Кафедра микологии и альгологии Кафедра микологии

Кафедра микологии и альгологии Кафедра микологии и альгологии МГУ единственное в России учебное заведение, осуществляющее направленную подготовку студентов, аспирантов и стажеров в области микологии, альгологии и лихенологии. Объекты изучения – грибы, лихенизированные грибы (лишайники), грибоподобные организмы и водоросли, представители разнообразных эукариотных организмов, познание которых требует комбинации различных подходов - от молекулярно-биохимического до надорганизменного уровня организации. Главная задача кафедры – подготовка широко образованных специалистов, способных сочетать знания в области систематики, онтогенеза, экологии, физиологии, биохимии, молекулярной биологии этих организмов, их применения в биотехнологиях

Спецдисциплины кафедры. Специальность «Биология» Профиль «Микология и альгология» Общая микология Микология: части 1 и 2 Систематика и Биология почвенных грибов номенклатура, Альгология разнообразие и Лихенология биология Принципы ботанической номенклатуры отдельных групп Принципы микологической систематики и номенклатуры организмов Ботаническая латынь (844 часа) Геносистематика грибов Таксономия дейтеромицетов Морфология и систематика диатомовых водорослей Большой практикум по микологии и альгологии Методология и Лабораторная техника Методология и методика полевых исследований грибов методы Методология и методика исследований водорослей исследований Математические методы анализа данных в микологии и (150 часов) альгологии

Спецдисциплины кафедры Специальность «Биология» Профиль «Микология и альгология» Генетика грибов Цитология, Физиология и биохимия грибов физиология, Вторичный метаболизм грибов биохимия и Цитология грибов и водорослей генетика Дифференцировка у грибов (332 часа) Экология водорослей Экология грибов (112 часов) Симбиология Фитопатология (88 часов) Фитоиммунитет Экспериментальная фитопатология Биологические основы промышленного культивирования макромицетов в пищевых и медицинских целях Биотехнология, Техническая микология грибоводство Экологическая биотехнология (148 часов)

Практические занятия Лабораторная техника Цитология грибов и водорослей Экспериментальная фитопатология Физиология и биохимия грибов Морфология и систематика диатомовых водорослей Большой практикум - раздел «Альгология» Большой практикум - раздел «Микология» Геносистематика грибов Таксономия дейтеромицетов Лихенология Биологические основы промышленного культивирования макромицетов Кафедральные практики 1. Лабораторная учебная практика по экологии грибов (III курс), 120 часов. 2. Полевая учебная практика по экологии грибов и водорослей на ЗБС МГУ: (III курс), 96 часов. 3. Полевая учебная практика по экологии водорослей и лишайников на ББС МГУ: (IV курс): 80 часов.

Научная работа ТЕМЫ КАФЕДРЫ МИКОЛОГИИ И АЛЬГОЛОГИИ • «Биологическое разнообразие грибов и лишайников России, их место и роль в структурно-функциональной организации экосистем» • «Экологическая генетика и цитология грибов» • «Циклы развития грибов разных систематических и трофических групп в связи с системами размножения» • «Флора и экология водорослей» • «Грибы – модельные объекты изучения процесса старения» - программа МГУ (ПНР) 10» . Научные исследования на кафедре поддерживаются грантами РФФИ (в настоящее время - 4 гранта), ПНР. 10, договорами с коммерческими и государственными организациями.

Биоразнообразие • Продолжение исследований по характеристике биоразнообразия грибов, водорослей, лишайников и миксомицетов в разных регионах и экстремальных местообитаниях, • поиск и описание новых видов, проведение детальных морфолого- анатомических описаний видов для подготовки современных определителей, пополнение коллекций и гербария лишайников кафедры. • Многолетний мониторинг организмов, с акцентом на виды, внесенные в Красные книги, написание Красных книг регионов, биоиндикационные работы. • Сравнительный анализ методов идентификации грибов: традиционных - по культуральным и морфолого-физиологическим признакам и новых - на основе анализа ПЦР-профилей и сиквенирования р. ДНК. • Исследования будут проводиться на территории Звенигородской и Беломорской биостанций, неизученных заповедных территориях, а также естественных и нарушенных экосистем Сибири, Вьетнама, Монголии.

