Projekti / Programi
Metagenomika za preučevanje in biorudarjenje bakterijskih lakaz za sonaravno ohranjanje okolja
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.03.03 |
Biotehnika |
Rastlinska produkcija in predelava |
Voda, kmetijski prostor, okolje |
| Koda |
Veda |
Področje |
| B230 |
Biomedicinske vede |
Mikrobiologija, bakteriologija, virologija, mikologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 4.01 |
Kmetijske vede in veterina |
Kmetijstvo, gozdarstvo in ribištvo |
bakterijske lakaze, novi encimi, metagenomika, biorudarjenje, raznolikost, razgradnja lignina, razgradnja onesnažil, okolju prijazna biotehnologija
Raziskovalci (14)
Organizacije (4)
Povzetek
Ozadje: Mikroorganizmi so največji vir metabolne in genetske raznolikosti na Zemlji. S preučevanjem te raznolikosti lahko bolje razumemo povezave med raznolikostjo in funkcijo ekosistema ter najdemo nove učinkovine za biotehnološko uporabo. Lakaze (benezdiol:kisik oksidoreduktaze), so okoljsko pomembni mikrobni encimi, ki jih že uporabljajo v biotehnologiji in imajo široko substratno specifičnostjo. Sodelujejo pri povezovanju monomerov, razgradnji polimerov in cepitvi aromatskih spojih. Ob prisotnosti kisika oksidirajo široko paleto pomembnih polifenolnih snovi, med drugim lignina, protimikrobnih snovi, učinkovin v izdelkih za osebno nego in farmacevtikov. Mikrobi so bogat in raznolik vir lakaz, vendar večine (99,9 %) mikroorganizmov v naravnih okoljih ne moremo gojiti, zato so številni encimi za nas dosegljivi le z metagenomskim pristopom. Metagenomika omogoča raziskovanje funkcije in raznolikosti mikrobnih združbe v naravnih okoljih in predstavlja sodobno orodje za raziskovanje in bio-rudarjenje novih encimov za trajnostni razvoj.
Opis problema: Lakaze iz gliv so najbolj preučevane in jih že uporabljajo v papirni, tekstilni, farmacevtski in petrokemični industriji. Uporabljajo jih pri razgradnji lignocelulozne biomase za pridobivanje energije in izodnih kemičnih spojin ter za biodetekcijo in odstranjevanje okoljskih onesnažil. Ti encimi so prisotni tudi v prokariontih, bakterijske lakaze pa se od glivnih pomembno razlikujejo po svoji stabilnosti pri visokih temperaturah in pH vrednostih. Nedavno smo razvili nova orodja za detekcijo bakterijskih lakaz in odkrili veliko raznolikost bakterijskih genov za lakaze v šotnih tleh Ljubljanskega barja (Ausec in sod., 2011). Razvili smo tudi skrite modele Markova za bakterijske lakaze, s katerimi smo v objavljanih genomih iskali dvo- in trodomenske lakaze in identificirali preko 1200 domnevnih genov za lakaze (Ausec in sod., v pripravi). Ti rezultati predstavljajo velik napredek v znanju o biologiji in ekologiji bakterijskih lakaz in obetajo nove in robustnejše encime za evropsko industrijo in okoljevarstveno uporabo.
Namen projekta: V predlaganem projektu bomo iskali nove gene za bakterijske lakaze, ki bodo zaradi svoje stabilnosti (denimo pri visokem pH) uporabne v industriji, v okoljski biotehnologiji in kot biosenzorji za onesnažila. To bomo dosegli z ekološkimi študijami raznolikosti bakterijskih lakaz v naravnih in onesnaženih sistemih ter tako izbrali primeren vir novih encimov za aplikacijo metagenomskih pristopov. Nove gene bomo izrazili heterologno in najmanj eno lakazo bomo očistili ter encimsko okarakterizirali.
