Коллекция туралы

АЛҒЫ СӨЗ

Микробалдырлар мен цианобактериялар биотехнологиялық әлеуеті жоғары фототрофты микроорганизмдерге жатады. Олардың жарық энергиясын және бейорганикалық субстраттарды биомасса түзу мен мақсатты өнімдерді синтездеу үшін пайдалану қабілеті бұл дақылдарды биоэнергетикалық және биопродукциялық технологиялар үшін перспективалы негіз ретінде қарастыруға мүмкіндік береді (Zayadan et al., 2021; Sadvakasova et al., 2023).

Функционалдық ұқсастығына қарамастан, микробалдырлар мен цианобактериялар әртүрлі эволюциялық тармақтарға жатады. Микробалдырлар негізінен эукариотты біржасушалы және колониялық формалармен ұсынылса, цианобактериялар оттекті фотосинтез жүзеге асыратын прокариоттар болып табылады. Қазіргі кезде дақылдарды сәйкестендіру морфологиялық, физиологиялық-биохимиялық және молекулалық-генетикалық белгілердің жиынтығына негізделеді; эукариотты микробалдырлар үшін 18S rRNA, ал цианобактерияларды зерттеуде 16S rRNA талдауы кеңінен қолданылады (Strunecký et al., 2023; Khaw et al., 2020).

Фототрофты микроорганизмдер тұщы және теңіз су айдындарын, топырақты, термалды және тұзды мекен ету орталарын, сондай-ақ техногендік өзгеріске ұшыраған экожүйелерді мекендейді. Әртүрлі шығу тегі бар штаммдар өсу жылдамдығы, температура мен тұздылыққа төзімділігі, әртүрлі қоректік көздерді пайдалану қабілеті және мақсатты метаболиттерді жинақтау сипаты бойынша едәуір ерекшеленуі мүмкін. Сондықтан биотехнологиялық әлеуетті тек туыс немесе түр деңгейінде емес, нақты штамм деңгейінде бағалау қажет. Мұндай штаммаралық айырмашылық табиғи микробалдырларды өнімділігі, липид мөлшері және май қышқылдық профилі бойынша скринингтеу кезінде айқын көрінеді (Balouch et al., 2023).

Микробалдырлар мен цианобактериялардың биомассасында ақуыздар, көмірсулар, липидтер, май қышқылдары, хлорофиллдер, каротиноидтар, фикобилипротеиндер және басқа да функционалдық маңызы бар қосылыстар болуы мүмкін. Бұл компоненттердің өнімділігі дақылдың генотипіне және қоректік ортаның құрамы, жарықтандыру мен температура сияқты өсіру жағдайларына тәуелді. Цианобактериялар үшін пигменттерді басқарылатын түрде алу ерекше қызығушылық тудырса, бірқатар микробалдырлар үшін липидтік және ақуыздық биомасса алу, биоэнергетикалық пайдалану және циркулярлық биотехнологиялық үдерістерге интеграциялау маңызды бағыттар болып қала береді (Sandybayeva et al., 2022; Sadvakasova et al., 2023).

Дақылдық коллекциялар штаммдық алуантүрлілікті сақтауды және іргелі әрі қолданбалы зерттеулер үшін қайталанымды тірі материалдың қолжетімділігін қамтамасыз етеді. Коллекцияларды қолдау дақылдардың тіршілік қабілеттілігі мен тазалығын жүйелі бақылауды, қайта себудің стандартталған жағдайларын және ұзақ мерзімді сақтау үшін криоконсервация мен басқа да сақтау әдістерін қолдануды талап етеді (Foo et al., 2023). Штаммдарды паспорттау олардың шығу тегін, таксономиялық мәртебесін, морфологиялық, дақылдық және физиологиялық-биохимиялық ерекшеліктерін құжаттау арқылы осы функцияны толықтырады.

Әл-Фараби атындағы ҚазҰУ микробалдырлар мен цианобактериялар коллекциясы табиғи, селекциялық және коллекциялық шығу тегі бар дақылдарды біріктіреді және фототрофты микроорганизмдерді зерттеудің ғылыми базасы ретінде сақталады. Коллекцияның жаңартылған материалдарына сәйкес, қазіргі уақытта қорда 70 астам штамдар бар. Тарихи тұрғыдан оның құрамында Chlorella, Dunaliella және Chlamydomonas туыстарының жасыл микробалдырлары, сондай-ақ Spirulina, Nostoc, Synechocystis, Anabaena, Phormidium, Oscillatoria және Synechococcus туыстарының цианобактериялары ұсынылған. Қор Қазақстанның әртүрлі экожүйелерінен бөлініп алынған өз изоляттарымен және ғылыми алмасу шеңберінде алынған дақылдармен толықтырылып отырды (Коллекция микроводорослей и цианобактерий ҚазҰУ, 2017).