Экология Грибы в структурно-функциональной организации наземных экосистем. • Количественные оценки роли грибов в круговороте биогенных элементов, для чего использовать методы определения грибной биомассы, ингибиторные подходы, стабильных изотопов. Ценотические связи грибов. • Будут продолжены работы по изучению симбиотических взаимоотношений грибов и растений (экто- и эндомикоризе и микоризе орхидных), эндофитам, выявлению видов, ассоциированных с водорослями-макрофитами, насекомыми и почвенными беспозвоночными и форических связей грибов и мелких млекопитающих. Будет активно использоваться метод анализ стабильных изотопов 13 C/12 С, 15 N/14 N для изучения связей грибов с другими организмами и компонентами экосистем. • Введение метода флуоресцентной гибридизации с олигонуклеотидными маркерами (FISH) для прямого выявления организмов в различных местообитаниях.

Фитопатология • Изучение популяционной структуры патогенов растений - возбудителей фитофтороза, ржавчины, серой гнили, альтернариоза, оценка эффективности применяемых фунгицидов. • Закуплено оборудование для Реал-Тайм ПЦР - качественно новые возможности в диагностике фитопатогенов, грибов - деструкторов материалов, контаминантов продуктов, помещений, микробиологических и грибоводческих производств. • Планируется отработать идентификацию патогенов и опасных биодеструкторов с помощью коммерчески- доступных наборов, сделать собственные зонды, провести количественное определение патогенов картофеля и томатов в разных регионах России. • В дальнейшем - разработку количественной идентификации вирусов грибов и оомицетов актуальной задаче фитопатологии и биотехнологии, изучение экспрессии генов по динамике накопления РНК.

Культивирование съедобных грибов • На кафедре проводятся работы по совершенствованию технологий выращивания и паспортизации штаммов культивируемых грибов на основе молекулярно-генетических методов, поиск новых промышленных объектов пищевого и медицинского назначения. Биотрансформация отходов • Планируется оценить перспективы использования грибов – деструкторов лигноцелюзы для переработки органических отходов, преимущественно растительного происхождения, с одновременным получением новых продуктов (биоудобрений с фунгицидными и стимулирующими рост растений). Биоповреждения, биоразлагаемые пластики • При кафедре работает центр «Биостойкость» , аккредитованный при Экоцентре МГУ. Его задачи выявление агентов биоповреждений и испытание на биостойкость материалов по ГОСТ’ам и оригинальным методикам, определение биоцидного действия новых соединений. • Необходимость замены стойких пластиков на биоразлагаемые, ставит новую задачу – оценку биоразлагаемости создаваемых химиками материалов в различных условиях.

На кафедре разрабатываются новые фундаментальные проблемы Грибы модельные объекты изучения процесса старения Иммунноцитохимическое исследование распределения в клетках оксидативно-модифицированных белков, расположения элементов цитоскелета и ингибирования его сборки. Изучение особенностей регуляции дыхания у грибов с разной продолжительностью жизни на основе ингибиторного анализа дыхательной цепи в митохондриях, оценки интенсивности образования активных форм кислорода и его поглощения. Эндобактерии Горячей точкой в микологии - изучение эндобионтов у микоризных грибов. На кафедре впервые получены данные о более широком распространении бактериоподобных структур (молликутоподобных) у грибов разных трофических и систематических групп - аско- и базидиомицетных. Изучение ультраструктурных особенностей распределения эндобионтов в клетках грибов и молекулярная идентификация негрибных минорных ДНК в них.

Грибы – экстремофилы Приоритетные достижения в изучении состава, экофизиологии, молекулярной филогении грибов засоленных, щелочных, кислых болотных местообитаний, развивающихся в анаэробных условиях. Предполагаются дальнейшие исследования микобиоты экстремальных местообитаниях по температуре и в донных отложениях. Подготовлены к публикации описание и характеристика нового рода аскомицетов Sodiomyces (вид Sodiomyces alkalinus) и показан алкалофильный тип его адаптации. Начат первичный скрининг алкалостабильных ферментов и биологически активных веществ у этих грибов, что представляется крайне перспективным для биотехнологии.

Инновационные направления • 1. Разработка способов диагностики, преимущественно экспресс-диагностики, патогенов для растениеводства и грибоводства, выявления опасных видов грибов в помещениях и среди деструкторов материалов. • 2. Поиск штаммов, метаболитов, разработка препаратов на их основе для промышленного культивирования, сельскохозяйственной, медицинской и экологической биотехнологии. • 3. Перспективными для создания тест – наборов грибных аллергенов являются исследования микобиоты жилых помещений и пыльцы ветроопыляемых растений.

