Карта научных проектов: Институт фундаментальной биологии и биотехнологии

Где будет город-сад

Создание комфортной городской среды.

В рамках прикладного научного проекта под руководством директора ботанического сада института Е. А. Селениной осуществляется разработка принципов создания системы комплексного озеленения и благоустройства территории города Красноярска. В том числе, исследуется возможность введения в систему озеленения города новых форм, например, озеленение крыш или вертикальное озеленение.

В настоящее время в соавторстве с заведующей кафедрой технологии и машин природообустройства Сибирского государственного университета науки и технологий им. Академика М. Ф. Решетнёва Е. В. Авдеевой разработана «Программа развития системы комплексного озеленения и благоустройства территории Красноярска», актуальность которой обусловлена состоянием городской среды, определяющей уровень качества жизни населения.

На сегодняшний день в мире большое внимание уделяется развитию экологически устойчивых и здоровых городов. Важным элементом их устойчивого развития считается создание рационально спланированных и эстетичных озеленённых пространств, которые удобны людям, разумны, безопасны для жизни.

Зелёные насаждения Красноярска на сегодняшний день представляют собой не систему озеленения, а лишь набор парковых, линейных, дворовых, санитарно-защитных территорий, к тому же они размещены автономно и оторваны от пригородной зоны, а видовой состав и пространственная структура насаждений не всегда соответствует как природным условиям, так и техногенным нагрузкам.

Экологическое состояние среды города Красноярска формируется в результате взаимодействия рекреационных нагрузок, промышленных и транспортных выбросов, при этом происходит их перераспределение, доля последних неуклонно растет. К тому же, город расположен в местности с высоким метеопотенциалом загрязнения атмосферы.

Предлагаемая система комплексного озеленения и благоустройства территории Красноярска включает исследование современного состояния городских озелененных территорий и пригородных лесов города, разработку структуры экологического каркаса и проектные предложения по созданию генеральной схемы озеленения территории Красноярска для последующего внесения изменений в Генеральный план развития территории города Красноярска на период до 2033 года.

Сроки выполнения: 2017–2022.

Самая полезная рыба

Сравнительный анализ содержания омега-3 полиненасыщенных жирных кислот в пище и мышечной ткани рыб из аквакультуры и природных местообитаний.

В научно-исследовательском проекте, реализуемом под руководством заведующего кафедрой водных и наземных экосистем М. И. Гладышева, исследуются сравнительные показатели содержания двух длинноцепочечных полиненасыщенных жирных кислот омега-3 (ПНЖК) эйкозапентаеновой (20:5n-3, ЭПК) и докозагексаеновой (22:6n-3, ДГК) кислоты в мышечной ткани рыб и их пище.

Актуальность проекта обусловлена необходимостью выявить наиболее ценные с точки зрения содержания ПНЖК виды рыб и изучить условия, при которых наиболее успешно происходит накопление данных веществ в их мышечной ткани. В перспективе эти исследования позволят качественно улучшить ежедневный рацион и существенно понизить уровень заболеваний органов кровообращения у населения. Доказано, что употребление продуктов с высоким уровнем содержания ПНЖК Омега-3 особенно благотворно влияет на деятельность головного мозга, нормализует память и повышает способность к обучению. Основным источником протекторов сердечно-сосудистых заболеваний по-прежнему выступает рыба и морепродукты.

В рамках исследования изучены два вида рыб, проживающих в аквакультуре, горбуша Oncorhynchus gorbuscha и сиг Coregonus lavaretus, а также десять видов из природных местообитаний: сиг Coregonus lavaretus, тугун Coregonus tugun, чир Coregonus nasus, сибирская ряпушка Coregonus sardinella, европейская ряпушка Coregonus albula, палия Salvelinus boganidae, голец Salvelinus alpinus complex, щука Esox lucius, ленок Brachymystax lenok и таймень Hucho taimen.

