Опыт работы ЦКП «Геномные технологии и клеточная биология

В.Е. Цыганов, Е.Е. Андронов, И.А. Тихонович
Опыт работы ЦКП «Геномные технологии и клеточная биология»:
рутинные анализы и передовые идеи
Государственное
научное
учреждение
Всероссийский
научноисследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии
Российской академии сельскохозяйственных наук
шоссе Подбельского д. 3, Пушкин 8, 196608, Санкт-Петербург
[email protected]
Центр коллективного пользования научным оборудованием
«Геномные технологии и клеточная биология» отделения земледелия
Российской академии сельскохозяйственных наук организован в 2007 г.
на базе ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии — ведущего
российского учреждения в области биологии растительно-микробных
взаимодействий и почвенной микробиологии. ЦКП возглавляет академик
Россельхозакадемии, профессор кафедры генетики и селекции СПбГУ,
директор ГНУ ВНИИСХМ Игорь Анатольевич Тихонович. Коллектив
ЦКП
обладает
высочайшей
квалификацией
в
области
сельскохозяйственной микробиологии, имеет известную во всем мире
научную школу, многолетний опыт успешного выполнения прикладных и
фундаментальных исследовательских работ. В ЦКП сконцентрирована
самая современная материально-техническая база. Общая балансовая
стоимость оборудования ЦКП составляет 150 миллионов рублей.
ЦКП располагает уникальным оборудованием, позволяющим
проводить
круглогодичное
выращивание
растений
в
строго
контролируемых и стерильных условиях, выполнять молекулярногенетические исследования (в том числе автоматизированное, до 1600
образцов в сутки, проведение молекулярно-биологических реакций,
одновременное секвенирование 100 000 образцов ДНК), исследования в
области лазерной сканирующей микроскопии, в том числе
мультифотонной, и световой микроскопии высокого разрешения, лазерной
микродиссекции. Оборудование ЦКП было закуплено как за счет средств
Российской академии сельскохозяйственных наук, так и за счет средств
Министерства образования и науки РФ (государственные контракты
16.552.11.7047, 16.552.11.7085). ЦКП располагает необходимым научнометодическим оснащением. Высокий уровень выполняемых работ
гарантируется высоким рейтингом отечественных и международных
рецензируемых научных журналов, где публикуются научные статьи по
результатам исследований, выполненных в ЦКП.
Деятельность
ЦКП
регламентируется
серией
документов,
приведенных на интернет-сайте ЦКП http://www.arriam.spb.ru/rus/ckp.html.
Оперативное управление деятельностью ЦКП осуществляет его директор,
в ЦКП образован Совет ЦКП, в сфере внимания которого находится
научно-методическое оснащение ЦКП, характер и ход выполняемых на
оборудовании ЦКП научных работ. В ЦКП в настоящее время
функционируют два отделения: «Геномных технологий», возглавляемое
к.б.н. Евгением Евгеньевичем Андроновым зав. лабораторией
микробиологического мониторинга и биоремедиации почв и «Клеточной
биологии», возглавляемое к.б.н. зав. лабораторией молекулярной и
клеточной биологии Виктором Евгеньевичем Цыгановым.
Сотрудники центра обладают высочайшей квалификацией в области
исследований, проводимых в ЦКП. Сотрудники центра неоднократно
стажировались в ведущих научных центрах за рубежом, постоянно
посещают курсы повышения квалификации и семинары ведущих фирмпроизводителей научного оборудования (Carl Zeiss, Shimadzu, Bio-Rad,
Roche и многие другие). Ряд сотрудников ЦКП являются
сертифицированными специалистами системы конфокального лазерного
сканирующего микроскопа LSM 510 META NLO (Carl Zeiss), а также
обладателями международного сертификата специальных курсов фирмы
«Carl Zeiss» по лазерной микродиссекции.
За 2011-2012 гг. ЦКП:
- выполнил ряд исследований по заказу различных организаций:
Санкт-Петербургского государственного университета, ГНУ ВНИИ
растениеводства им. Н.И. Вавилова Россельхозакадемии, ГНУ
Почвенного института имени В.В. Докучаева Россельхозакадемии,
ГНУ ВНИИ защиты растений Россельхозакадемии, Ботанического
института им. В.Л. Комарова РАН, ФГБУН Института Аридных зон
Южного научного центра РАН, ФГБУ «Федерального центра сердца,
крови и эндокринологии им. В.А. Алмазова», ГБОУ ВПО «СанктПетербургского государственного медицинского университета
имени академика И.П. Павлова», ФГКУ «Войсковая часть 68240»,
ООО
«БИСОЛБИ-ИНТЕР»,
ООО
«Экосфера»,
ООО
«Реставрационные мастерские», РГКП «Западно-Казахстанского
аграрно-технического университет аимени Жангир хана» и многим
другим заинтересованным организациям.