Определения • Биотехнология - интегрированное применение достижений и методов биохимии, микробиологии , других биологических наук и инженерных дисциплин для создания технологических процессов , в которых используются свойства микроорганизмов, культур клеток или их метаболитов (Европейская биотехнологическая федерация, 1981). • Биотехнология направлена на разработку и применение методов и приемов получения полезных для человека продуктов и изменения окружающей среды в соответствии с его потребностями с помощью биологических агентов.

«Цветовая" классификация биотехнологии • «Красная» – биотехнология, связанная с обеспечением здоровья человека и потенциальной коррекцией его генома, производством фармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител); • «Зеленая» – сельскохозяйственная биотехнология, определяет современные методы ведения сельского и лесного хозяйства, создание генетически модифицированных (ГМ) растений, устойчивых к биотическим и абиотическим стрессам, биопрепаратов, кормов; • «Белая» - промышленная биотехнология, объединяющая производство биотоплива , биотехнологии в пищевой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности; • «Серая» - связана с природоохранной деятельностью, биоремедиацией окружающей среды, добычей полезных ископаемых; • «Синяя» биотехнология – связана с использованием морских организмов и сырьевых ресурсов.

Российская Федерация • Перечень технологических платформ по высоким технологиям и инновациям 2015 -2030 гг. • Медицинские и био- технологии • 1. Медицина будущего • 2. Биоиндустрия и биоресурсы – Биотех 2030 • 3. Биоэнергетика • Информационно-коммуникационные технологии • Фотоника • Авиакосмические технологии • Ядерные и радиационные технологии • Энергетика • Технологии транспорта • Технологии металлургии и новые материалы • Добыча природных ресурсов и нефтегазопереработка • Электроника и машиностроение

Грибы в промышленных биотехнологиях • Первичные - органические кислоты, этанол, липиды и жирные кислоты, внеклеточные метаболиты полисахариды • Вторичные - антибиотики, иммуномодуляторы, метаболиты витамины, пигменты (например, пеницилин, цефалоспорин, ловастатин, циклоспорин, каротин) • Ферменты - амилазы, целлюлазы, ксиланазы, пектиназы, липазы/полиэстеразы, фитазы, пероксидазы, протеазы и др. • Биоконверсия - с использованием цитохром Р 450, преобразование стеролов, переработка лигноцеллюлозы • Биомасса - Кормовой белково-витаминный клеток и концентрат, съедобные культивируемые мицелия виды • Живые культуры и - Биопрепараты для нефтеочистки почв, метаболиты в водоемов, стимуляторы роста, растениеводстве и фунгициды, биоудобрения для ремедиации

Грибы в исследованиях и современных прикладных биотехнологиях в экологии и сельском хозяйстве • Грибные препараты для повышения плодородия почв и продуктивности растений. • Фитогормоны, синтетические и микробные регуляторы роста растений. • Применение микоризных и эндотрофных грибов в растениеводстве. • Биотехнологии защиты растений от вредителей. • Биотехнологии защиты растений от болезней и сорняков. • Трансгенные микроорганизмы и растения. • Получение биомассы и биодизеля на органических отходах, субстратах, выбросах диоксида углерода. • Почвенные биотехнологии в земледелии. • Биотехнологии в животноводстве (вакцины, пробиотики, корма) • Биоремедиация загрязненных почв и водоемов • Биологическая обработка отходов, газообразных выбросов и стоков • Биоразлагаемые пластики • Биотехнологии контроля загрязнения объектов окружающей среды и сельскохозяйственной продукции • Биоповреждения материалов, сооружений и подземных коммуникаций и способы их защиты

ВТОРИЧНЫЕ МИКРОБНЫЕ МЕТАБОЛИТЫ ФАРМАКОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Общее число Из них без В том числе продуцируемых описанных антибиот. грибами актиноми- бактериями активности цетами 11500 6400 3700 1400 900 Наиболее активные продуценты относятся к родами Aspergillus – 950 соединений; Penicillium – 900 соединений; Fusarium – 350 соединений

В 1990 г из 16 млрд $, вырученных от продажи продуктов биотехнологии, 8 млрд $ составила стоимость пенициллинов и цефалоспоринов, т. е. продукция только двух родов грибов дала половину мирового биотехнологического рынка.

