Лаборатория биохимической физики и инженерии метаболизма растений

Вернуться назад

Заведующий лабораторией:к.б.н. Мартиросян Юрий Цатурович

Телефон отдела:+7 (906) 703-57-41

Почта:yumart@yandex.ru

Комната:13 (5 корп.)

Лаборатория биохимической физики и инженерии метаболизма растений была организована в 2014 г. по инициативе С. Д. Варфоломеева с целью развития нового научного направления Института в области биотехнологии растений. Заведующий лабораторией, кандидат биологических наук Юрий Цатурович Мартиросян - специалист в области биотехнологии растений, ведущий специалист по аэропонной, фитотронной технологии выращивания продовольственных культур. Им впервые в мире была разработана аэропонная технология выращивания картофеля. Еще в 2006 году комплекс аэропонных  установок привлек внимание мировой научной общественности, и благодаря разработкам Ю.Ц. Мартиросяна, в Международном Центре картофелеводства в Перу была создана установка, продукция которой демонстрируется в Интернете как мировое достижение в области производства семенного картофеля. В ИБХФ РАН работа лаборатории значительно расширена как по объему исследуемых проблем, так и по масштабу достигнутых результатов. В лаборатории усовершенствованы  аэропонно-фитотронные технологии, которые позволяют круглогодично, непрерывно выращивать растения и получать целевые продукты.

В состав лаборатории входит также доктор химических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, специалист в химии высокомолекулярных соединений Владимир Михайлович Гольдберг. В 2010-2015 г.г. при участии В.М. Гольдберга была выполнена работа по изучению кинетики и механизма твердофазной поликонденсации природных аминокислот. Важное значение для понимания динамики биологических процессов при фитотронном культивировании растений  в аэропонном варианте имеет работа В.М. Гольдберга по созданию математических моделей роста некоторых продовольственных и технических культур. С 2015 года в лаборатории работает Александр Юрьевич Америк, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, специалист в области молекулярный биологии и генной инженерии микроорганизмов, который в настоящее время участвует в создании трансгенных растений, синтезирующих натуральный каучук.  Цель этих исследований - получение суперпродуцента одного из наиболее важныx̆ веществ растительного происхождения. В лаборатории работают также Дмитрий Анатольевич Рязанцев, инженер-исследователь, имеющий большой опыт в области конструирования научных приборов и установок, и молодой научный сотрудник Мартиросян Левон Юрьевич, окончивший РГАУ МСХА им. К.А. Тимирязева, факультет агрономии и биотехнологии.

Основные задачи лаборатории: изучение механизмов управления вторичным метаболизмом растений, получение рекомбинантных белков и других целевых продуктов метаболизма растений. Разработанный нами инновационный метод позволяет выращивать различные типы растений (сельскохозяйственные и технические культуры, а также лекарственные и декоративные) в закрытых помещениях без естественного солнечного света, под искусственным освещением. Технология сочетает в себе фундаментальные и прикладные разработки, позволяющие использовать растение как биофабрику, которая позволяет существенно увеличить скорость роста и развития растений, качество и количество получаемой продукции за счет оптимального использования производственных площадей, энерго- и других необходимых ресурсов. Основные преимущества, по которым аэропонно-фитотронный способ выращивания целевых растений рассматривается как альтернативный путь получения природных соединений являются круглогодичное выращивание; свободный доступ к корневой системе растений; возможность планирования производства, для выпуска необходимых продуктов в заданные сроки и в нужных количествах; высокий выход и качество продукции.

Сотрудники лаборатории биохимической физики и инженерии метаболизма растений (слева направо): в.н.с., д.х.н., профессор Владимир Михайлович Гольдберг, м.н.с. Левон Юрьевич Мартиросян, инженер-исследователь Дмитрий Анатольевич Рязанцев, зав. лаб. к.б.н. Юрий Цатурович Мартиросян, инженер-исследователь Дмитрий Анатольевич Рязанцев.

