Ing. Jan Červený, Ph.D. – vedoucí
Vědečtí pracovníci:
RNDr. Diana Búzová, Ph.D.
Mgr. Lucie Kajan Grodecká, Ph.D.
Mgr. Petra Literáková
prof. Dr. Thomas Roitsch
Mgr. et Mgr. Anna Segečová, Ph.D.
Dr. Sopan Wagh
Mgr. Tomáš Zavřel, Ph. D.
Doktorandi:
Mgr. Roman Sándor
Ing. Jan Tinka
Mgr. Tomáš Zlámal
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 biologického přístupu k výzkumu fotosyntetických mikroorganismů a jejich interakce s prostředím. Cílem činnosti oddělení je hledání mikroorganismů (ideálně geneticky transformovatelných), které jsou vybaveny metabolickými drahami vedoucími k tvorbě či dokonce vylučování energeticky bohatých látek či látek s atraktivní bioaktivitou. Zaměřujeme se zejména na výzkum stresových a adaptačních mechanismů a dalších fyziologických a biochemických vlastností u takto identifikovaných mikroorganismů v podmínkách simulujících širokou škálu přírodních i průmyslových prostředí. Pro detailní popis těchto mechanismů a vlastností a optimalizaci produkce cenných látek byl vyvinut inteligentní systém pro evoluční optimalizaci biologických systémů, který umožňuje charakterizaci, fenotypizaci, genetický vývoj (resp. šlechtění) a optimalizaci fotosyntetických mikroorganismů v simulovaném (vodním) prostředí fotobioreaktorů a výzkum mikroorganismů s ohledem na jejich potenciál pro biotechnologické využití. Spojením systému s metodami umělé inteligence je zajištěna pokročilá automatizace vyvíjených biotechnologických postupů, které jsou dále testovány v poloprovozním měřítku ve standardizovaných i prototypových bioreaktorech.
Abychom rozšířili stav poznání dynamického chování složitých biologických systémů (v tomto případě představovaných fotosyntetickými organismy), vyvíjíme webovou platformu pro modelování fotosyntetických procesů (www.e-photosynthesis.org a www.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 a dále rozšiřujeme sbírku detailně charakterizovaných fotosyntetických mikroorganismů pro biotechnologické použití, vhodných pro základní i aplikovaný výzkum.
Klíčová slova:
bioprodukce, bioprospekce, biotechnologie, buněčné kultury rostlin, evoluční algoritmy, fenotypizace, fluorescence, fotobioreaktory, fotosyntetické mikroorganismy, obrazová analýza, optimalizace, řasy, sinice, systémová biologie, šlechtění, toxikologie, třídění buněk, umělá inteligence, vysokokapacitní analýza
Hlavní činnost oddělení:
- Identifikace kmenů vhodných pro produkci vybraných cenných látek
- Aplikace pokročilých experimentálních metod a systémově biologického přístupu k výzkumu interakcí fotosyntetických mikroorganismů s prostředím
- Aplikace metod řízení a umělé inteligence pro chytrou optimalizaci a pokročilou automatizaci vyvíjených biotechnologických postupů
- Detailní charakterizace zkoumaných biologických systémů v širokém spektru podmínek, zahrnujícím přirozené podmínky, prediktivní scénáře v souvislosti s měnícím se klimatem i podmínky simulující průmyslová prostředí
- Studium mechanismů adaptace na příznivé i extrémní kultivační podmínky
- Optimalizace produkčních podmínek v závislosti na omezeních reálných průmyslových prostředí
- Aplikace řízeného selekčního/evolučního tlaku (šlechtění) na vybrané druhy fotosyntetických mikroorganismů za účelem zvýšení produkční kapacity a adaptivity na měnící se prostředí
- Třídění populací směsných kultur a selekce podpopulací s vybranými vlastnostmi
- Vysokokapacitní fluorescenční mikroskopická analýza populací na jednobuněčné úrovni
- Budování a provoz sbírky kmenů vhodných pro biotechnologické aplikace
- Modelování fotosyntetických procesů
- Vývoj a návrhy technologických řešení pro mikrořasové biotechnologie
- Vývoj referenční experimentální platformy pro mezilaboratorní validační experimenty
- Vývoj metod pro charakterizaci, fenotypizaci a inteligentní optimalizaci produkčních a adaptivních vlastností zkoumaných kmenů
- Vývoj metod a protokolů pro fluorescenční značení specifické pro fotosyntetické mikroorganismy citlivé na světlo
- Vývoj metod pro kvantitativní analýzu morfologických vlastností buněk a fyziologických parametrů jako životaschopnost buněk a topologie DNA a určování tvorby lipidových kapének
- Vývoj a optimalizace vysokokapacitních fluorescenčních metod pro studium toxikologie fotosyntetických organismů
- Vývoj výpočetní platformy pro simulaci prediktivních experimentů (in silico)
Řešené projekty:
Vyvíjené aplikace:
- Set řídících skriptů pro Photon Systems Instruments (PSI) bioreaktorového SW klienta
- Online nástroj pro pokročilou analýza experimentálních bioreaktorových dat
- Online nástroj pro výpočet vlastností systému rozpuštěného uhlíku v mořské vodě
- Online nástroj pro obrazovou analýzu a kvantifikaci morfologických vlastností buněk
Fotogalerie:
Vybrané publikace:
- Quantitative insights into the cyanobacterial cell economy
Zavřel T, Faizi M, Loureiro C, Poschmann G, Stühler K, Sinetova MA, Zorina A, Steuer R, Červený J
2019. eLife 8: e42508 - Influence of Circadian Clocks on Optimal Regime of Central C-N Metabolism of Cyanobacteria
Červený J, Šalagovič J, Muzika F, Šafránek D, Schreiber I
2019. In: Cyanobacteria: From Basic Science to Applications, pp 193-206 - 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 135(1): 37–51 - A model of optimal protein allocation during phototrophic growth
Faizi M, Zavřel T, Loureiro C, Červený J, Steuer R
2018. Biosystems 166: 26–36 - 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