• Циклоспорин В 1983 г. разрешение на клиническое применение получил антигрибной антибиотик, продуцируемый Tolypocladium inflatum, клиническая ценность которого определялась его побочным эффектом – способностью вызывать иммуносупрессию, избирательно ингибируя высвобождение интерлейкина-2 из Т-4 лимфоцитов. • Ловастатин В 80 -е годы в клиническую практику был введен специфический ингибитор синтеза холестерина – ловастатин, который, вместе с его полусинтетическими аналогами широко используются в клинике. Открытие циклоспорина и ловастатина стимулировали поиск природных фармакологически активных соединений. Обнаружено, что многие древоразрушающие базидиомицеты (лакированный трутовик, сиитаке, вешенка и др. ) обладают комплексом полисахаридов, оказывающих общеукрепляющий, иммуномодулирующий и антираковый эффект.

Витамины – рибофлавин, каротиноиды (из мукоровых и сумчатых грибов) Производство ферментов α-амилаза, пектиназы, целлюлазы, протеазы, лигнин-пероксидазы, целлюлазы и др. Полисахариды Хитин, пуллулан, склероглюкан. Используются для приготовления полимерных пленок, как иммуномодуляторы и антираковые препараты, адсорбенты, для заживления ран и ожогов. Трансформация стероидов с помощью мукоровых и курвуларии. Органические кислоты лимонная, глюконовая, итаконовая, яблочная и др. (из аспергиллов). Фитогормоны и регуляторы роста растений гиббереллин, фузикокцин, гетероауксин, абсцизовая кислота. Бродильное производство более 1 млн. тонн дрожжей в год

Поиск микроскопических грибов – продуцентов ферментов для биотехнологического применения и медицины

• Рынок – 1, 6 млрд. долларов США (2000 г. ) • Из 2500 известных ферментов немногие производятся в промышленных масштабах, из них 80% - гидролазы.

Спектр грибных ферментов, имеющих практическое применение В пищевой промышленности для мацерации растительного субстрата приготовлении масел, кофе, осветления соков и вин, получения мясного и рыбного белка, сыра применяют грибные амилазы, липазы, протеазы, пектиназы, термостабильные и алкалостабильные формы этих гидролазы, вводят в состав стиральных порошков, целлюлазы, ксиланазы и лигниназы – используют для переработки растительного сырья, в целлюлозо-бумажной промышленности, каталазу - для стерилизации продуктов и отбеливания материалов, протеиназы тромболитического, фибринолитического и антикоагулянтного действия, глюкозооксидазы и лактакоксидазы представляют большой интерес для диагностики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний.

Грибные ферменты биотехнологического назначения (из 6 классов согласно их классификации по типам реакций) (Tracz, Lange, 2004) Фермент Организм Применение 1. Оксидоредуктазы 1. 1. 3. 4: Aspergillus niger Диагностика Глюкозооксидаза Penicillium notatum (медицина), пищевая пром. , хлебопечение Pycnoporus cinnabarinus, ЭЦ 1. 10. 3. 2: Деградация Mycelioophora thermophila, ЭЦ лигнина Фенолоксидазы, Trametes versicolor, ЭЦ лакказы Органический синтез Li. P, Phanerochaete chrysosporium, Деградация 1. 1. 7: Пероксидаза ЭЦ лигнина Лигнин пероксидаза Mn. P, P. chrysosporium, ЭЦ Марганец пероксидаза

Грибные ферменты биотехнологического назначения Фермент Организм Применение 2. Трансферазы Бактерии 4. Лиазы Пектиназный A. niger, T. reesei, ЭЦ Фруктовые и комплекс 4. 2. 2. 2. овощные соки 5. Изомеразы В основном из бактерий 6. Лигазы

Грибные ферменты биотехнологического назначения Фермент Организм Применение 3. Гидролазы 3. 1. 1. 1: Липазы Candida rugosa, ЭЦ Органический Candida antarctica, ЭЦ синтез Thermomyces lanuginosus Органический Rhizomucor miehei, ЭЦ синтез Детергент 3. 1. 1. 3: Карбоксилэстераза Orpinomyces sp. Пищевая пром. Aspergillus awamori Деградация ксилана Phy. A, Aspergillus niger, ЭЦ Приготовление Phy. A, A. terreus, ЭЦ пшеничных отрубей 3. 1. 3. 8: Фитаза Phy. A, M. thermophila, ЭЦ Phy. A, T. lanuginosus, ЭЦ Добавка в корм Phy. A, A. oryzae, ЭЦ Phy. A, Базидиомицеты (Agrocybe pediades, Trametes pubescens, Ceriporia sp. , Peniophora lycii)