В сочетании аэропонно-фитотронной технологии и генноинженерных методов нами создана технология получения биополимеров (каучук, инулин) из растений-каучуконосов. В 2016 году был заключен договор с компанией «Татнефть» по исследованию возможности производства натурального каучука выращиванием каучуконоса кок-сагыза в аэропонных фитотронах. Натуральный каучук - необходимый ингредиент резиновых покрышек, автомобильных и авиационных,  он значительно улучшает потребительские качества шин. Однако его производство связано с выращиванием и эксплуатацией тропического растения - гевеи. Ранее гевею выращивали в Бразилии, и эта страна была монополистом в производстве натурального каучука. В настоящее время гевея в Бразилии полностью выродилась, и натуральный каучук в настоящее время производится только в странах юго-восточной Азии: Малайзии, Индонезии и Вьетнаме. В настоящее время существует проблема производства натурального каучука. Некоторое время она решалась с помощью каучуконоса кок-сагыза, растущего в Казахстане. Однако в природных условиях кок-сагыз растет очень медленно, для достижения значительной концентрации каучука в его корнях требуется 2 года. Посадки кок-сагыза требуют значительных площадей и специального климата.

Лаборатория биохимической физики метаболизма и генной инженерии растений исследует возможность резкой интенсификации роста кок-сагыза фитотронным методом в  аэропонном варианте, с целью, впоследствии, организации производства натурального каучука в промышленном масштабе. Для этого необходимо решить значительное количество фундаментальных научных проблем, связанных с физиологией кок-сагыза, иммунитетом к грибковым и бактериальным заболеваниям, реакцией на спектральный состав и интенсивность света и продолжительность освещения на разных стадиях вегетативного цикла, состав питательного раствора, окружающую газовую атмосферу. Эта работа успешно проводится с 2016 года, и уже привела к важному выводу о необходимости комплексного использования веществ, содержащихся  как в корнях кок-сагыза, так и в верхней части этого растения, стеблях и листве. Так, в корнях в очень значительных количествах присутствует и может быть легко отделен инулин - высокомолекулярный углевод, производство которого отсутствует в России, но который необходим для питания больных диабетом. Таким образом, это очень актуальное и перспективное направление работы лаборатории, имеющее важное значение и для промышленности, и для медицины.

В последние годы выполнены очень важные усовершенствования в конструкции фитотрона в аэропонной модификации как научно-исследовательского прибора, поставлен датчик концентрации углекислого газа, сделаны приспособления для автоматической записи веса растения, произвольно, по желанию исследователя, может изменяться спектр излучения - от солнечного до монохроматического в любой области спектра. Речь идет о том, чтобы превратить аэропонику в альтернативу традиционному сельскому хозяйству, по крайней мере, в производстве некоторых продовольственных, лекарственных и технических культур.

Другим направлением деятельности лаборатории является научно-прикладная работа, связанная с продовольственной безопасностью Российской армии. В рамках этой работы Научно-техническим центром Рязанского завода "Красное знамя" по чертежам и при участии лаборатории был создан мобильный аэропонный фитотрон на базе 40-футового морского контейнера-рефрижератора.

Мобильный аэропонно-фитотронный комплекс предназначен для выращивания растений в зонах с экстремальным климатом  (Арктика, пустыни).

Этот мобильный аэропонно-фитотронный комплекс предназначен для выращивания растений в зонах с экстремальным климатом - Арктика, пустыни. Объем выращиваемой продукции - до 300 кг в месяц. Комплекс был представлен на выставке «Армия – 2018», проходивший в г. Кубинка Московской области в августе 2018 г. В 2019-2020 г.г. планируется введение в эксплуатацию первой очереди (270 м2) биотехнологического комплекса на острове Александры, на архипелаге Франца-Иосифа, где находится российская военная арктическая база.

Обсуждение результатов в лаборатории (слева направо): м.н.с. Левон Юрьевич Мартиросян, в.н.с., д.х.н., профессор Владимир Михайлович Гольдберг, инженер-исследователь Дмитрий Анатольевич Рязанцев, зав. лаб. Юрий Цатурович Мартиросян.

