Projekti / Programi
Razvoj mikropretočnih sistemov za analizo, izbor in uporabo bakterijskih celic
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.02 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
Bioinženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T360 |
Tehnološke vede |
Biokemijska tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.09 |
Tehniške in tehnološke vede |
Industrijska biotehnologija |
mikrobioreaktorji, Bacillus subtilis, biofilm, riboflavin, biosenzor
Raziskovalci (17)
Organizacije (3)
Povzetek
Razvoj mikrofluidnih (MF) sistemov za biološke aplikacije omogoča nov način preučevanja mikroorganizmov, ki jih tradicionalno gojimo in preučujemo v sistemih kot so petrijevke, stresane kulture in klasični bioreaktorji. MF sistemi zagotavljajo edinstveno, fiziološko bolj relevantno okolje za gojenje celic in omogočajo natančen nadzor mikrookolja, ujetje nestabilnih metabolnih intermediatov, visokozmogljivostno izvajanje poskusov v dobro nadziranih pogojih, in operando testiranje procesnih pogojev in pridobivanje kinetičnih parametrov pomembnih za načrtovanje procesov v večjem merilu. Dodatna prednost MF sistemov je kontinuirno delovanje in majhna poraba kemikalij, njihova sklopitev z biosenzorji pa omogoča razvoj naprednih metod za diagnostiko in bioanalizo. V predlaganem projektu želimo razviti MF sistem za raziskovanje fiziologije in metabolizma Bacillus subtilis, ki je ena najbolj preučenih Gram-pozitivnih bakterij, uporabljena v številnih pomembnih industrijskih aplikacijah (farmacevtiki, prehrana, vitamini, encimi itd.) in tako predstavlja odličen modelni organizem za študij biofilmov. Poleg tega so endospore B. subtilis zanimive za razvoj biosenzorjev na osnovi celic, ki omogočajo zaznavanje številnih organskih spojin.
Projekt bo zajemal 5 delovnih sklopov. V DS1 bomo z uporabo principov rekombinante tehnologije
bomo pripravili različne seve B. subtilis, s katerimi bomo spremljali rast, odzive na okoljske
spremembe in druge biotske interakcije v MF sistemu, s pripravljenimi mutantami pa bomo omogočili tudi proučevanje biosinteze industrijsko pomembnega riboflavina in uporabnost spor B. subtilis za določevanje antioksidativne aktivnosti. V DS2 bomo razvijali MF sisteme za gojenje obstoječih in novih sevov B. subtilis. Razvili bomo več različnih MF sistemov za šaržno in kontinuirno gojenje, vključno s kapljičnimi MF sistemom za ultra-visokozmogljivostne presejalne teste, ki bodo omogočali različne načine dovajanja kisika, vanje pa bomo integrirali različne senzorje za nadzor procesov. V DS3 bomo proučevali i) odziv celic v MF sistemu pri različnih načinih gojenja (dispergirana rast/biofilm), ii) vpliv kisika na metabolno aktivnost in iii) zaznavanje kvoruma v MF sistemu. V DS4 bomo z uporabo kapljičnega MF sistema izbrali visokoproduktivne mutante B. subtilis ter za optimizacijo procesnih pogojev biosinteze riboflavina. Pozitivne izsledke preverili v klasičnem bioreaktorju. V DS5 pa bomo z imobilizacijo spor B. subtilis preverili uporabnost MF sistema za določevanje antioksidativne aktivnosti različnih spojin.
Izsledki raziskav bodo poglobili znanja na področju razvoja in razumevanja MF sistemov za
biotehnološke aplikacije in razumevanje fiziologije in metabolizma modelnega organizma Bacillus
subtilis. MF sistemi bodo omogočili vpogled v tvorbo biofilmov B. subtilis v pretočnem sistemu pri
različnih okoljskih pogojih in proučevanje odziva na bakterijski kvorum. Proučevanje biosinteze
riboflavina v kapljičnem MF sistemu pri uporabi različnih virov ogljika, dušika in fosforja ter koncentracije raztopljenega kisika bo omogočilo boljše razumevanje metabolizma pri nastanku te pomembne spojine. Z vzpostavitvijo nove metode določevanja antioksidativnega potenciala spojin z imobiliziranimi sporami B. subtilis s pomočjo MF sistema pa bo mogoče to aktivnost določevati z manjšimi količinami vzorca in v bolj nadziranih pogojih.