Грибные ферменты биотехнологического назначения (из 6 классов согласно IUPAC Commission по их номенклатуре) (Tracz, Lange, 2004) Фермент Организм Применение 3. Гидролазы 3. 2. 1. 1: α-Амилаза Aspergillus oryzae, ЭЦ Гидролиз крахмала, 3. 2. 1. 3: β-Амилаза Rhizopus oryzae, ЭЦ пищевая пром. 3. 2. 1. 3. Глюкоамилаза A. awamori, ЭЦ Производство гкюкозо- 3. 2. 1. 4: 1, 4 - β- фруктозного сиропа глюканэндогидролаза Trichoderma reesei, ЭЦ Пищевая пром. , стирка 3. 2. 1. 6: 1, 3(4)- β- глюканэндогидролаза R. Oryzae Пивоварение 3. 2. 1. 8: Ксиланаза Aspergillus kawachii Ферментация сошу 3. 2. 1. 21: β-глюкозидаза Trichoderma reesei, ЭЦ Деградация целлюлозы 3. 4. 21: Серинпротеаза A. niger, A. oryzae Кожевенное производство, соевый соус 3. 4. 23: Аспартатпротеаза, R. miehei, ЭЦ, Mucor ринит, химозин pusillus, ЭЦ Производство сыра

Почему грибы перспективны в качестве продуцентов ферментов? Высокое видовое и эколого-трофическое разнообразие грибов, что обусловливает наличие широкого спектра ферментов. Главное преимущество грибов (особенно у представителей аспергилов и триходерм) – способность секретировать огромное количество внеклеточных белков в среду. Мутантные штаммы T. reesei экскретируют до 40 г целлюлаз/л (Penttila, 1998). Продукция рекомбинантной фитазы аспергилов, экспрессированная в метилотрофных дрожжах Pichia angusta, достигала 13, 5 г/л (Mayer et al. , 1999). Возможность культивирования на простых средах и достаточно высокая скорость роста. Культуральную жидкость (КЖ) с ферментом можно легко отделить от мицелия. Фильтрат КЖ часто обладает высокой ферментативной стабильностью. Амилоглюкозидаза A. niger сохраняет 100% активности в течение 1 года при 0 -4 о. С (Frost, Moss, 1987).

• Классический скрининг – базируется на биоразнообразии и представляет наиболее продуктивный подход к поиску новых ферментов, дает базис для понимания новых ферментных процессов (Ogawa, Shimizu, 1999).

Классический скрининг – базируется на биоразнообразии и представляет наиболее продуктивный подход к поиску новых ферментов, дает базис для понимания новых ферментных процессов (Ogawa, Shimizu, 1999). Поиск штаммов грибов – продуцентов требуемых ферментов включает ряд этапов: • анализ данных об известных микроорганизмах, синтезирующих необходимый нам фермент; • определение систематической группы микромицетов , представители которой потенциально способны к образованию; • выяснение эколого-трофической принадлежности и распространения этой группы грибов в различных компонентах экосистем (почвах, илах, на растениях и т. д. );

- поиск штаммов в коллекциях микроорганизмов; - отбор наиболее перспективных с точки зрения выделения образцов из природных и техногенных местообитаний; - с учетом физиолого-биохимических свойств потенциальных продуцентов разработка методов их изоляции в чистую культуру; - выбор известных или разработка новых приемов первичного скрининга продуцентов и отбор наиболее активных штаммов;

Среды и реагенты для выявления внеклеточных и связанных с клетками ферментов микроорганизмов Фермент Субстрат Реагент Критерий для отбора штаммов Амилаза Крахмал/гликоген Раствор иода Прозрачные ( -амилаза) или красные ( -амилаза) зоны на окрашенном фоне -Амилаза Крахмальный азур - Бледно-синий ореол Целлюлоза Целлюлозный азур - Бледно-синий ореол Фильтровальная бумага Разложение фильтровальной бумаги Аморфная или Зоны прсветления микрокристалическая целлюлоза Хитиназа Хитин - Прозрачные зоны в нерастворимом хитине Пектатлиаза Яблочный пектин или Гексадецилме Прозрачные зоны в полигалактуроновая тиламмоний осажденном субстрате кислота бромид Ксиланаза Ксилан Этанол Прозрачная зона в осажденном субстрате через 16 час. Пуллуланаз Пуллулан Этанол или Прозрачная зона в субстрате а ацетон через 16 час. Протеазы Снятое молоко - Зоны просветления Желатин Насыщенный Зоны просветления в раствор осажденном субстрате сульфата аммония