- защищены 4 кандидатские диссертации, 7 магистерских диссертаций
и 3 выпускных квалификационных работы бакалавров;
- опубликованы 25 статей в реферируемых отечественных (Генетика,
Физиология растений, Экологическая генетика, и др.) и зарубежных
журналах (Plant Cell, Plant Physiology, Protoplasma и др.);
- подготовлено 3 научно-методических указаний: «Научнометодические рекомендации по выделению высокоочищенных
препаратов ДНК из объектов окружающей среды», «Молекулярногенетическая
идентификация
почвенных
сообществ
микроорганизмов и новые статистические подходы к интерпретации
данных», «Визуализация симбиотических растительно-микробных
структур с использованием лазерной сканирующей конфокальной
микроскопии»
- подготовлено 2 «ноу-хау»: «Алгоритмы представления и анализа
данных микробного разнообразия в эволюционном пространстве»,
«Алгоритмы предсказания функций генов бобовых растений,
кодирующих рецепторы симбиотического сигнала»
- подготовлен бизнес-проект широкого метагеномного скрининга всех
типов и разновидностей сельскохозяйственных почв России
Основные направления исследований, проводимых в рамках
ЦКП
Основной интерес деятельности ЦКП лежит в области исследования
разнообразия почвенной микробиоты. До самого последнего времени
исследования почвенной микробиоты во всей полноте были недоступны,
так как 95-99% микроорганизмов почвы относятся к некультивиоуемым и
не могут быть проанализированы с использованием традиционных
методик,
связанных
с
посевом
культур
на
питательные
Секвенирование 2-3 тыс нуклеотидных
последовательностей гена 16S рРНК
позволяет проводить точный анализ
таксономической структуры почвенной
микробиоты
среды. Современная техника высокопроизводительного секвенирования
обеспечила доступ к анализу почвенной микробиоты. Выделение из
объектов окружающей среды общей ДНК и ее анализ с использованием
ПЦР с детекцией в реальном времени и высокопроизводительным
секвенированием библиотек гена 16S рРНК позволяет быстро и
эффективно решить проблему анализа. Один запуск прибора GS Junior
(Roche) допускает одновременное секвенирование 20 образцов почвы с
выходом не менее 2-3 тыс. нуклеотидных последовательностей на образец,
что вполне достаточно для расшифровки таксономической структуры даже
весьма сложных микробных сообществ. Более того, стоимость такого
анализа на сегодняшний день составляет 5 000 руб. за образец и доступна
для всех заинтересованных организаций. В настоящее время разработаны
методики количественного и таксономического анализа всех основных
компонентов микробиоты – бактерий, архей и грибов.
Однако деятельность ЦКП не ограничивается выполнением работ,
целью которых является анализ структуры микробных сообществ. Одним
из фундаментальных направлений является изучение эволюционных
процессов и разработка принципиально новых статистических подходов
для анализа природных микробиомов. Такими работами являются работы
по созданию нового «операционного поля» для молекулярной экологии
микроорганизмов – эволюционного пространства гена 16S рРНК и работы,
объединяющие такие современные направления как метагеномика,
молекулярная
эволюция
сопряженных
симбиотических
систем,
молекулярное моделирование и докинг.
Молекулярное моделирование взаимодействия ризобиального Nod-фактора с двумя
эволюционными вариантами симбиотического рецептора бобового партнера
Перспективы развития данного направления имеют очевидную
фундаментальную и практическую направленность: раскрытие основных
механизмов эволюции живых систем и создание принципиально новых
подходов в таких областях как экологический мониторинг, фитопатология,
оптимизация землепользования, криминалистика, реставрация. Данный
список соответствует практическим работам уже осуществленным в
рамках ЦКП, а перспективы использования данных подходов, несомненно,
гораздо шире.
Другим важным направлением исследований ЦКП является изучение
молекулярно-генетических
и
клеточных
механизмов
развития
симбиотических клубеньков бобовых растений, в том числи в стрессовых
условиях (загрязнение тяжелыми металлами).
Рост инфекционной нити, заполненной клубеньковыми бактериями,
а клетки азотфиксирующего клубенька гороха
Материально-техническая база ЦКП (основные приборы):
- Конфокальный микроскоп с полным комплектом
программного обеспечения LSM 510 META NLO,
Carl Zeiss, Германия, 2006 г.
- Система лазерной микродиссекции PALM
MicroBeam 4.2, Carl Zeiss, Германия, 2009 г.
- Полностью автоматизированная и интегрированная
платформа для проведения молекулярно-биологических реакций в
нанолитровых объемах Parallab® 350Parallabs Inc., США, 2009 г.
- Геномный секвенатор GS Junior, Roche, Швейцария,
2010 г.
- Система анализа белок-белковых
взаимодействий Proteon XPR36,
Bio-Rad, США, 2012 г.
- Система электрофореза на микрочипах для
исследования
нуклеиновых
кислот
MultiNAShimadzu, Япония, 2010 г.
- Термоциклер для амплификации нуклеиновых кислот c модулем
реакционным оптическим С1000 CFX96, BioRad, США
2012 г.
- Автоматическая станция для выделения
ДНК, РНК и белков BRAVO, Agilent, США
2011 г.
- Генетический анализатор (24 капиляра) ABI 3500xl Applied
Biosystems/Life Technologies, США 2011 г.
- Стереомикроскоп "Lumar V-12 Carl Zeiss, Германия, 2011 г.
- Система визуализации VersaDoc MP 5000 System, BioRad, США, 2011 г.
- Система для проведения пульс-электрофореза CHEF Mapper XA System,
BioRad, США, 2011 г.
- Термоциклер для амплификации нуклеиновых кислот c модулем
реакционным оптическим С1000 CFX96, BioRad, США,
2012 г.