Коллекция микроорганизмов ИЦиГ СО РАН как генетический ресурс для биотехнологии

В создании новых биотехнологий важное значение имеют генетические знания о микроорганизмах, так как эффективность любых биотехнологий определяется особенностями структурно-функциональной организации молекулярно-генетических систем и их компонент, используемых для наработки целевых продуктов. При этом коллекции микробных культур играют решающую роль в мобилизации биологических ресурсов и позволяют сформировать прочную базу для генетических, молекулярно-биологических и биотехнологических исследований. Целью данной работы было проведение оценки ключевых молекулярно-генетических и фенотипических характеристик штаммов коллекции микроорганизмов, созданной в Федеральном исследовательском центре Институт цитологии и генетики (ФИЦ ИЦиГ) СО РАН, в качестве генетического ресурса для биотехнологии. Для 30 штаммов микроорганизмов коллекции, выделенных сотрудниками ИЦиГ из экстремальных природных экосистем, осуществлено описание ключевых молекулярно-генетических и фенотипических характеристик с использованием современных методов молекулярной биологии и масс- спектрометрии. Проведено выделение ДНК и секвенирование последовательностей генов 16S рРНК. Штаммы коллекции охарактеризованы по морфологическим, физиологическим, молекулярно-генетическим и масс-спектрометрическим характеристикам. Установлены особенности роста штаммов на разных средах, изучена морфология клеток. Штаммы протестированы на способность использовать различные субстраты. Установлены физиологические характеристики штаммов коллекции (отношение к кислороду, тип питания, диапазон температур и рН, отношение к NaCl и др.), различная устойчивость штаммов к антибиотикам. Определены хемотаксономические характеристики по составу жирных кислот штаммов коллекции. Проведено создание характеристичных масс- спектров белковых профилей исследованных штаммов коллекции. Получены и задепонированы в ГенБанке последовательности ДНК штаммов. Выполнена оценка биотехнологических свойств штаммов, определено содержание метаболитов (этанола, молочной и уксусной кислот) в культуральной жидкости. Ценность коллекции микроорганизмов ФИЦ ИЦиГ СО РАН как генетического ресурса для биотехнологии и биоинженерии определяется не только видовым разнообразием входящих в нее штаммов и широким ареалом их выделения, но и глубиной их характеризации с использованием максимально широкого арсенала как классических, так и современных методов, включая методы геномики, протеомики, транскриптомики и биоинформатики.

1. Armengaud J. Next-generation proteomics faces new challenges in environmental biotechnology. Curr. Opin. Biotechnol. 2016;38:174-182. DOI 10.1016/j.copbio.2016.02.025.

2. Becker J., Wittmann C. Industrial microorganisms: Corynebacterium glu tamicum. Industrial Biotechnology: Microorganisms. C. Wittmann, J.C. Liao (Eds.). Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2016;183- 220. DOI 10.1002/9783527807796.ch6.

3. Bryanskaya A.V., Rozanov A.S., Logacheva M.D., Kotenko A.V., Peltek S.E. Draft genome sequence of Geobacillus icigianus strain G1w1T isolated from hot springs in the Valley of Geysers, Kamchatka (Russian Federation). Genome Announc. 2014;2(5):e01098-14. DOI 10.1128/genomeA.01098-14.

4. Bryanskaya A.V., Malup T.K., Lazareva E.V., Taran O.P., Rozanov A.S., Efimov V.M., Peltek S.E. The role of environmental factors for the composition of microbial communities of saline lakes in the Novosibirsk region (Russia). BMC Microbiology. 2016;16(1):S4. DOI 10.1186/s12866-015-0618-y.

5. Cho S., Jung M.Y., Park M.H., Kim W. Bacillus chungangensis sp. nov., a halophilic species isolated from sea sand. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2010;60:1349-1352. DOI 10.1099/ijs.0.013607-0.

6. Dobretsov N.L., Lazareva E.V., Zhmodik S.M., Bryanskaya A.V., Mo-rozova V.V., Tikunova N.V., Peltek S.E., Karpov G.A., Taran O.P., Ogorodnikova O.L., Kirichenko I.S., Rozanov A.S., Babkin I.V., Shuvaeva O.V., Chebykin E.P. Geological, hydrogeochemical, and microbiological characteristics of the oil site of the Uzon caldera (Kamchatka). Russian Geology and Geophysics. 2015;56(1-2):39-63. DOI 10.15372/GiG20150103.