Фермент Субстрат Реагент Критерий для отбора штаммов Липаза, Твин-60, 80 Твин вводят в эстераза подходящую среду. Опалесцирующий ореол. Оливковое масло Зоны просветления Триолеин Лаказа , Танин (0, 1%) или Коричневая обраска пероксизда галловую кислоту вблизи растущего за , добавляют в агар- мицелия тирозиназа солодовую среду Лаказа, α-нафтол (0, 005%) Синяя окраска среды пероксидаз или гваякол Красно-коричневая а (0, 005%) Синяя окраска или бензидин (0, 1%) в уксусном буфере с р. Н 4, 4 добавляют в агар- солодовую среду Тирозиназа Тирозин (0, 2%) в Красно-коричневая сусло-агаре окраска

Proteolytic activity of fungal isolates Grown with naphtyl-Ala After additon Fast Blue RR Proteolytic activity of fungal strains was tested for capacity of hydrolyze proteins by the D-alanine residue.

- вторичный скрининг, оптимизация условий культивирования для выявления максимальной ферментативной активности; - разработка или оптимизация приемов выделения фермента из культуральной жидкости и последующее изучение его свойств.

Особенности скрининга • термостабильные и алкалостабильные целлюлазы, липазы • протеазы с активаторным и фибринолитическим действием • Глюкозооксидаза, • Каталаза • Лактатоксидаза

Тренды и будущие разработки • Новые грибные ферменты: • Скрининг грибов, продуцирующих фитазы с улучшенными свойствами (повышенной термостабильностью и каталитической активностью). Путь решения - использование генов, кодирующих фитазы у термофильных и термотолерантных грибов. • Катализ стереоселективных превращений • Производство оптически чистых спиртов. • Новый фермент лактоназа (изолирован из F. oxysporum) необходим для производства d- пантотеновой к-ты.

Тренды и будущие разработки: ДНК рекомбинантные технологии • Эффективные системы для экспрессии генов: прогресс ожидается от применения новых хозяев для повышения секреции ферментов. • Гены лакказа из дереворазрушающих грибов (Trametes versicolor, T. sangunea) были экспресированы в дрожжах S. cerevisiae и Pichia pastoris (Hosida et al. , 2001; Brown et al. , 2002). Трансгенные растения могут быть использованы для производства лакказы. Фермент Хозяин Донор Каталаза Aspergillus niger Aspergillus sp. Целлюлаза A. oryzae Humicola sp. Целлюлаза Trichoderma sp. Ксиланаза reesei A. oryzae Thermomyces Протеаза A. oryzae sp. Химозин Aspergillus niger Rhizomucor sp. var. awamori Телята

Тренды и будущие разработки • Экспрессия генов фитазы Aspergillus в трансгенных растениях: установлена экспрессия phy. A ген из A. niger в семенах сои, рапса, пшеницы, риса и показано улучшение питания свиней и кур Экспрессия секреции фермента в определенном органе – например, в корнях, для мобилизации фосфора из почвы. У биоинженерных Arabidopsis в 20 раз повышалась секреция фитазы в коневой зоне и рост на органическом источнике фосфора (фитиновой кислоте)

Тренды и будущие разработки • Генные библиотеки: Клонирование интересующих генов без предварительного изолирования чистых культур микробов, а непосредственно из ДНК, выделенного из природного образца. Перспективен поиск генов термофильных грибов для получения биокатализаторов. Экспрессия нового гена пока часто неудачна, но есть позитивные результаты экспрессии изолированных грибных генов из природных образцов в Aspergillus oryzae (Dalboge, 1997). • Инжиниринг биомолекул: улучшение свойств фермента путем изменений конкретных локусов его молекулы (методы функциональной геномики и протеомики, рекомбинантных технологий и др. соврем. мол-ген. подходов). Н-р, 6 локальных мутаций в глюкозоамилазе A. awamori позволили увеличить ее термостабильность без потери активности.

