Экологическая омика и ее биотехнологическое применение (аннотация)
Усовершенствование омических методов в последние годы позволило добиться значительных успехов в микробиологии.
Функционирование окружающей среды чрезвычайно разнообразно, сложно и трудно поддается расшифровке, и, следовательно, требует передовых молекулярных инструментов для решения ключевых научных вопросов, которые остаются плохо документированными. Экологическая омика направлена на лучшее понимание метаболических процессов широкого спектра организмов и/или сложных микробных сообществ для улучшения понимания связи между фенотипом и генотипом, что позволяет получить новые знания о ключевых молекулярных игроках в ответ на изменения окружающей среды и бесценную информацию о микробных сообществах.
В этом контексте данный обзор исследований демонстрирует возможности экологической омики для определения характеристик новых катализаторов для биотехнологических применений. Спектр приложений велик и включает биоремедиацию загрязняющих веществ, разработку инновационных биосенсоров, скрининг новых катализаторов и терапевтических препаратов, а также биопроизводство новых химических веществ и материалов. Мы призываем ученых, использующих омику для изучения различных аспектов экологических процессов, внести свой вклад в развитие данного направления исследований.
Оптимизация метаболических процессов для повышения эффективности биопроцесса требует получения глубоких знаний не только для определения непосредственно задействованных элементов, но и тех, которые необходимы для обеспечения всех компонентов и баланса метаболических потоков. Омика облегчает получение знаний, предоставляя целостную и глобальную информацию об исследуемых процессах. Кроме того, ее развитие позволило выйти за рамки простого молекулярного изучения культур или отдельных модельных организмов и перейти к более сложным экспериментальным проектам с использованием микробных консорциумов (естественных или искусственных). Таким образом, ранее неизвестные функции могут быть обнаружены и проанализированы. Однако для их широкого применения крайне важно усовершенствовать методики и снизить их стоимость. В связи с этим Abdelmoneim et al. предложили заменить классический анализ ампликонов гена 16S РНК на таксон-специфичный qPCR для увеличения пропускной способности почвенных исследований, которые также могут быть использованы в качестве диагностического инструмента для здоровья почвы. Это исследование является прекрасной иллюстрацией того, как омика становится ценным диагностическим инструментом в течение следующего десятилетия.
Потенциальные биотехнологические применения экологических процессов невероятно разнообразны. Для иллюстрации этого можно привести пример того, как открытие комаммокса в хемолитоавтотрофной Nitrospira позволило разработать стратегии удаления азота на станциях очистки сточных вод и как продолжаются исследования по оптимизации этого процесса (Lawson et al., 2021).
Фиксация азота растениями - еще одна важная тема исследований, разрабатываемая различными группами ученых, например, Luis Rubio с коллегами. Однако другие факторы, такие как доступность фосфора, влияют на биологическую фиксацию азота и могут быть важными узкими местами. В случае с фосфором, введение неспецифической щелочной фосфатазы PhoX может быть использовано для улучшения потребления фосфора. На самом деле, PhoX в первую очередь отвечает за активность солюбилизации фосфора у протеобактерий, даже когда фиксация азота и солюбилизация фосфора происходят одновременно у Azotobacter chroococcum NCIMB 8003. Это было продемонстрировано Biełło et al., которые также показали, что анализ обогащения доменов особенно подходит для этого, поскольку этот подход выходит за рамки классического обогащения терминов онтологии генов и метаболических путей. Мы уверены, что подобная методология может быть успешно применена к образцам окружающей среды или обогащенным образцам с определенными видами организмов и проанализирована методом мета-омики.
Глобальное потепление ставит под угрозу урожайность сельского хозяйства, и необходимо предложить срочные решения. Экологическая омика может стать ключом к повышению урожайности культурных растений за счет минимизации экологических рисков, разработки биоудобрений или производства биостимуляторов. Биодеградация и биоремедиация также являются важными темами для восстановления окружающей среды, в которой омика находит все большее применение.
Llorca и Martínez-Espinosa опубликовали данные о прямом применении омики с тщательным анализом потенциала биоремедиации в отношении меди галоархеона Haloferax mediterranei ATCC 33500. Другое исследование, посвященное устойчивости микроорганизмов к природным токсикантам, представлено Grosjean et al. В этой оригинальной работе мутанты Saccharomyces cerevisiae и их скрининг с помощью высокопроизводительной протеомики позволили выявить важность клеточной стенки как защитного экрана для дискриминации легких и тяжелых лантаноидов. Это позволяет лучше понять эукариоты.
После того как процесс был подробно охарактеризован с помощью омики, его можно скопировать и интегрировать с помощью подхода системной биологии (SynBio) в эффективный промышленный процесс. Для этого хорошо подходят такие подходы, как циклы "проектирование-строительство-тестирование-обучение". Независимо от цели, от создания полностью синтетических путей, таких как фиксация CO2 in vitro, до оптимизации природных процессов, необходимо принять важнейшее решение: использовать ли клеточно-зависимые или бесклеточные системы. Это будет особенно актуально, если в ходе изучаемого процесса образуются токсичные соединения, как в в случае, описанном Chen et al. В этой работе сообщалось о токсическом действии диметилфталата, широко используемого пластификатора, на бактерию Pseudomonas fluorescens и подробно описывались его молекулярные последствия. Эти результаты могут ограничить возможность использования этих бактерий в качестве разлагателей пластика. Два варианта - использование катализа в бесклеточной системе или повышение толерантности шасси P. fluorescens - могут стать выигрышными альтернативами.
Работы, представленные в данном обзоре, иллюстрируют различные аспекты огромной пользы омических подходов для рационального развития большого разнообразия биотехнологических приложений. То, что непрерывный прогресс в этих методологиях становится все более доступным, позволит нам разработать и оптимизировать новые биотехнологические приложения.