Научный коллектив Института фундаментальной биологии и биотехнологии в сотрудничестве с коллегами из Института биофизики СО РАН провёл сравнение содержания ЭПК и ДГК в мышечной ткани рыб и их пище (содержимом желудочно-кишечного тракта). Было выявлено, что в аквакультуре сига и горбуши содержание суммы ЭПК и ДГК в корме оказалось достоверно выше, чем в мышечной ткани рыб, что свидетельствует о потере ПНЖК в двухзвенной пищевой цепи аквакультуры при их переносе на верхний трофический уровень.

Потери ЭПК и ДГК в аквакультуре, подтверждаемые многочисленными литературными данными, означают неэффективное использование имеющихся источников ПНЖК и усугубление глобального дефицита этих веществ в рационе человека. При исследовании природных популяций рыб во многих случаях обнаружено накопление ЭПК и ДГК в их биомассе по сравнению с пищей, хотя имели место и противоположные явления.

На основе этих данных было выдвинуто предположение о наличии некоего оптимального физиологически приемлемого видоспецифичного уровня ПНЖК в мышечной ткани рыб. Если в мышцах он ниже оптимального, то происходит накопление (биоаккумуляция) ПНЖК из корма и/или собственный синтез. При превышении оптимального уровня содержание ЭПК и ДГК в биомассе стремится к максимальным видоспецифичным значениям, но часть этих ПНЖК, поступающих из пищи, либо не усваивается, либо катаболизируется.

Согласно полученным данным, у видов отряда Salmoniformes оптимальный уровень составляет 2-6 мг х г-1 сырой массы. Установлено, что в аквакультуре достижение максимальных значений содержания ЭПК+ДГК в биомассе рыб сопровождается их потерями (рассеиванием) в пищевой цепи, тогда как в природных экосистемах максимальное содержание ПНЖК в биомассе рыб достигается за счет их накопления по сравнению с нижним трофическим уровнем.

Одним из наиболее значимых итогов исследования является обнаружение у палии S. boganidae рекордного для всех известных диких видов рыб значения содержания ЭПК+ДГК — 32,78 мг х г-1 сырой массы в мышечной ткани.

В настоящее время исследования в данной области продолжаются. Научные результаты отражены в публикациях и монографиях.

Сроки выполнения: с 2017 по настоящее время.

Пометить стресс

Функциональные наноматериалы: научные основы новых видов биолюминесцентного анализа для мониторинга окружающей среды и биомедицины.

Группа исследователей Института фундаментальной биологии и биотехнологии СФУ под руководством старшего научного сотрудника лаборатории биолюминесцентных биотехнологий, постдока Раджива Ранджана (Индия), и заведующей кафедрой биофизики, ведущего научного сотрудника лаборатории биолюминесцентных биотехнологий В. А. Кратасюк разрабатывает высокочувствительный биосенсор, предназначенный для обнаружения токсичных веществ при помощи биолюминесцентного ингибиторного анализа, а также для мониторинга биомаркера стресса и онкологических заболеваний — белка теплового шока 90 (Hsp90).

Данный проект исследовательски-практической направленности подразумевает исследование универсальных механизмов взаимодействия наноматериалов и биологических объектов разного уровня организации. Это необходимо для разработки биосенсоров, в которых усиление биолюминесцентного сигнала, а значит и чувствительности анализа, достигается за счёт интеграции наночастиц с биолюминесцентными зондами — аденозинтрифосфатом (АТР) и флавинмононуклеотидом (FMN).
ATP и FMN являются ключевыми субстратами люциферазы светляков и светящихся бактерий. Выбор этих биологических объектов не случаен, так как обе биолюминесцентные системы широко применяются при создании биолюминесцентных биосенсоров, позволяющих получать быстрый и достоверный анализ уровня разнообразных веществ. Для усиления биолюминесценции учёными выбраны наночастицы золота (AuNP); произошло усиление сигнала при связывании, например, АТР с AuNP до 150 %».

