. С помощью данного конвейера планируется реконструировать математические модели различных потенциальных спутников метанотрофных микроорганизмов, в том числе для уникальной группы перхлорат утилизирующих бактерий, для которых на данный момент такие модели отсутствуют полностью. 

Помимо потоковой модели микробиологического сообщества планируется реконструировать первую потоковую модель, которая будет включать в себя кинетические параметры, описывающие обмен метаболитами между метанотрофами и перхлорат утилизирующими бактериями, что позволит повысить точность предсказания модели для сообщества.

Ожидаемые результаты

Полученные математические модели дадут возможность более детально изучить молекулярно-генетические механизмы биоремедиации для представителей родов Cupriavidus, Brevibacillus, Azospira, Dechloromonas. Также с помощью данных моделей планируется впервые реконструировать модели микробиологических сообществ — подход, который с каждым годом всё больше применяется в области системной биологии, а также проанализировать возможные комбинации потенциальных синтетических сообществ, которые могли бы повлиять на эффективность аккумуляции тех или иных соединений. Кроме того, такие модели микробиологических сообществ позволят более глубоко изучить возможные механизмы взаимодействия между микроорганизмами и выявить ключевые метаболиты, которые играют важную роль для эффективной биоремедиации.

Другие проекты