V. Sekce adaptivních a inovačních technik

Motto:

"Naším cílem je vývoj inovativních biotechnologických řešení založených na využití mikrořas, jako efektivních buněčných továren, která bude možné přirozenou cestou začlenit do každodenních aktivit moderní společnosti a která přispějí k udržitelnému rozvoji a prosperitě lidstva bez ohrožení zdrojů naší planety."

Sekce adaptivních a inovačních technik se zabývá vývojem metod a technologií pro kultivaci a výzkum fotosyntetických mikroorganismů. V rámci výzkumu prováděného v této sekci se zabýváme detailní charakterizací zkoumaných biologických systémů v širokém spektru podmínek, zahrnujících podmínky přirozené, prediktivní scénáře a podmínky simulující průmyslová prostředí. Činnost této sekce je zaměřena jak na získávání hlubších vědeckých poznatků, tak na jejich převedení z roviny základního výzkumu do praktických aplikací.

Během posledních let byla v rámci aktivit této sekce vytvořena infrastruktura podporující výzkum a využití potenciálu fotosyntetických mikroorganismů, tj. zejména řas a sinic, v biotechnologických aplikacích. Vedle schopností těchto organismů zachycovat oxid uhličitý ze vzduchu nebo z průmyslových spalin může být jejich biologická aktivita základem pro výrobu biopaliv nové generace a pro produkci cenných biologických látek jako jsou např. karotenoidy, nenasycené mastné kyseliny či bílkoviny.

Tato sekce se podílí na řešení následujících projektů:

  • Strategické partnerství pro environmentální technologie a produkci energie; projekt OP VVV „SPETEP"; EU - Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
  • Epigenetický mechanismus v pozadí vývoje jaterního karcinomu; Agentura pro zdravotnický výzkum České republiky
  • Analýza reakčních sítí s omezujícími podmínkami jako nástroj pro experimentální validaci modelů biochemických a fotobiologických reaktorů;  Grantová agentra České republiky
  • Výzkum dynamiky složitých reakčních sítí v enzymových reaktorech a fotobioreaktorech; Grantová agentra České republiky
  • Poskytování expertních znalostí a služeb v systémové biologii; projekt OP VaVaI „C4Sys - Centrum pro systémovou biologii“; Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
  • Inovace pro zmírnění dopadů globální změny klimatu; projekt OP VaVpI „CzechGlobe 2020 – Rozvoj Centra pro studium dopadů globální změny klimatu“; Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

Vedoucí
Ing. Jan Červený, Ph.D.
cerveny.j@czechglobe.cz

Vědecká tajemnice
Petra Literáková

Adresa:
Drásov 470, 66424 Drásov

Zahrnuje:
Oddělení adaptivních biotechnologií
Experimentální velkoobjemový fotobioreaktor

Oddělení adaptivních biotechnologií


Červený Jan, Ing., Ph.D. - vedoucí

Vědečtí pracovníci :
Búzová Diana, RNDr., Ph.D.
Masuda-Enoki Takako, M.Sc., Ph.D.
Roitsch Thomas, prof., Dr.
Zavřel Tomáš, Mgr., Ph.D.

Doktorandi :
Chmelík Dominik, Mgr.
Fedorko Jan, Mgr.
Literáková Petra, Mgr.
Segečová Anna, Mgr.
Troják Matej, Mgr.
Zlámal Tomáš, Mgr.

Ostatní :
Jedličková Iveta
Svobodová Kateřina, Ing., Ph.D.

 

Motto:

"Naším cílem je vývoj inovativních biotechnologických řešení založených na využití mikrořas, jako efektivních buněčných továren, která bude možné přirozenou cestou začlenit do každodenních aktivit moderní společnosti a která přispějí k udržitelnému rozvoji a prosperitě lidstva bez ohrožení zdrojů naší planety."

