Развернутый промежуточный отчет о реализации программы создания и развития центра геномных исследований мирового уровня «Курчатовский геномный центр» НИЦ «Курчатовский институт» - ГосНИИгенетика за 2020 г.

Целью выполнения работ по гранту являлись комплексное решение задач ускоренного развития генетических технологий, в том числе технологий геномного редактирования, создание научно-технических заделов для сельского хозяйства и микробиологической промышленности. В 2020 г в рамках мероприятий по получению фундаментальных научных результатов мирового уровня в области генетики совместно с НИЦ «Курчатовский институт» был выполнен комплекс работ по секвенированию и анализу 455 геномов микроорганизмов промышленного назначения, включая 310 штаммов бактерий и 145 штаммов дрожжей из разных таксономических групп (всего 63 рода), в том числе винные и молочные дрожжи, осмотолерантные дрожжи, бифидобактерии и бациллы с антагонистической активностью, коринебактерии и родококки, применяемые в биосинтетических и биокаталитических технологиях. Проведен анализ 105 геномов микроорганизмов из коллекции ВКПМ ГосНИИгенетика, впервые секвенированных в Курчатовском геномном центре, на наличие CRISPR кассет и CRISPR-Cas ассоциированных белков. Существующие системы редактирования были модифицированы и адаптированы для важнейших групп промышленных микроорганизмов, включая коринебактерии, бациллы, энтеробактерии и дрожжи. Работоспособность созданных систем протестирована на клетках Corynebacterium glutamicum и Escherichia coli - продуцентах аминокислот, Bacillus subtilis – продуцентах витаминов, на дрожжах Yarrowia lipolytica - продуцентах органических кислот и других биохимикатов, и использована для получения безмаркерных штаммов, несущих множественные модификации. Ресурсы природного биоразнообразия и технологии биоинженерии были использованы для идентификации и изучения ферментов с уникальной каталитической активностью. С помощью белковой инженерии получен мутантный вариант термостабильной ксилоглюканазы MtXgh74 из Myceliophthora thermophila, у которого впервые изменен способ действия ксилоглюканазы семейства GH74 на субстрат с эндопроцессивного на эндодиссоциативный. Продолжено изучение нитрилгидротазы - уникального фермента из бактерий Rhodococcus, синтез которого контролируется системой кобальт-зависимой экспрессии. Анализ транскриптома клеток продемонстрировал высочайший уровень траскрипции генов нитрилгидратазы, что обеспечивает синтез фермента в клетке на уровне 50% от всех растворимых белков. Разработанные генетические технологии, включая модифицированные системы редактирования, были использованы в работах по созданию штаммов-продуцентов клеточных метаболитов и ферментов, востребованных в сельском хозяйстве (кормовые добавки) и химической индустрии. В клетках E.coli была идентифицирована группа неизвестных ранее транспортеров незаменимой аминокислоты треонина. Инактивация путей транспорта треонина в клетку привела к повышению продукции треонина. С помощью полногеномного секвенирования у коринебактерий выявлена уникальная мутация в регуляторной области гена ilvB C. glutamicum, которая усиливает продукцию валина и других разветвленных аминокислот. Также обнаружен ранее не описанный путь синтеза изолейцина в клетках Escherichia coli, изучение которого открывает новые возможности для конструирования штаммов - продуцентов разветвленных аминокислот. В процессе создания продуцентов органических кислот на основе дрожжей Yarrowia lipolytica обнаружен новый митохондриальный транспортер сукцината и фумарата. В результате изучения функциональных и биохимических характеристик транспортера оказалось, что этот ген является жизненно важным в клетке Y. lipolytica при росте на С2-источниках углерода. Результаты данного исследования открывают новые подходы к созданию продуцентов органических кислот на основе дрожжей. Впервые в мировой практике создан на основе термотолерантных метилотрофных дрожжей Ogataea haglerorum высоко-продуктивный штамм-продуцент бета-маннаназы, важнейшего фермента для кормопроизводства. По биотехнологическим показателям штамм O. haglerorum ВКПМ Y-4639 сравним с лучшими зарубежными продуцентами бета-маннаназы. Планируется на его основе разработать промышленную технологию и организовать производство с участием российского бизнеса. Таким образом, разработана методологическая основа для развития технологий направленной реконструкции геномов важнейших групп промышленных микроорганизмов с целью создания штаммов-продуцентов клеточных метаболитов с высоким рыночным потенциалом и новых биокатализаторов, обеспечивающих создание научно-технических заделов для развития сельского хозяйства и микробиологической промышленности. Полученные результаты являются важным этапом реализации задач Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий по созданию микробных штаммов-продуцентов веществ, востребованных в сельскохозяйственном производстве и химической индустрии (кормовые добавки, органические кислоты, мономеры).