Pomen za razvoj znanosti
Hiter napredek mikrofluidne (MF) tehnologije omogoča razvoj mikrobioreaktorjev, ki omogočajo izjemno natančno regulacijo mikro-pogojev in s tem omogočajo študij mikroorganizmov na nivoju rasti, metabolizma in večceličnih skupnosti (biofilmov), ki do sedaj ni bil mogoč. Predlagani projekt bo demonstriral, da lahko različne mikrobne fenomene, kot so tvorba biofilmov, biosinteza vitamina B2 in medcelično signaliziranje v znanstvenih in industrijskih sevih študiramo na nivoju celic in populacije z izjemno natančnostjo in kapaciteto, ki jo omogoča state-of-the-art mikrofluidna tehnologija in medsektorsko sodelovanje. Bakterija B. subtilis je odličen modelni organizem, saj je tako znanstveno
kot tudi industrijsko izjemno relevanten, poleg tega pa je tudi pomemben kvarljivec živil, ki tvori izjemno rezistentne spore. Razumevanje fizioloških parametrov in molekularnih strategij bakterij, ki tvorijo biofilme v MF sistemih, je tako zelo relevantno. Po drugi strani pa je z industrijskega vidika zelo pomembno razumevanje bioprocesov, ki proizvajajo ekonomsko pomembne učinkovine (npr. riboflavin).
MF sistem bo omogočal izjemno hiter razvoj bioprocesov za biosintezo riboflavina, pri čemer bodo imele prednost trajnostne rešitve in uporaba različnih sekundarnih surovin, kot so odpadki živilske industrije. Ugotovitve projekta pa bodo služile tudi kot platforma za visokozmogljivostne teste za razvoj drugih industrijskih bioprocesov, saj bo sistem zlahka možno adaptirati za uporabo drugih mikroorganizmov. MF sistemi omogočajo izjemni napredek pri vodenju kemijskih, biokemijskih in bakterijskih procesov, saj imajo zelo učinkovit toplotni in snovni prenos, povrh pa omogočajo bolj ekonomično delovanje, saj porabljajo izjemno malo energije in snovi. Vzpostavitev sistema za študij bakterij v MF sistemih tako ne omogoča zgolj boljšega razumevanja fiziologije in tvorbe metabolitov, ampak bi se v prihodnosti lahko uporabljali tudi za bolj učinkovito in trajnostno proizvodnjo. Razvoj MF sistema na osnovi bakterijskih endospor, ki ga bomo razvili v sklopu tega projekta, bo omogočal analizo kvalitete hrane (npr. antioksidativni potencial) bistveno bolj hitro in ekonomično.
Predlagani projekt se v svojih ciljih navezuje na H2020 ERA Chair projekt COMPETE - št. projekta 811040 (1.1.2019-31.12.2023) - Chair Of Micro Process Engineering and Technology, pri katerem je P. Žnidaršič Plazl koordinatorica projekta, I. Mandić Mulec in I. Plazl člana strateškega odbora, Š. Fujs pa član svetovalnega odbora. COMPETE namerava postati eden ključnih evropskih centrov za mikroprocesno inženirstvo in tehnologije z močnimi industrijskimi povezavami.
Pomen za razvoj Slovenije
Rapid development of microflow (MF) technology in recent years will be the starting point for the development of microflow bioreactors, which will enable unique highly controlled conditions for fundamental as well as applied studies on bacterial growth, metabolism and multicellularity. This project will demonstrate that phenomena as diverse as biofilm formation, riboflavin biosynthesis and biosensing in scientifically and industrially extremely relevant bacterium B. subtilis can be investigated with unprecedented throughput, precision and insight by using state-of-the-art microfluidics and cross-sectorial collaboration. On the one hand, Bacillus sp. is regarded as a food spoilage microorganism due to formation of highly resistant spores. Understanding physiological parameters and molecular strategies that bacteria undergo to build biofilms obtained in flow systems is therefore highly relevant. On the other hand, microflow bioreactor with Bacillus sp. will enable ultrahigh-throughput development process of riboflavin, focusing on using sustainable media ingredients derived from food industry waste streams. The findings will also have immense implications for the high-throughput development of other industrial bioprocesses, as the system should be rapidly adaptable for other industrial strains. Notably, microflow systems offer extremely
efficient mass and heat transfer as well as unrivaled economy of scale due to reduction of costs for nutrients, space, and energy consumption. Therefore, they might contribute not only to better understanding of microbial metabolite production but also be used directly for their more efficient and sustainable production. Finally, the endospore-based microflow biosensor, developed in this project, will be applicable to evaluate food quality (e.g. anti-oxidative potential) more cheaply and efficiently.
Proposed project is in line with the goals of H2020 ERA Chair project COMPETE - Grant No. 811040 (1.1.2019-31.12.2023) - Chair Of Micro Process Engineering and Technology, where P. Žnidaršič Plazl is project coordinator, I. Mandić Mulec and I. Plazl are members of Steering Committee, while Š. Fujs is a member of the Advisory board. COMPETE attempts to create on of the leading European centres for microprocess engineering and technology with strong industrial connections.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
