Oddělení adaptivních biotechnologií

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

Ostatní:
Iveta Jedličková
Ing. Kateřina Svobodová, 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 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)