Genetika
Использование системной биологии для создания штаммов микроорганизмов
Дебабов В.Г.
Государственный научный центр РФ
ГосНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов
117545 Москва,
1-й Дорожный проезд, д.1 e-mail: genetika@genetika.ru http://www.genetika.ru
Genetika
Системная биология
Определение: Системная биология – это описание жизни в динамике на основе знаний о биологических молекулах и элементарных процессах в живой клетке (органе, организме)
Genetika
Системная биология
Методы: Геномика и постгеномные технологии (транскриптомика, протеомика,
метаболомика) и биоинформатика. Модели поведения живых систем (жизнь in silico).
Genetika
Системная биология
Состояние: Начало пути: сформулированы
задачи, появились методы (-омики), которые
требуют совершенствования.
Genetika
Системная биология
Значение: Системная биология – это новая
парадигма современной биологии, которая
определит развитие биологии на ближайшие
50 лет.
Микробиологическая промышленность
Промышленные
ферменты
-α-амилаза
-глюкоамилаза
-протеазы
-липазы
-целлюлаза
-пектиназа и др.
Витамины
-рибофлавин (B2)
-аскорбиновая к-та (C)
-никотинамид (PP)
-коболамин (B12)
Каротиноиды
-β-каротин
-астаксантин
-ликопин
|
|
|
|
зерно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
крахмал |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
энергетика |
|
|
|
|
|
глюкозный |
|
|
|
фруктозный |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
вода |
|
|
|
|
|
|
сироп |
|
|
|
|
|
сироп |
|
|
|
|
|
Биоудобрения, |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
заменитель |
|
|
|
|
биопестициды |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сахара |
|
|
|
|
|
- биоинсектициды |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- биофунгициды |
|
|
микробиологическая |
|
|
|
|
|
- азотофиксаторы |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
- биостимуляторы |
|
|||||||||||||||||||||
|
промышленность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
Топливный |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
этанол |
|
Химикаты |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- молочная к-та |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- лимонная к-та |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 1,3 - пропандиол |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Антибиотики |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- тонкие продукты |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аминокислоты |
|
|
|
|
|
для фарминдустрии |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
L-лизин |
|
|
|
|
|
и др. |
|
|||||
|
Биомасса живых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
- |
|
L-треонин |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
клеток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- L-триптофан |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
- биокатализ в химии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Полисахариды |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
- очистка почв, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- для технических целей |
|
||||||||||||
|
воды и воздуха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- для пищевой промышленности |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вперспективе: - производство кортизона и других стероидов из глюкозы
-новые антибиотики и другие продукты
Genetika
Схема традиционной ступенчатой селекции
CSI - classical strain improvement/CSS - classical strain selection
Исходный штамм
рост
Популяция
обработка мутагеном
Мутантная популяция
отбор
I |
II |
III |
повторение |
цикла |
- штаммы с повышенной продуктивностью - штамм с наивысшей продуктивностью
I, II, III - разные линии селекции
Genetika
Селекция продуцентов антибиотика тилозина Streptomyces fradie
CSS - метод (20 циклов мутагенеза и отбора)
SF1 |
|
SF2 |
|
|
1,0 ± 0,1 г/л |
Мутагены: HNO2, УФ, нитрогуанидин; |
|
||
6,2 ± 1,2 |
г/л |
|||
|
натуральная селекция. |
|||
|
|
|
20 лет; 1 миллион тестов
Геномный шафлинг (GS)
SF1 |
|
|
|
Исходный рост |
мутагенез селекция |
рост |
рекомби- селекция |
штамм |
|
нация |
|
|
|
Повторение
цикла
1 год; 24 тысячи тестов |
Результат: GS1: 8,1 ± 1,2 г/л |
Nature 415, 644-646 (2002)
Genetika
Биосинтез аминокислот аспарагинового семейства
|
|
|
ATP |
ASP |
|
|
|
|
|
|
thrA, metL, lysC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ADP ASP - β - P |
|
|
|
|
NADPH + H+ |
|
asd |
|
||
|
|
NADP+ |
|
|
||
|
|
|
|
|
||
LYS |
………………… |
ASP - semialdehyde |
|
|||
|
|
|
||||
|
NADPH + H+ |
|
thrA, metL |
|
||
|
|
NADP+ |
|
|
||
|
|
|
…………………… |
|
||
|
|
|
Homoserine |
MET |
||
|
|
|
thrB |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Homoserine - P |
|
||
|
|
|
|
|
thrC |
|
|
tdh |
|
|
Threonine |
ilvA, tdcB |
|
|
|
|
|
|
||
|
2 - amino - 3 - ketobutyrate |
|
α - ketobutyrate |
|
||
ILE
The Threonine Story
Vladimir G. Debabov
State Research Institute of Genetics and Selection
of Industrial Microorganisms
1st Dorozhny proezd, Moscow 113545, Russia
Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology, vol.79, 2003