В рамках Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019 – 2027 годы ФИЦ Биотехнологии РАН реализует проект «Развитие технологий геномного редактирования для решения инновационных задач промышленных и пищевых биотехнологий». Сейчас в фокусе ученых — создание отечественных штаммов микроорганизмов, которые будут нарабатывать востребованные в промышленности ферменты, белки и другие вещества. Научная работа ведется в рамках национального проекта «Наука и университеты».
2022 год показал, что российские разработки должны и могут заменить импортные технологии и оборудование, от которых раньше зависели отечественные производители. Биотехнологии являются высоко конкурентным сегментом рынка и поддержание рентабельного производства требует, во-первых, обеспечения максимально высокого выхода продукта (например, фермента с заданным набором характеристик), а, во-вторых, снижения стоимости производства. Данные условия возможно создать с помощью биоинженерии оптимизированных штаммов–продуцентов. В связи с этим, требуется разработка быстрых и эффективных методов генной инженерии и их эффективное применение. ФИЦ Биотехнологии РАН подключился к решению этой задачи. Коллектив ученых из разных подразделений Центра занимается разработкой технологий, методов и подходов геномного редактирования для создания штаммов-продуцентов коммерчески востребованных продуктов (рекомбинантных ферментов, пищевых и кормовых продуктов). Такие прикладные исследования помогут достичь технологического отраслевого суверенитета.
Важнейшие микробные платформы для производства пищевых и кормовых продуктов, а также ферментов – это одноклеточные (дрожжи), мицелиальные грибы и бактерии. Биотехнологи работают с такими микроорганизмами по нескольким коммерчески актуальным направлениям.
Так, на основе дрожжей Saccharomyces cerevisiae, традиционно применяемых в производстве пищи и напитков, ученые создают штаммы высокой продуктивности, которые синтезируют нужные промышленности белки, а также штаммы для виноделия.
Сейчас уже созданы два модифицированных штамма винных дрожжей, обладающих ценными свойствами для изготовления некоторых сортов вина. В случае успешного проведение технологических испытаний этих штаммов на производстве, появится перспектива их широкого внедрения на винодельческих предприятиях России при условии внесения изменений в действующую нормативно-правовую базу в области использования технологий геномного редактирования в промышленной микробиологии.
Учеными был также разработан ряд улучшенных инструментов для CRISPR-Cas9 опосредованного геномного редактирования дрожжей промышленных штаммов Saccharomyces cerevisiae и метилотрофных дрожжей. Данные инструменты будут востребованы для создания улучшенных индустриальных штаммов различных видов дрожжей. В дальнейшем, полученные технологии геномного редактирования биотехнологи планируют распространить среди других специалистов в области создания штаммов- продуцентов.
Другое направление — модификация штаммов метанотрофных бактерий, известных своей способностью производить много белковой массы, потребляя природный газ. Так, для модификации метанотрофных бактерий вида Methylococcus capsulatus, ученые провели исследования по апробации и выбору технологий геномного редактирования. Выяснилось, что система CRISPR/Cas9, широко используемая для редактирования геномов гетеротрофных бактерий, дрожжей и мицелиальных грибов, неэффективна применительно к метанотрофным бактериям. Более действенным методом редактирования геномов метанотрофов является использование двойной гомологичной рекомбинации с помощью суицидальных векторов. С помощью этой стратегии биотехнологи создали условия для проточного непрерывного культивирования целевого штамма Methylococcus capsulatus MIR, а также проанализировали его рост в присутствии метана или метанола.
Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН работают и с мицелиальными грибами, обладающими широким спектром гидролитических ферментов. Уже созданы штаммы дрожжей и мицелиальных грибов для продукции ряда индустриально значимых ферментов – реннина, используемого в сыроделии (дрожжи) и фитазы/эндоглюканазы и фитзы/ксиланазы — штаммы, продуцирующие два фермента одновременно в мицелиальных грибах. Эти ферменты станут добавками, которые помогут сельскохозяйственным животным лучше переваривать корма на основе зерновых и бобовых. Эти два штамма мицелиальных грибов сейчас проходят цикл масштабирования на производстве и уже в следующем году планируется вывод на рынок готовых форм кормовых добавок.
Так, в составе комплексной исследовательской программы, реализуемой коллективом ученых ФИЦ Биотехнологии РАН, выполняются важные прикладные исследования – это и создание кормовых добавок, находящихся на стадии непосредственного внедрения в производство, и получение дрожжевых штаммов-продуцентов, которые имеют высокую перспективу применения в существующих технологических процессах, и получение винодельческих штаммов, которые в случае успешного прохождения прямых функциональных тестов могут быть внедрены после изменения нормативной базы, и апробация подходов к получению эффективных штаммов метилотрофных бактерий, улучшенные характеристики которых могут быть ключом к развитию новой индустрии производства кормового белка.
Большое внимание ФИЦ Биотехнологии РАН уделяет и подготовке новых кадров, необходимых для реализации программы. В образовательных программах, открытых по тематике геномного редактирования для решения коммерческих задач, уже приняло участие более 200 человек.