Успехи в области аэропонных технологийи генетической инженерии биологических объектов открыли новые возможности в использовании растений в качестве биофабрик для получения целевых белков, в том числе  фармацевтического применения,  таких как антитела, гормоны и ферменты. Потребность в препаратах растительного происхождения ежегодно стабильно возрастает, несмотря на успехи  синтетической химии в производстве биологически активных лекарственных средств. Растительное происхождение имеют около 25% от используемых препаратов, причем наибольшим спросом пользуются экстракты, получаемые  из корней лекарственных растений. Учитывая возрастающие потребности пищевой, косметической, сельскохозяйственной и химической промышленности, очевидна необходимость замены растительного дикорастущего сырья, добываемого традиционным способом, на гарантированно получаемую биомассу культивируемых растений, содержащую определенные соединения в достаточном количестве. В связи с этим возрастает потребность в разработке реально действующих биотехнологических приемов производства растительного материала, содержащего целевой продукт, в строго контролируемых и экологически чистых условиях. К таким приемам можно отнести культивирование интактных или генетически модифицированных  растений в контролируемых условиях фитотрона методом  аэропоники.

Растительная биофабрика (фитотронный комплекс) для получения и изучения широкого спектра биологически  активных соединений в условиях аэропоники.

Заведующий лабораторией Ю.Ц. Мартиросян с молодыми сотрудниками лаборатории.

Содержание целевых продуктов в растениях при культивировании в фитотронных условиях аэропоники  можно увеличить многократно, путем регуляции экспрессии соответствующих генов. Биохимический состав растения, качество и количество действующих веществ подвержены значительным колебаниям и зависят от многих причин. Одно и то же растение может содержать разные биологически активные соединения в различных климатических и географических зонах. Разработанные нами фитотронные комплексы с применением  аэропонных установок и соответствующих технологий, позволяют нивелировать эти факторы. Биохимический состав растения, качество и количество действующих веществ подвержены значительным колебаниям и зависят от многих причин. Одно и то же растение может содержать разные биологически активные соединения в различных климатических и географических зонах. В лаборатории планируется также выращивание лекарственных растений, в том числе, обладающих противоопухолевыми свойствами. Один из вероятных кандидатов - одуванчик лекарственный, корень которого содержит значительные количества биологически активных веществ с целебными свойствами. Рост этого растения в условиях аэропонной установки уже изучен в лаборатории, создавшей в этом направлении серьезный научный задел.

В лаборатории проводятся исследования по созданию оптимальных условий для агробактериальной трансформации растений в условиях фитотрона. В настоящее время ведется работа по разработке протокола для получения высокоэффективной транзиентной экспрессии на  растениях Хрен обыкнове́нный ( Armorácia rusticána)  с модельным GUS-геном. Получена уникальная система для экспрессии рекомбинантных белков в растительных клетках, созданная на основе вируса табачной мозаики (THE TMV-BASED VIRAL PRO-VECTOR SYSTEM). Эта высокоэффективная система основана на сборке функциональных вирусных векторов  внутри (in planta) растительной клетки из про-векторных модулей. Различные ДНК модули доставляются в клетку агробактериями и собираются там в необходимые конструкции при помощи сайт-специфических рекомбиназ.  Этот процесс очень быстрый (для экспресии требуется 3-4 дня) и приводит к очень высокому выходу целевого продукта (до 80% от суммарного растворимого белка. Таким образом, с применением разработанных нами принципиально новых биотехнологических  подходов, возможно ускоренное получение биологически активных препаратов растительного происхождения.

Важнейшие достижения лаборатории за последние годы:

  • разработаны аэропонное технологии – растительная биофабрика  для получения и изучения широкого спектра  биологически  активных соединений;
  • разработаны, изготовлены компактные фитотронные установки для выращивания растений картофеля в контролируемых условиях, способом бессубстратной аэропоники;
  • проведены опыты по изучению метаболизма и  транспорта углеводов на примере глюкозы в растениях картофеля, культивируемых  в условиях фитотрона;
  • осуществлена трансформация почвенной бактерии  A.tumefaciens плазмидными ДНК;
  • сконструирована плазмида для экспрессии бутирилхолинэстеразы (BCHE) в растениях. BCHE является профилактическим противоядием против фосфорoрганических нервных ядов. Предварительные эксперименты показали присутствие ферментативной активности в экстрактах, приготовленных из листьев хрена обыкновенного.

Сотрудники лаборатории

Мартиросян Юрий Цатурович
Мартиросян Юрий Цатурович
к.б.н.
Телефон:
+7 (906) 703-57-41
E-mail
yumart@yandex.ru