7. Dool D., Kratz P.D. A generalization of the retention index system including linear temperature programmed gas-liquid partition chromatography. J. Chromatogr. A. 1963;11:463-471. DOI 10.1016/S0021-9673(01)80947-X.

8. Elleuche S., Schröder C., Sahm K., Antranikian G. Extremozymes – biocatalysts with unique properties from extremophilic microorganisms. Curr. Opin. Biotechnol. 2014;29:116-123. DOI 10.1016/j. copbio.2014.04.003.

9. Jenkins C.L., Kuhn D.A., Daly K.R. Fatty acid composition of Simonsiella strains. Arch. Microbiol. 1977;113:209-213. DOI 10.1007/ BF00492027.

10. Kevbrin V.V. Termofilnye alkalofilnye mikroorganizmy [Thermo-philic alkaliphilic microorganisms]. Trudy Instituta mikrobiologii im. S.N. Vinogradskogo [Proceedings of the Vinogradskiy Institute of Microbiology]. Moscow: Nauka Publ., 2007;374-395. (in Russian)

11. Lasch P., Beyer W., Nattermann H., Stämmler M., Siegbrecht E., Gru-now R., Naumann D. Identification of Bacillus anthracis by using matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry and artificial neural networks. Appl. Environ. Microbiol. 2009;75(22):7229-7242. DOI 10.1128/AEM.00857-09.

12. Lazareva E.V., Bryanskaya A.V., Taran O.P., Kolmogorov Yu.P., Ma-lup T.K., Peltek S.E., Zhmodik S.M. Investigation of the distribution of elements among the components of a salt lake system by the XFEA-SR method. Poverkhnost. Rentgenovskie, sinkhrotronnye i neytronnye issledovaniya = Surface: X-ray, Synchrotron and Neutron Studies. 2012;12:70-80. DOI 10.1134/S1027451012120051. (in Russian)

13. Lazareva E.V., Bryanskaya A.V., Zhmodik S.M., Kolmogorov Y.P., Pestunova O.P., Barkhutova D.D., Zolotarev K.V., Shaporenko A.D. Elements redistribution between organic and mineral parts of microbial mats: SRXFA research (Baikal Rift Zone). Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2009;603:137-140. DOI 10.1016/j.nima.2008. 12.178.

14. Lazareva E.V., Bryanskaya A.V., Zhmodik S.M., Smirnov S.Z., Pestunova O.P., Barkhutova D.D., Polyakova E.V. Mineralization in cyano-bacterial mats of alkaline hydrotherms of the Barguzin basin of the Baikal rift zone. Doklady RAN = Proceedings of the Russian Academy of Sciences. 2010;430(5):675-680. DOI 10.1134/ S1028334X10020169. (in Russian)

15. Li L., Degardin M., Lavergne T., Malyshev D.A., Dhami K., Ordoukhanian P., Romesberg F.E. Natural-like replication of an unnatural base pair for the expansion of the genetic alphabet and biotechnology applications. J. Am. Chem. Soc. 2014;136(3):826-829. DOI 10.1021/ ja408814g.

16. Logan N.A., Vos P.D. Bacillus. Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria. 2015. DOI 10.1002/9781118960608.gbm 00530.

17. Maniatis T., Fritsch E., Sambrook J. Metody geneticheskoy inzhenerii. Molekulyarnoe klonirovanie [Methods of Genetic Engineering. Molecular Cloning]. Moscow: Mir Publ., 1984. (in Russian)

18. Pandhal J., Noirel J. Synthetic microbial ecosystems for biotechnology. Biotechnol. Lett. 2014;36(6):1141-1151. DOI 10.1007/s10529-014-1480-y.

19. Praktikum po mikrobiologii. Pod red. A.I. Netrusova [A.I. Netrusov (Ed.) Practical course on microbiology]. Moscow: Akademiya Publ., 2005. (in Russian)

20. Priest F.G. Systematics and ecology of Bacillus. In: A. Sonenshein, J.A. Hoch, R. Losick (Eds.). Bacillus subtilis and Other Gram-Positive Bacteria. Washington, DC: ASM Press, 1993;3-16. DOI 10.1128/9781555818388.ch1.