Осы басылымның мақсаты — коллекцияда сақталатын штаммдар туралы мәліметтерді жүйелеу және ғылыми тұрғыдан жинақтау, олардың таксономиялық тиістілігін, шығу тегін, дақылдық-морфологиялық ерекшеліктерін, сақтау жағдайларын, физиологиялық-биохимиялық сипаттамаларын және биотехнологиялық маңызды қасиеттерін көрсету. Ұсынылған материалдар коллекциялық қордың тұтас сипаттамасын қалыптастырып, кейінгі іргелі зерттеулер мен қолданбалы әзірлемелерде дақылдарды негізді түрде таңдауға арналған ақпараттық негіз жасайды.

Осылайша, тірі дақылдарды сақтау мен оларды ғылыми паспорттауды ұштастыру ҚазҰУ коллекциясын динамикалық биоресурс ретінде қарастыруға мүмкіндік береді. Оның маңызы штаммдық алуантүрлілікті сақтаумен ғана емес, дақылдардың шығу тегі мен биологиялық ерекшеліктерін эксперименттік түрде анықталған функционалдық қасиеттерімен және практикалық қолдану перспективаларымен байланыстыру мүмкіндігімен де айқындалады.

КІРІСПЕ

Фототрофты микроорганизмдер дақылдарының коллекциялары микроорганизмдердің генетикалық ресурстарын сақтау, құжаттау, сәйкестендіру және оларға қолжетімділікті қамтамасыз ететін заманауи ғылыми инфрақұрылымның маңызды құрамдас бөлігі болып табылады. Олар микробтық биоалуантүрлілікті ex situ жағдайында сақтауда, таксономиялық және физиологиялық-биохимиялық зерттеулер жүргізуде, сондай-ақ жаңа биотехнологиялық өнімдер мен процестерді іздеу және әзірлеуде маңызды рөл атқарады. Дүниежүзілік Дақылдар Коллекциялары Федерациясының (WFCC) ұсынымдарына сәйкес, культуралық коллекциялар биологиялық ресурстарды сақтау, биотехнология мен биоэкономиканы дамыту үшін қажетті іргелі ғылыми инфрақұрылым болып табылады.

Микробалдырлар мен цианобактерияларды қоса алғанда, фототрофты микроорганизмдер биомасса, биологиялық белсенді қосылыстар және басқа да қосылған құны жоғары өнімдердің перспективалы көзі ретінде ерекше қызығушылық тудырады. Метаболизмдік жолдарының алуан түрлілігіне байланысты микробалдырлар мен цианобактериялар тағамдық, азықтық және фармацевтикалық өнімдер, биожанармайлар және басқа да биологиялық өнімдер өндіруде қолданылуы мүмкін. Қазіргі заманғы зерттеулер фототрофты микроорганизмдерді биоремедиация және қоршаған ортаның жай-күйін мониторингі сияқты экологиялық биотехнология бағыттарында да перспективалы нысандар ретінде қарастырады.

Қазіргі уақытта Қазақстандық фототрофты микроорганизмдер дақылдарының коллекциясы (QCCPM — Qazaqstan Culture Collection of Phototrophic Microorganisms) 70 астам штамды қамтиды. Коллекциялық қор негізінен Chlorella, Dunaliella және Chlamydomonas туыстарына жататын жасыл микробалдырлардан, сондай-ақ негізінен Spirulina, Nostoc және Synechocystis туыстарымен ұсынылған цианобактериялардан тұрады. Мұндай таксономиялық әртүрлілік фототрофты микроорганизмдердің әртүрлі топтарының физиологиялық, биохимиялық және биотехнологиялық қасиеттерін салыстырмалы зерттеуге негіз қалыптастырады.

