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
MFA David Šohaj Minařík
prof. Dr. Thomas Roitsch
Mgr. Roman Sándor, Ph.D.
Mgr. et Mgr. Anna Segečová, Ph.D.
Ing. Daniel Vícha
Dr. Sopan Wagh
Mgr. Tomáš Zavřel, Ph. D.

Doktorandi:
Mgr. Tomáš Zlámal

Ostatní:
Iveta Jedličková

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)