Развернутый промежуточный отчет о реализации программы создания и развития центра геномных исследований мирового уровня «Курчатовский геномный центр» НИЦ «Курчатовский институт» - ГосНИИгенетика за 2019 г.

Настоящий проект проведен в рамках Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019-2027 годы по направлению «Генетические технологии для развития промышленной микробиологии. Определены основные задачи работы: 1) Оценка генетического потенциала микроорганизмов биотехнологического назначения на основе анализа геномных и метагеномных данных, метаболических сетей, аллелей и ферментов с уникальной каталитической активностью c целью разработки генетических технологий нового поколения; 2) Адаптация известных и разработка новых систем редактирования геномов для работы с основными штаммами промышленных микроорганизмов (коринебактерии, дрожжи и энтеробактерии); 3) Идентификация и белковая инженерия ферментов с уникальной каталитической активностью на основе геномных исследований; 4) Разработка генетических технологий создания штаммов-продуцентов клеточных метаболитов с высоким рыночным потенциалом (незаменимые аминокислоты, витамины, кормовые добавки, органические кислоты и др.).  Использована научно-техническая база Геномного центра и БРЦ ВКПМ. В 2019 г. выполнен комплекс работ по анализу 100 геномов микроорганизмов промышленного назначения из разных таксономических групп, в том числе винных и молочных дрожжей, бацилл с антагонистической активностью, коринебактерий и родококков, применяемых в биосинтетических и биокаталитических технологиях. Биоинформационный анализ 25 полученных геномов микроорганизмов позволил выявить в их составе различные компоненты СRISPR-Сas систем, а также полную и, потенциально, активную систему. Эти результаты будут использованы для разработки новых систем редактирования на последующих этапах работы. В свою очередь, существующие системы редактирования были модернизированы с целью их адаптации для важнейших групп промышленных микроорганизмов, включая Corynebacterium glutamicum (используемых в технологиях биосинтеза аминокислот), бактерий рода Bacillus (используемых в технологиях производства ферментов и витаминов) и дрожжей Schizosaccharomyces pombe, Komagataella phaffii и Yarrowia lipolytica (продуцентов органических кислот и других биохимикатов). Модифицированные системы редактирования были использованы в работах по созданию штаммов-продуцентов клеточных метаболитов и ферментов, востребованных в сельском хозяйстве (кормовые добавки) и химической индустрии (биохимикаты на основ возобновляемого сырья или с импользованием биокатализа). С помощью модифицированных систем редактирования получены направленные модификации геномов коринебактерий и E.coli - продуцентов аминокислот валина и триптофана (важнейших кормовых добавок для животноводства), включая накауты и модификации генов, замены регуляторных областей, с целью создания на последующих этапах высокопродуктивных штаммов-продуцентов. Получены доказательства наличия к клетках E.coli неизвестного ранее транспортера треонина, что открывает новые возможности для повышения продукции треонина. С использованием генетических технологий, в том числе, синтетического гена, кодирующего фермент маннаназу с уникальными характеристиками, созданы штаммы дрожжей Pichia pastoris, продуцирующие маннаназу для применения в качестве кормовой добавки для животных. Для создания нового поколения продуцентов ферментов в качестве платформы для их эффективного синтеза начата разработка уникальных систем экспрессии на основе метилотрофных дрожжей Komagataella kurtzmanii и термотолерантных метилотрофные дрожжей Ogataea haglerorum. Разработана схема многокопийной интеграции генов в геном дрожжей, основанная на использовании дрожжевых эндонуклез, для которых характерны длинные сайты узнавания, и получены экспериментальные доказательства её функциональности. Данная методика имеет универсальный характер и после освоения будет представлять собой новый инструмент геномной инженерии in vivo для разных микроорганизмов. Для создания новых биокатализаторов синтеза акриловых мономеров использованы клетки Rhodococcus и система кобальт-зависимой экспрессии генов, обеспечивающие синтез необходимых ферментов на уровне 50% от всех растворимых белков клетки. С целью идентификации генетических элементов, отвечающих за сверх-экспрессию генов в бактериях Rhodococcus осуществлен молекулярный анализ промоторной области и оптимизирован её состав. Результаты будут использованы для создания биокатализаторов с активностью нитрилгидратазы, нитрилазы и ациламидазы для синтеза акриловых мономеров.Таким образом, на данном этапе реализации Программы получены новые знания о структуре геномов промышленных микроорганизмов и генерации генетических модификаций их геномов. Тем самым, заложены основы для развития технологий направленной реконструкции геномов важнейших групп промышленных микроорганизмов с целью создания штаммов-продуцентов клеточных метаболитов с высоким рыночным потенциалом и новых биокатализаторов для химической индустрии.