Дрожжевые грибы в пищевых биотехнологиях и производстве алкогольных напитков

Традиционные процессы Существовали до открытия дрожжей и чистых культур • Виноделие • Пивоварение • Хлебопечение Saccharomyces

Классификация спиртных напитков Вкусовые Гидролиз Напиток Сырье Дистиляция добавки крахмала Виноград - - Пиво Ячмень Хмель + - Сидр Яблоки - - Виски Ячмень Торф, + + древесина бочки Водка Картофель, + + кукуруза и др. Джин Картофель, Можжевельник + + кукуруза и др. Абсент Виноград Полынь + Ром Меласса - + Коньяк Виноград Древесина - + бочки Кальвадос Яблоки - +

Сивушные масла– 3 -5 атомные спирты Диметилсульфид Ацетоин Диацетил Масляный альдегид Изоамиловый спирт β-Фенилэтанол Примеры органолептических соединений, вырабатываемых дрожжами

Технологии получения вин и крепких спиртных напитков Традиционное Современное ( «аборигенные» дрожжи, (чистые культуры, ручные технологии) автоматизация) Первичное Вторичное (сырье – виноград) (сырье – готовое вино) Вино Шампанское, херес Без добавления спирта Крепленые Сухие, полусладкие и Десертные, портвейны, сладкие вина мадера Без дистилляции Перегонка Вина, 8 -20% Водка, коньяк, виски и др. , ≥ 40%

Виноград Основные этапы приготовления Раздавливание ягод вина красные вина Отделение мезги (белые вина) Муст Уничтожение диких дрожжей (сульфатация) традиционное виноделие Добавление чистых культур Созревание Розлив Брожение Остановка брожения

Этап 1. Выращивание винограда Прочие Hanseniaspora uvarum Saccharomyces

Этап 2. Сбор винограда Hanseniaspora uvarum Эпифиты (Sporobolomyces)

Этап 3. Из винограда получают муст (сок+мезга)

Современный пресс

Этап 4. Брожение Брожение прерывается: Искусственно (Полусухие вина) Естественно • Высокое содержание спирта (Мускатные вина) • Израсходован весь сахар (Сухие вина)

Этап 5. Созревание вина В бутылках

… в бочках

Вторичное виноделие Виноград Первое брожение Вино Сахар, дрожжи Второе брожение Созревание

Вторичное виноделие: производство игристых вин При производстве шампанского вино проходит повторную ферментацию. После завершения первичного брожения и ассамбляжа, к вину добавляют тиражный ликер (растворенные в вине сахар и дрожжи) и разливают его в бутылки.

Ремюаж Укупоренное вино отправляют в погреба, где помещают на пюпитры. Каждый день специалист по ремюажу поворачивает бутылки, постепенно наклоняя их горлышком вниз, и слегка стряхивает. Со временем осадок скапливается на пробке.

Дегоржаж Горлышки бутылок помещают в соляной раствор с температурой -30°С. После этого приступают к дегоржажу. Бутылки откупоривают и льдинка замороженного осадка вылетает из бутылки. В бутылки доливают растворенный в вине сахар, количество сахара зависит от того, какое шампанское хотят получить – брют, сухое или полусухое. После этого бутылки снова укупоривают.

Получение коньячного спирта Из вина сложной двукратной перегонкой получают спирт, который выдерживается в дубовых бочках. Смеси этих спиртов составляют коньяки.

Крепленые вина получаются при добавлении бренди или спирта Херес – вино крепят после Портвейн – вино крепят до окончания брожения (несладкое) окончания брожения (сладкое) на поверхности слой дрожжей

Сладкие вина содержат остаточный сахар Благородная плесень. Мороз кристаллизует воду и Снижает содержание воды и концентрирует сахар концентрирует сахар

Схема производства пива

Соложение зерна Пиво производят из солода - проросшего зерна (ячменное, пшеничное, рисовое, ржаное)

Дробление солода Солод измельчают на дробилке, добавляют воду и хмель

Пивное сусло варят в больших чанах

Добавление дрожжей Чистую культуру дрожжей суспендируют в дрожжевой ванночке

Брожение сусла

Отделение дображивания

Фильтрация пива Фильтр Пиво фильтруют (… или не фильтруют)

Созревание пива Пиво созревает при низкой температуре.