Предполагается, что свойства усиленной люминесценции AuNP могут использоваться для мониторинга белка Hsp90, повышенный уровень которого традиционно считается биомаркером стресса и онкологических заболеваний.

Исследователями института был создан биологический модуль для мониторинга «белка стресса» на основе наночастиц золота, связанных с молекулами аденозинтрифосфата, который обладает повышенной стабильностью. При проведении люминесцентной реакции с использованием полученного биологического модуля в присутствии Hsp90 происходит рефолдинг (восстановление структуры) люциферазы при определенных температурных режимах, изменяется кинетика люминесцентной реакции, что позволяет измерить количества Hsp90, а значит обнаружить стресс или диагностировать онкологическое заболевание.

Было показано, что разработанный биологический модуль биосенсора может применяться в том числе для обнаружения тяжёлых металлов, а также контроля стрессовых перегрузок у спортсменов. Работа в данном направлении продолжается. В дальнейшем полученные наночастицы будут использоваться для увеличения чувствительности биолюминесцентных методов анализа.

Проект поддержан грантом РФФИ.

Сроки выполнения: с 2018 по настоящее время.

Умные удобрения

Агропрепараты нового поколения: стратегия конструирования и реализация.

Во всем мире для борьбы с сорными растениями и вредоносными грибками используют пестициды, что повышает риски неконтролируемого распространения и аккумуляции в биосфере химических продуктов. Наблюдаемое сегодня традиционное применение сельскохозяйственных препаратов вступило в явное противоречие с глобальной проблемой защиты окружающей среды. Это вызывает необходимость поиска эффективных средств и методов защиты природы, не оказывающих отрицательного воздействия на человека и окружающую среду в целом. Выходом из этой ситуации может стать более широкое применение средств и методов биотехнологии, в том числе разработанных ученными СФУ.

Под совместным руководством заведующей базовой кафедрой биотехнологии Татьяны Воловой и профессора Университета им. Махатмы Ганди (Индия) Сабу Томаса разрабатывается проект «Агропрепараты нового поколения: стратегия конструирования и реализация», цель которого — конструирование препаратов нового поколения и разработка технологий для защиты культурных растений от сорняков и фитопатогенов, повышение урожайности и снижение риска от неконтролируемого распространения в биосфере пестицидов. В рамках проекта на базе СФУ создана современная лаборатория «Инновационных препаратов и материалов».

В частности, в рамках данного исследования проводится изучение механизмов негативного воздействия на культурные растения фузариоза — врага сельскохозяйственных культур — с целью снижения риска отравления культурных растений применяемыми фунгицидными препаратами триазольного ряда.

В настоящее время группа учёных института исследует токсический эффект фунгицида тебуконазола (TEB) — эффективного препарата, предназначенного для борьбы с грибковыми заболеваниями зерновых, садовых, овощных культур. Изучаются токсические свойства TEB на примере пшеницы (Triticum aestivum), заражённой Fusarium. Этот патоген, вызывая развитие корневых гнилей, способен значительно (до 30%) снижать урожай кукурузы, пшеницы и риса, которые служат основным источником растительного белка для населения планеты. Тебуконазол, являясь системным препаратом, проникает через корни в вегетативные части растения и зерно, подавляя фузарии. Обладая высокой фитотоксичностью (способностью оказывать отравляющее воздействие на растения), он одновременно повреждает растение-хозяина, которое фактически подвергается «двойному удару» возбудителя болезни и лекарства, направленного против него. Усовершенствовать схему обработки семенного фонда и заражённых растений фунгицидными препаратами (в частности, TEB), снизив риск их негативного воздействия, учёным помогает особая модельная система.