21. Rasko D.A., Altherr M.R., Han C.S., Ravel J. Genomics of the Bacillus cereus group of organisms. FEMS Microbiol. Rev. 2005;29(2):303-329. DOI 10.1016/j.femsre.2004.12.005.

22. Rozanov A.S., Ivanisenko T.V., Bryanskaya A.V., Shekhovtsov S.V., Logacheva M.D., Saik O.V., Malup T.K., Demenkov P.S., Goryachkovskaya T.N., Ivanisenko V.A., Peltek S.E. Bioinformatics analysis of the genome of Geobacillus stearothermophilus 22 Strain isolated from the Garga hot spring, Baikal Region. Russ. J. Genetics: Appl. Res. 2014;4(4):267-272. DOI 10.1134/S207905971404011X.

23. Rozanov A.S., Bryanskaya A.V., Kotenko A.V., Peltek S.E. Draft genome sequence of Thermoactinomyces sp. Gus2-1 isolated from the hot-spring Gusikha in Bargusin Valley (Baikal Rift Zone, Russia). Genomics Data. 2017;11:1-2. DOI 10.1016/j.gdata.2016.11.014.

24. Ruelle V., Moualij B.E., Zorzi W., Ledent P., Pauw E.D. Rapid identification of environmental bacterial strains by matrix-assisted laser de sorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2004;18:18:2013-2019. DOI 10.1002/ rcm.1584.

25. Saryg-ool B.Yu., Myagkaya I.N., Kirichenko I.S., Gustaytis M.A., Shuvaeva O.V., Zhmodik S.M., Lazareva E.V. Redistribution of elements between wastes and organic-bearing material in the dispersion train of gold-bearing sulfide tailings: Pt. I. Geochemistry and Mineralogy. Sci. Total Environ. 2017;581-582:460-471. DOI 10.1016/ j.scitotenv.2016.12.154.

26. Scaife M.A., Nguyen G.T.D.T., Rico J., Lambert D., Helliwell K.E., Smith A.G. Establishing Chlamydomonas reinhardtii as an industrial biotechnology host. Plant J. 2015;82(3):532-546. DOI 10.1111/ tpj.12781.

27. Schaffer C., Franck W.L., Scheberl A., Kosma P., McDermott T.R., Messner P. Classification of isolates from locations in Austria and Yellowstone National Park as Geobacillus tepidamans sp. nov. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2004;54:2361-2368. DOI 10.1099/ ijs.0.63227-0.

28. Slepecky R.A., Hemphill H.E. The genus Bacillus – nonmedical. Pro-karyotes. 2006;4:530-562. DOI 10.1007/0-387-30744-3_16.

29. Starostin K.V., Demidov E.A., Bryanskaya A.V., Efimov V.M., Rozanov A.S., Peltek S.E. Identification of Bacillus strains by MALDI TOF MS using geometric approach. Sci. Rep. 2015;5:16989. DOI 10.1038/srep16989.

30. Sun Z., Harris H.M.B., McCann A., Guo C., Argimón S., Zhang W., Yang X., Jeffery I.B., Cooney J.C., Kagawa T.F., Liu W., Song Y., Salvetti E., Wrobel A., Rasinkangas P., Parkhill J., Rea M.C., O’Sullivan O., Ritari J., Douillard F.P., Ross R.P., Yang R., Briner A.E., Felis G.E., Vos W.M., Barrangou R., Klaenhammer T.R., Caufield P.W., Cui Y., Zhang H., O’Toole P.W. Expanding the biotechnology potential of lactobacilli through comparative genomics of 213 strains and associated genera. Nat. Commun. 2015;6:8322. DOI 10.1038/ncomms9322.

31. Suslova M.Yu. Rasprostranenie i raznoobrazie sporoobrazuyushchikh bakteriy roda Bacillus v vodnykh ekosistemakh [Distribution and diversity of spore-forming bacteria of the genus Bacillus in aquatic ecosystems]. Irkutsk: Novoe Delo Publ., 2007;14-36. (in Russian) Zammit G. A culture collection of Maltese microorganisms for application in biotechnology, biomedicine and industry. Xjenza Online = J. Malta Chamber of Sci. 2016;4:86-89. DOI 10.7423/XJENZA. 2016.1.12.