Коллекция үшін Орталық Азияның табиғи орталарынан бөлініп алынған штамдардың маңызы ерекше. QCCPM құрамына Қазақстан аумағында жиналған топырақ және су альгологиялық үлгілерінен оқшауланған дақылдар енгізілген. Ресей Федерациясы IPPAS, CALU және Чехия республикасы CCALA коллекцияларынан, сондай-ақ АҚШ-тағы Дьюк университетінің Chlamydomonas коллекциясынан алынған штамдармен толықтырылды. Табиғи изоляттармен қатар коллекцияда мутагенез және селекция әдістері арқылы алынған микробалдырлар мен цианобактериялардың мутантты штамдары да сақталады. QCCPM базасында микробалдырлар мен цианобактериялардың молекулалық-генетикалық таксономиясы, биологиясы мен экологиясы, физиологиясы және биохимиясы бойынша кешенді зерттеулер жүргізіледі.

Әртүрлі экологиялық жағдайлардан бөлініп алынған табиғи изоляттардың және генетикалық тұрғыдан өзгертілген дақылдардың болуы құнды физиологиялық және метаболизмдік белгілері бар штамдарды іздеу мүмкіндігін кеңейтеді. Сонымен қатар дақылдарды сенімді сәйкестендіру және олардың тұрақтылығын сақтау оларды іргелі және қолданбалы зерттеулерде одан әрі пайдалану үшін аса маңызды. Микробалдырлар биотехнологиясында дақылдардың сапасы мен тұрақтылығы, сондай-ақ ілеспе микробиотаны бақылау ерекше маңызға ие, өйткені бұл факторлар эксперимент нәтижелерінің қайталанғыштығына және штамдардың технологиялық сипаттамаларына айтарлықтай әсер етуі мүмкін.

QCCPM базасында микробалдырлар мен цианобактериялардың молекулалық-генетикалық таксономиясы, биологиясы мен экологиясы, физиологиясы және биохимиясы бойынша кешенді зерттеулер жүргізіледі. Бөлініп алынған штамдардың морфологиялық, культуралық, физиологиялық-биохимиялық және молекулалық-генетикалық сипаттамаларын зерттеуге, сондай-ақ олардың биотехнологиялық әлеуетін бағалауға ерекше көңіл бөлінеді.

Зерттеудің басым бағыттарының бірі — құнды биологиялық белсенді қосылыстарды өндіруге қабілетті перспективалы фототрофты микроорганизмдер дақылдарын іздеу және скринингтен өткізу. Әлеуеті жоғары өнімдердің қатарына пигменттер, липидтер, полисахаридтер, ақуыздар, антиоксиданттар және басқа да биологиялық белсенді метаболиттер жатады. Алынатын биомассаны жемшөп өнімдерін, биологиялық белсенді қоспаларды, био тыңайтқыштарды және биожанармайларды өндіруге арналған шикізат ретінде де қарастыруға болады. Микробалдырларды өсірудің заманауи технологиялары биомасса өнімділігін арттыруға және мақсатты биологиялық өнімдерді тиімді алуға бағытталған.

Тағы бір перспективалы бағыт — фототрофты микроорганизмдерді экологиялық биотехнологияда пайдалану. Бейорганикалық қосылыстарды сіңіру, әртүрлі ластағыштардың трансформациясына қатысу және бір мезгілде құнды биомасса түзу қабілетінің арқасында микробалдырлар мен цианобактерияларды ластанған су және топырақ нысандарын биоремедиациялау технологияларында қолдануға болады. Бұл Қазақстан үшін ерекше өзекті, өйткені табиғи экожүйелердің алуан түрлілігі және антропогендік қысымға ұшыраған аумақтардың болуы қоршаған ортаны мониторингілеу мен бұзылған экожүйелерді қалпына келтіру үшін жергілікті жағдайларға бейімделген биологиялық ресурстарды іздеуді қажет етеді.

Осылайша, QCCPM фототрофты микроорганизмдер дақылдарының коллекциясы ғана емес, сонымен қатар микробтық биоалуантүрлілікті сақтау, таксономиялық зерттеулер жүргізу, жаңа биологиялық белсенді қосылыстарды іздеу және қолданбалы биотехнологияларды әзірлеуге арналған ғылыми-зерттеу платформасы болып табылады. Халықаралық тәжірибе культуралық коллекцияларды дамыту, олардың құжаттамасын, сәйкестендіру және сақтау жүйелерінің сапасын арттыру биологиялық ресурстарға қолжетімділікті кеңейту және оларды ғылыми зерттеулер мен технологиялық әзірлемелерде тиімді пайдалану үшін маңызды екенін көрсетеді.