Изучая гидропонную культуру пшеницы на стадии проростков, учёные института выяснили, что токсические эффекты TEB и фузариозной инфекции проявляются по-разному, особым образом затрагивая защитные системы растения. Фузариоз вызывает резкое увеличение продуктов окислительного стресса в корнях, провоцирует рост численности пограничных клеток (ПК) и размеров гелевого чехла в корневом апиксе. Фунгицид тебуконазол влияет только на структуру апикальной меристемы, вызывая резкое уменьшению численности ПК и размеров гелевого чехла (до полного его исчезновения). Эти результаты позволяют положительно оценить культуру Triticum aestivum в качестве модельной системы для оценки биологического действия фузариоза и фунгицидов.

Теперь задачей научного коллектива, работающего над исследованием, является оптимизация формы и способов доставки тебуконазола, чтобы минимизировать его негативное воздействие на растения.

Получив достоверные данные относительно того, какая форма тебуконазола наиболее эффективна, красноярские учёные помогут решить задачу получения стабильно высоких урожаев здорового зерна в отечественном и мировом аграрном комплексе.

Сроки выполнения: с 2017 по настоящее время.

Ищем родственников среди растений Америки

Исследование хромосомного набора растений, произрастающих на юге Приенисейских Саян.

Под руководством профессора кафедры водных и наземных видов Н. В. Степанова впервые проведено исследование хромосомного набора 20 видов растений, произрастающих на юге Приенисейских Саян. Было доказано, что некоторые из них родственны растениям, живущим на отдалённых территориях, например, на Дальнем Востоке и в Северной Америке.

Определение набора хромосом, которые более устойчивы и менее вариативны, чем ДНК, для новых растений позволяет на глобальном уровне проследить историю расселения вида вглубь на миллионы лет и установить самых дальних «родственников» вида. Растения Саян и всего юга Красноярского края изучены крайне слабо, например, по сравнению с экосистемами Алтая. Во время экспедиционных исследований в этом регионе биологи СФУ регулярно открывают новые для науки виды.
Одним из таких видов является кандык саянский — это раннее весеннее цветущее растение. В природе он встречается очень локально и редко. Кандык саянский был описан всего несколько лет назад, и число хромосом для этого вида не было известно. Биологи института впервые изучили его хромосомный набор. Оказалось, что этот набор специфический, отличается от того, что было известно в Сибири, и вообще в Евразии.

Такая связь говорит о том, что в доледниковый период, около 30–40 миллионов лет назад, когда между Азией, Европой и Америкой были сплошные сухопутные мосты, многие виды растений распространялись между современными континентами. Очевидно, что в их числе был и предок кандыка саянского, который проник 20–30 млн лет назад в Евразию и Европу из Северной Америки.

После ледникового периода ареал растения деградировал — ледник его почти уничтожил, он остался очень маленькими островками: Карпаты, Кавказ, Алтай, Саяны и юг Дальнего Востока. Оказалось, что ближайший родственник кандыка — не сибирский, который растёт рядом на Алтае, а японский, произрастающий на Дальнем Востоке России, а также некоторые виды, которые встречаются в Северной Америке.

В настоящее время все изучения хромосомных наборов растений проходят на базе СФУ. В зависимости от вида растения, исследование может занимать от нескольких недель до 2–3 лет, так как, чтобы избежать ошибки, учёные изучают минимум 10 растений из разных популяций.

Дальнейшая работа в рамках проекта направлена на анализ и изучение хромосомных наборов других растений, собранных в Саянах и на юге Красноярского края.

Сроки выполнения: с 2017 по настоящее время.

Пометить болезнь

Разработка алгоритмов молекулярно-генетического анализа сложных соматических мутаций с целью диагностики, прогнозирования и оценки эффективности лечения при онкогематологических заболеваниях

Соматические мутации в опухолевых клетках считаются диагностическими и прогностическими маркерами, а также помогают определять чувствительность к противораковым препаратам. Зачастую молекулярно-генетическим маркером какого-либо онкологического заболевания является соматическая мутация по типу однонуклеотидной замены, например, мутация V617F в гене JAK2 при хронических миелопролиферативных неоплазмах (ХМН).