Izvirnost rezultatov: Lakaze so industrijsko in okoljsko pomembni encimi, vendar so jih do sedaj pretežno preučevali v glivah in drugih evkariontih. Le malo bakterijskih lakaz so izolirali in podrobno preučevali, skoraj ničesar ne vemo o njihovi raznolikosti in ekologiji. S tem projektom bomo spremenili splošno miselnost in poudarili pomen bakterijskih lakaz, saj bomo odkrili nove molekularne vzorce in biološke funkcije bakterijskih lakaz. Smo mednarodno pomembna skupina na področju raziskovanja bakterijskih lakaz in v predlaganem projektu bomo uporabili nove pristope, ki smo jih do sedaj razvili. Rezultati bodo zato objavljivi v znanstvenih revijah z visokim faktorjem vpliva, v prihodnje (čeprav ne v tem projektu) pa bodo zelo verjetno privedli do patentov in biotehnološke uporabe.
Pomen za razvoj znanosti
Lakaze razgradijo različne ksenobiotike v okolju in so izredno široko uporabni encimi, ki jih uporabljajo v industriji beljenja papirja, tekstila, v farmacevtski industriji in v živilstvu. Ti encimi imajo velik potencial za odstranjevanje onesnažil in so zato vsestransko zanimivi. V okviru tega temeljnega projekta smo preučevali te pomembne encime predvsem pri bakterijah, ker so bakterijske lakaze zelo slabo raziskane a smo skozi ta projekt razširili znanja o teh zanimivih encimih. Rezultati tega projekta so bili publicirani v eminentnih revijah in že dobro citirani. Rezultati so pripeljali tudi do vabljenih predavanj na najpomembnejši konferenci na področju mikrobiologije v Evropi (FEMS) in povabilo za organizacijo sekcije o metagenomiki tal, kar je bila centralna tema tega projekta. Naši raziskovalni uspehi so pripeljali tudi k povabilu priprave številnih EU projektov. V okviru tega projekta smo razvili nova orodja za slednje bakterijskih lakaz v genomih in metagenomih ter orodja za slednje genov za lakaze v okolju, kar je izrednega pomena za nadaljnje študije diverzitete lakaz, identifikacijo novih genov te skupine v metagenomih ali v okolju. Skozi ta projekt smo postali pionirji na področju razumevanja raznolikosti bakterijskih lakaz. Preučevali smo tudi razgradnjo farmacevtikov in drugih polutantov s temi encimi in identificirali lakazo, ki kaže oksidacijsko aktivnost pomembnega polutanta ter zniža nejgovo toksičnost. Poleg tega smo očistili prvi na svetu dve bakterijski lakazi in pridobili prvo lakazo Acidobakterij s pomočjo metagenomike. Ker je znanje o bakterijskih lakazah še zelo na začetku in so študije bakterijskih lakaz na nivoju proteina izredno redke ( manj kot 10 jih je bilo preučevanih v laboratoriju in le 4 intenzivneje), so rezultati tega projekta, v okviru katerega nam je uspelo očistiti in delno okarkaterizirati 3 nove lakaze in identificirati več kot 1200 novih genov pomembno razširi znanje o bakterijskih lakazah.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt je imel izredno pozitiven vpliv tudi na Slovensko družbo in sicer je skozi trazvoj znanja doma odprl možnost za boljše sodelovanje s tujimi partnerji in tako širil ugled slovenske znanosti. Ta moment je bil še posebej poudarjen v povezavi z EU projektom metaexplore, saj smo skozi povečano financiranje raziskav bakterijskih lakaz lahko tudi bolje prispevali k EU projektu. S tem se je povečal ugled naše države in naše znanosti in tudi odprla možnost za nove aplikacije EU projektov, kar bo v prihodnosti prineslo ekonomske koristi in potencialna delovna mesta. Vodja projekta je v času projekta organizirala mednarodni kongres BAGECO12, kar je direktno pozitivno vplivalo na slovenski turizem, saj je v Slovenijo pripeljal 300 udeležencev iz vsega sveta. Poleg tega je imel projekt tudi pomemben vpliv na izobraževanje na dodiplomski in podiplomski ravni. Znanja, ki smo jih pridobili v okviru projekta smo direktno prenesli v različne predmete, ki jih počujemo v okviru študijev mikrobiologije, biotehnologije, kemije, biologije in varstva okolja. V tesni povezavi s projektom je nastal en doktorat in 3 magistrska dela, kar kaže na interes študentov za to področje., znanja pa smo vključili tudi v laboratorijske vaje in predavanja, kar je razširilio družbeni vpliv projekta še na večje število študentov. Ker je bil partner tudi biotehnološko podjetje Acies bio, je projekt direktno vplival tudi na prenos znanja v gospodarstvo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