V Oddělení adaptivních biotechnologií se zabýváme aplikací pokročilých experimentálních metod a systémově biologických přístupů k výzkumu fotosyntetických mikroorganismů a jejich interakce s prostředím. Cílem činnosti oddělení je nacházení mikroorganismů, které jsou vybaveny metabolickými drahami vedoucími k tvorbě či dokonce vylučování energeticky bohatých, cenných biologických sloučenin a látek, které jsou ideálně geneticky transformovatelné. Toto vyžaduje vhodnou volbu a provoz kultivační technologie, která dovoluje dlouhodobě udržitelnou kultivaci. Vyvíjíme platformy a metody pro charakterizaci a optimalizaci fotosyntetických mikroorganismů v simulovaném (vodním) prostředí fotobioreaktorů, které nám dává možnost zkoumat vybrané mikroorganismy s ohledem na jejich potenciál pro biotechnologické využití. Zaměřujeme se zejména na výzkum jejich schopností primární produkce a sekvestrace uhlíku, výzkum jejich stresových a adaptačních mechanismů a dalších fyziologických a biochemických vlastností. Zásadní součástí platformy je fluorescenčně aktivované třídění buněk, které rozšiřuje možnosti platformy směrem ke genetickému vývoji (resp. šlechtění) různých mikroorganismů. Metody a protokoly pro fluorescenční značení specifické pro fotosyntetické mikroorganismy citlivé na světlo jsou navrhovány s ohledem na omezení značení (tvorba extracelulárních polysacharidů, prostupnost membrán/buněčných stěn, apod.). Tyto metody a protokoly umožňují běžné analýzy jakými jsou kvantifikace buněčných morfologických vlastností, kvantifikace fyziologických parametrů jako životaschopnost buněk a topologie DNA a určování tvorby lipidových kapének. Veškerá data získaná za použití těchto metod obsahují informaci na úrovni jednotlivé buňky ze statisticky významného vzorku tisíců buněk na vzorek.

Abychom rozšířili své poznání dynamického chování složitých biologických systémů (v tomto případě představovaných fotosyntetickými mikroorganismy), vyvíjíme webovou platformu pro modelování fotosyntetických procesů (www.e-photosynthesis.orgwww.e-cyanobacterium.org) ve spolupráci s Laboratoří systémové biologie Masarykovy univerzity v Brně pod vedením Dr. Davida Šafránka. Tato platforma nabízí snadnou a intuitivní navigaci strukturou fotosyntetických systémů, ukládání a prezentaci laboratorních experimentů a jednotné znázornění příbuzných biologických sítí. Platforma slouží jako nástroj zaměřený jak na vzdělávání tak na výzkum.

Jako součást výše zmíněných výzkumných činností jsme vytvořili sbírku charakterizovaných fotosyntetických mikroorganismů pro biotechnologické použití, vhodných pro základní i aplikovaný výzkum.

Hlavní činnost oddělení:

  • Poskytování zvláštních služeb v rámci aktivit projektu Centra pro systémovou biologii (C4Sys)
  • Budování a provoz sbírky biotechnologicky zajímavých mikroorganismů
  • Vývoj metod pro charakterizaci a efektivní optimalizaci produkčních a adaptivních vlastností
  • Vývoj a návrhy technologických řešení pro udržitelné mikrořasové biotechnologie
  • Vývoj referenční experimentální platformy pro validační experimenty
  • Vývoj výpočetní platformy pro prediktivní experimenty (in silico)
  • Vysokokapacitní fluorescenční mikroskopická analýza fotosyntetických kultur na jednobuněčné úrovni
  • Vývoj metod pro detailní fyziologickou charakterizaci mikroorganismů v sérii laboratorních bioreaktorů s přesně řízeným prostředím
  • Optimalizace produkčních podmínek odrážejících omezení reálné (velkokapacitní/industriální) kultivace
  • Třídění směsných populací/selekce podpopulací s vybranými vlastnostmi
  • Vyvíjení metod pro aplikaci řízeného selekčního (evolučního) tlaku na různé druhy mikroorganismů se zaměřením na zvýšení jejich adaptivity na nepřirozená průmyslová prostředí a zlepšení jejich produkční kapacity

Vyvíjené aplikace:

Sledujte nás na Twitter

Vybrané publikace:

  • Advancement of the cultivation and upscaling of photoautotrophic suspension cultures using Chenopodium rubrum as a case study
    Segečová A, Červený J, Roitsch T
    2018. Plant Cell Tiss Organ Cult accepted
  • Effect of carbon limitation on photosynthetic electron transport in Nannochloropsis oculata
    Zavřel T, Szabó M, Tamburic B, Evenhuis C, Kuzhiumparambil U, Literáková P, Červený J, Ralph PJ
    2018. J Photochem Photobiol B 181: 31–43
  • Phenotypic characterization of Synechocystis sp . PCC 6803 substrains reveals differences in sensitivity to abiotic stress
    Zavřel T, Očenášová P, Červený J
    2017. PLoS One 12(12): 1-21
  • E-Cyanobacterium.org: A Web-Based Platform for Systems Biology of Cyanobacteria
    Troják M, Šafránek D, Hrabec J, Šalagovič J, Romanovská F, Červený J
    2016. In: Computational Methods in Systems Biology, Springer, pp 316–322
  • A quantitative evaluation of ethylene production in the recombinant cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 harboring the ethylene-forming enzyme by membrane inlet mass spectrometry
    Zavřel T, Knoop H, Steuer R, Jones PR, Červený J, Trtílek M
    2016. Bioresour Technol 202: 142–151
  • Mechanisms of high temperature resistance of Synechocystis sp. PCC 6803: an impact of histidine kinase 34
    Červený J, Sinetova MA, Zavřel T, Los DA
    2015. Life 5(1): 676–699
  • Characterization of a model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 autotrophic growth in a flat-panel photobioreactor
    Zavřel T, Sinetová MA, Búzová D, Literáková P, Červený J
    2015. Eng Life Sci 15: 122 – 132
  • Biochemical Space: A Framework for Systemic Annotation of Biological Models
    Klement M, Děd T, Šafránek D, Červený J, Müller S, Steuer R
    2014. Electron Notes Theor Comput Sci 306: 31–44
  • Ultradian metabolic rhythm in the diazotrophic cyanobacterium Cyanothece sp. ATCC 51142
    Červený J, Sinetova MA, Valledor L, Sherman LA, Nedbal L
    2013. Proc Natl Acad Sci USA 110: 13210–13215

Experimentální velkoobjemový fotobioreaktor


Sukačová Kateřina, RNDr. - vedoucí

Vědečtí pracovníci :
Vícha Daniel, Ing.

Ostatní :
Muselíková Kateřina, Bc.

 

Produkce látek znečišťujících atmosféru v důsledku průmyslové výroby, narůstající koncentrace skleníkových plynů, eutrofizace povrchových vod, to jsou faktory, které mohou v budoucnu negativně ovlivnit přístup lidské populace k životně nezbytným zdrojům. Proto je nutné hledat jak možnosti snížení vzniku znečištění, tak využití těchto znečišťujících látek jako surovin pro produkci jiných hodnotných látek. Činnost našeho oddělení je zaměřena na výzkum možného využití fotosyntetických mikroorganismů především sinic a řas pro produkci cenných látek za současného využití odpadních zdrojů např. spalin s vysokým obsahem oxidu uhličitého nebo různých typů odpadních vod. Práce našeho oddělení úzce navazuje na činnost oddělení Adaptivních biotechnologií a je zaměřena na převedení poznatků získaných během základního výzkumu fotosyntetických mikroorganismů do roviny praktických aplikací.

Hlavní činnost oddělení:

  • Biotechnologicky významné kmeny sinic a řas, jejichž produkční potenciál byl charakterizován v přesných laboratorních podmínkách, jsou následně kultivovány v podmínkách experimentálního velkoobjemového bioreaktoru simulujícího průmyslové prostředí a je hodnocen jejich produkční potenciál z hlediska průmyslového využití.
  • Vývoj a budování experimentálního velkoobjemového bioreaktoru zahrnujícího tři typy modulů pro simulaci různých produkčních podmínek.
  • Výzkum potenciálu sinic a řas z hlediska jejich možného využití v oblasti bioremediací odpadních vod za současné produkce cenných biologických látek.
  • Charakterizace a optimalizace kultivačních podmínek fotosyntetických mikroorganismů
  • Optimalizace provozu velkoobjemových fotobioreaktorů
  • Bioremediace živin z odpadních vod
  • Produkce biologicky cenných látek
  • Sekvestrace oxidu uhličitého
  • Využití řasových biofilmů pro dočišťování odpadních vod

Vybrané publikace:

  • Phosphorus removal using a microalgal biofilm in a new biofilm photobioreactor for tertiary wastewater treatment
    Sukačová K, Trtílek M, Rataj T
    2015. Water Res 71: 55–63