В то же время, бывают случаи, когда формирование фенотипа заболевания связано не с одной конкретной мутацией, а с целым рядом разных соматических мутаций, сосредоточенных на определенном участке ДНК. Например, соматические мутации при разных фенотипических вариантах ХМН, в частности: мутации в 12 экзоне гена JAK2 (известно более 40 мутаций), обуславливающие развитие истинной полицитемии. Или мутации в 9 экзоне гена CALR (известно более 50 мутаций), ассоциированные с эссенциальной тромбоцитемией или миелофиброзом и т. д.

Во всех приведенных примерах спектр мутаций, ассоциированных с заболеванием, очень разнообразен, это могут быть точечные мутации, разные делеции и вставки небольших участков ДНК, а также их сочетания. Все это ведёт к необходимости использования такого метода генетического анализа, как секвенирование (определение последовательности нуклеотидов в ДНК), которое всё ещё остается дорогостоящей технологией в Российской Федерации.

При использовании наиболее распространенного метода секвенирования по Сэнгеру для анализа соматических мутаций существуют определённые проблемы связанные, как с количественной оценкой мутировавших молекул ДНК, так и с интерпретацией результатов из-за низкой чувствительности метода. В тоже время, достаточно часто соматические мутации (драйверные, ассоциированные с неблагоприятным прогнозом течения заболевания и др.) присутствуют в небольшом количестве исследуемых аллелей. Все это диктует необходимость дополнительного использования более чувствительных молекулярно-генетических методов для поиска малопредставленных вариантов соматических мутаций.

Учёные научно-практической лаборатории молекулярно-генетических методов исследований СФУ под руководством доцента кафедры медицинской биологии Т. Н. Субботиной предложили свой алгоритм выявления и идентификации сложных соматических мутаций, ассоциированных с одним из видов рака крови — ХМН. Предложенный способ удобен для использования, когда необходимо провести анализ множества разнообразных вариантов соматических мутаций, которые могут быть локализованы на небольшом фрагменте ДНК (100-300 нуклеотидов), и любая из таких мутаций имеет клиническое значение.

В частности, с помощью данного алгоритма в лаборатории для пациентов с хроническим раком крови проводится анализ мутаций в таких генах, как JAK2 и CALR. Ключевые достоинства нового алгоритма — экономичность, скорость выполнения анализа и возможность выявления мутации даже при небольшом уровне аллельной нагрузки (3-5 % мутантных аллелей в образце ДНК).

Генетический анализ соматических мутаций или тех, которые не передаются по наследству, а появляются с возрастом и зачастую ассоциированы с онкозаболеваниями, учёные предложили проводить в два этапа: скрининг и секвенирование. В качестве скринингового метода, позволяющего отсеять пробы с минимальной вероятностью искомых мутаций, используется гетеродуплексный анализ с последующим электрофорезом в полиакриламидном геле.

Для анализа порога определения доли мутантного аллеля при каждой мутации используются смеси заклонированных образцов ДНК контрольных образцов дикого типа и содержащих мутацию.

После проведения скринингового этапа, который занимает менее суток, можно однозначно судить о наличии мутации в исследуемом участке гена и соответственно о наличии онкозаболевания.

На втором этапе, на который попадают лишь образцы ДНК с выявленными в ходе скрининга мутациями, подтверждается наличие мутации и проводится её идентификация методом секвенирования по Сенгеру.
Возможность отсеять пациентов с отсутствием анализируемых мутаций уже на этапе скрининга и не производить последующее дорогостоящее секвенирование значительно удешевляет стоимость молекулярно-генетической диагностики.

Предложенный учёными СФУ алгоритм выявления и идентификации сложных соматических мутаций уже многократно апробирован, его результаты используются врачами-гематологами для дифференциальной диагностики пациентов с диагнозом ХМН.

Вы можете отметить интересные фрагменты текста, которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.