AP26194471 – Метагеномные и метатранскриптомные исследования экстремальных экосистем для изучения уникальных метаболических возможностей микрорганизмов в зеленых биотопливных технологиях

Цель – исследование метагеномных и метатранскриптомных данных экстремальных экосистем с целью выявления и пополнения коллекции микроорганизмов, обладающих уникальными метаболическими возможностями, что создаст основу для разработки инновационных и экологически устойчивых биотопливных технологий.

Актуальность: Актуальность данного проекта обусловлена огромным, но недостаточно изученным разнообразием микроорганизмов и их нераскрытым метаболическим потенциалом для биоэнергетики. Несмотря на достижения микробиологии, большинство микроорганизмов остаются неизвестными, особенно те, которые обитают в экстремальных экосистемах, таких как горячие источники, солёные среды и глубокие анаэробные зоны. Эти среды содержат уникальные микробные сообщества с адаптивными метаболическими возможностями, которые могут предложить инновационные решения для разработки «зелёных» биотоплив. Традиционные методы исследования ограничены в способности охватить всё разнообразие микроорганизмов, что делает использование современных подходов, таких как метагеномика и метатранскриптомика, крайне необходимым. Эти методы позволяют получить доступ к скрытой генетической и функциональной информации, что даёт возможность выявлять ключевые метаболические пути для производства биоводорода, биобутанола и биодизеля. Таким образом, проект является высокоактуальным, поскольку способствует переходу к устойчивой энергетике за счёт раскрытия потенциала микроорганизмов и развития экологически чистых технологий производства биотоплива.

Научный руководитель: Доктор Ph.D., Какимова Ардак Болатовна

Ожидаемые и достигнутые результаты: В рамках проекта успешно проведены масштабные полевые исследования в различных экстремальных экологических регионах Казахстана, включая Алматинскую, Восточно-Казахстанскую, Кызылординскую, Западно-Казахстанскую и Павлодарскую области. Были отобраны образцы почвы и воды из разнообразных сред, таких как геотермальные источники, солончаковые почвы, пустынные территории и минерализованные водоёмы, что обеспечило репрезентативный набор данных по экстремофильным микробным сообществам. Все процедуры отбора проб проводились с соблюдением требований биобезопасности, включая стерильность, GPS-фиксацию, документирование и корректную транспортировку. Из полученных образцов была выделена высококачественная ДНК с использованием оптимизированных протоколов, что обеспечило надёжную основу для последующего метагеномного анализа. На втором этапе был проведён комплексный метагеномный анализ отобранных образцов, каждый из которых анализировался с биологическими повторами для обеспечения статистической достоверности. Образцы были секвенированы с использованием технологий высокопроизводительного секвенирования (NGS), после чего проведена углублённая биоинформатическая обработка, включая фильтрацию, аннотацию и таксономическое профилирование. Результаты показали, что во всех образцах доминируют бактериальные сообщества, при значительном присутствии архей, адаптированных к экстремальным условиям, таким как высокая солёность и температурные колебания. Было выявлено широкое разнообразие микробных родов, включая Clostridium, Acetobacterium, Desulfovibrio, Halomonas, Synechococcus и Nostoc, что указывает на широкий спектр метаболических возможностей. Функциональный анализ выявил ключевые гены, связанные с водородным метаболизмом, включая [FeFe]- и [NiFe]-гидрогеназы и гены их созревания, что подтверждает потенциал биологического производства водорода. Также были обнаружены кластеры генов нитрогеназы, указывающие на наличие альтернативных путей генерации водорода в анаэробных условиях. Кроме того, были выявлены гены, участвующие в биосинтезе липидов и метаболизме жирных кислот, что свидетельствует о наличии микроорганизмов с высоким потенциалом накопления липидов, пригодных для производства биодизеля. Обнаружены гены, связанные с бутанольным и ABE-брожением, что демонстрирует способность микробных консорциумов производить такие биотоплива, как биобутанол, ацетон и этанол. Также выявлен широкий спектр ферментов, отвечающих за разложение растительной биомассы, включая целлюлазы и ферменты деградации лигнина, что подтверждает способность микробных сообществ к биоконверсии органических субстратов. Наличие генов устойчивости к солевому, температурному и окислительному стрессу подтверждает высокую адаптивную способность выявленных микроорганизмов. На основе полученных результатов отобраны приоритетные образцы для дальнейшего выделения чистых культур с высоким биотехнологическим потенциалом. В целом, проект позволил сформировать ценную научную базу данных и заложил основу для разработки устойчивых технологий производства биотоплива на основе экстремофильных микроорганизмов.