Разлив Пиво разливают в различную тару

Хлебопечение

Пекарские дрожжи Расы S. cerevisiae Требования: активное брожение безвредность отсутствие привкуса длительное хранение новое: сбраживание крахмала

Принципы изотопного анализа в экологии: • Единицей измерения служит отклонение от международно-принятого стандарта*. δ 15 N, δ 13 С ( «дельта» ) [промилле, ‰] (* 13 С/12 C ископаемого белемнита PDB, и 15 N/14 N азота воздуха) • δn. E(‰) = [(Rпроба – Rстандарт)/Rстандарт ] * 1000 • Е - элемент, n - масса более тяжелого изотопа, R – относительное обилие этого изотопа в анализируемой пробе и в стандарте • Биогеохимические процессы часто сопровождаются изменением соотношения между стабильными изотопами разных элементов • Наиболее показательны для пищевых цепей изменения соотношения изотопов углерода и азота 13 C/12 C и 15 N/14 N • “Изотопная подпись” гетеротрофных организмов обусловлена изотопным составом их пищевых объектов, что позволяет оценить их трофическое положение

Изменения изотопного состава азота (δ 15 N) • Легкий азот (14 N) легче вовлекается во многие реакции азотного цикла. Доля 14 N увеличивается в продуктах и уменьшается в реагентах. • δ 15 N в почве как правило увеличивается с с глубиной. • Для δ 15 N хорошо показано увеличение в пищевых цепях, каждое последующее звено отличается от предыдущего на 2, 5 -3, 5‰. • Δ 15 N = δ 15 N потребитель - δ 15 N пища Δ 15 N ~ 10‰

Перемещение соединений углерода в биосфере, изотопный состав углерода (δ 13 C)

Московская обл. , Наро-Фоминский р-н, биостанция «Малинки» . Ельник, осинник, черноольшаник (пойма) Коллемболы и компоненты природных биоценозов, трофически с ними связанные: опад, мох, части растений, грибы, водоросли. 77

δ 13 С и δ 15 N потенциальных источников питания коллембол в ельнике и осиннике осинник субстрат δ 13 C, ‰ δ 15 N, ‰ водоросли/лишайник -33, 5 -7, 3 мох -33, 3 -4, 2 Увеличение опад осины -29, 6 -2, 3 содержания подстилка -28, 0 -1, 7 тяжелых грибы с опада -28, 0 -1, 6 изотопов корни осины -29, 3 -1, 2 почва (A горизонт) -26, 1 -0, 1 коллемболы (среднее) -25, 6 0, 0 ельник субстрат δ 13 C, ‰ δ 15 N, ‰ водоросли/лишайник -30, 3 -7, 4 Увеличение мох -32, 9 -3, 4 содержания еловый опад -29, 1 -2, 5 тяжелых подстилка -28, 5 -2, 1 изотопов грибы с опада -29, 0 -1, 8 корни ели -27, 5 -1, 4 почва (A горизонт) -26, 0 -1, 9 78 коллемболы (среднее) -25, 9 -0, 6

• Модельная система трофической цепи: растительный опад - микромицеты – коллемболы. Анализ образцов Графические материалы взяты: www. ssf. npolar. no flickr. com www. conabio. gob. mx www. microbeworld. org pathmicro. med. sc. edu

Изменения изотопного состава углерода (слева) и азота (справа) в модельной пищевой цепи растительный опад- микромицеты-коллемболы. Трофическое обогащение по углероду на 2 -3 ‰ и по азоту на 1, 5 -3 ‰ на трофический уровень.

Определение трофического фракционирования в цепи растительный опад - микромицеты – коллемболы : δ 13 C, вень Объект ‰ δ 15 N, ‰ Уро I Осиновый опад -29, 0 ± 0, 4 0, 9± 0, 1 II Грибы Absidia spinosa -26, 5± 0, 3 3, 6± 0, 7 Alternaria alternata -27, 7± 0, 3 4, 9± 0, 8 III Коллемболы F. candida -24, 2 ± 0, 2 5, 0 ± 0, 3 Osotoma stachianus -23, 2 ± 0, 2 7, 0 ± 0, 5 V. pseudocenereus -22, 5 ± 0, 7 5, 1 ± 0, 6 Наблюдается закономерное обогащение по трофическим уровням, которое варьирует в зависимости от видов гриба и коллемболы

δ 15 N в телах коллембол различных таксонов в ельнике и осиннике, ориентировочные трофические группы коллембол Осинник 8. 0 6. 0 Δ δ 15 N, ‰ 4. 0 2. 0 почва 0. 0 -2. 0 опад -4. 0 -6. 0 водоросли-лишайники -8. 0 F. quadrioculata Tomoceridae O. flavescens Lepidocyrtus sp. M. absoloni P. notabilis Ельник-кисличник 6. 0 4. 0 δ 15 N, ‰ 2. 0 0. 0 Δ почва -2. 0 опад -4. 0 -6. 0 водоросли-лишайники -8. 0 Tomoceridae O. flavescens P. alba F. quadrioculata. Lepidocyrtus sp. P. notabilis

Благодарю за внимание