Осы зерттеудің мақсаты — QCCPM-нің қазіргі құрамына сипаттама беру, коллекцияда ұсынылған фототрофты микроорганизмдер дақылдарын жүйелеу және олардың іргелі және қолданбалы зерттеулерде одан әрі пайдалануға арналған ғылыми және биотехнологиялық әлеуетін бағалау.

Алғашқы және жүйелі түрде дамыған бағыттардың бірі экологиялық биотехнология болды. Белсенді зерттеулер микробалдырлардың табиғи қауымдастықтарын су ортасының күйін сипаттайтын индикатор ретінде зерттеуге және олардың ағын суларды биологиялық тазарту үдерісіне қатысуын бағалауға бағытталды. Осы жұмыстар барысында Алматы қаласының тазарту құрылыстарында микробалдырлардың 149 түрі мен түрішілік таксондары анықталды, олардың түрлік құрамының биоиндикациялық маңызы белгіленді, ал Chlorella vulgaris және Scenedesmus obliquus сияқты төзімді өкілдердің органикалық қосылыстар мен биогенді элементтерді сіңіруге белсенді қатысатыны көрсетілді. Алынған нәтижелер «Микробалдырлардың Алматы қаласының ластанған ағын суларын биоиндикациялау және тазалаудағы рөлі» атты кандидаттық диссертацияда қорытындыланды. Осылайша, алғашқы кезеңнің өзінде микробалдырларды бір мезгілде индикаторлық және биоремедиациялық организмдер ретінде пайдаланудың ғылыми негізі қалыптасты.

Бұл бағыттың кейінгі дамуы улы ластағыштарға төзімді дақылдарды мақсатты түрде алумен байланысты болды. Индукцияланған мутагенез және селекция әдістерімен кадмийге төзімді Chlamydomonas reinhardtii штаммдары алынып, олардың фенотиптік, физиологиялық-биохимиялық және генотиптік ерекшеліктері зерттелді. Мутантты дақылдар мен Chlorella vulgaris Z-1 негізінде құрылған консорциум ауыр металл иондарын жоюда жоғары тиімділік көрсетті: кадмий сорбциясы 85%-ға, ал мырыш пен мыс сорбциясы 100 %-ға жетті. Бұл нәтижелер «Кадмийге төзімді Chlamydomonas reinhardtii мутантты штаммдарын алу және оларды экобиотехнологияда пайдалану» атты кандидаттық диссертацияның негізін қалады. Осылайша, экологиялық бағыт су экожүйелерін биоиндикациялаудан оларды тазартуға арналған арнайы дақылдар мен консорциумдарды құруға дейін заңды түрде дамыды.

Осы бағыттағы зерттеулер кейіннен ағын суларды тазартуды функционалдық микробалдыр биомассасын алумен ұштастыруға бағытталды. «Балық шаруашылығының ағын суларын биологиялық тазарту және микробалдырлар негізінде балықтарға арналған жемдік қоспалар алу» тақырыбындағы диссертациялық зерттеу аясында Chlorella vulgaris SP BB-2 дақылының балық шаруашылығы ағын суларын биоремедиациялауда тиімді екені көрсетілді. Өсіру барысында алынған ақуыздарға, көмірсуларға және липидтерге бай биомасса Oreochromis niloticus тиляпиясына жемдік қоспа ретінде пайдаланылды. Бұл нәтижелер су ортасын тазарту, биогенді элементтерді кәдеге жарату және өсірілген биомассаны аквакультурада кейінгі қолдануды бір технологиялық схемаға біріктіруге мүмкіндік берді.

Коллекциялық дақылдардың биоэнергетикалық әлеуеті жеке әрі жүйелі дамып келе жатқан зерттеу бағыты болып табылады. Экстремалды мекен ету орталарынан липид продуценттерін іздеу барысында цианобактериялардың алты жаңа штаммы бөлініп, идентификацияланды, олардың физиологиялық-биохимиялық қасиеттері мен май қышқылдық құрамы зерттелді. Cyanobacterium sp. IPPAS B-1200 штаммында миристин және C16 май қышқылдарының жоғары мөлшері анықталды, ал автоселекция нәтижесінде биомасса мен липидтерді жоғары жинақтайтын, биодизель өндіруге арналған перспективалы шикізаттық нысан ретінде қарастырылған Cyanobacterium sp. IPPAS B-1200-2 алынды. Бұл зерттеулер «Май қышқылдарын өндіруші белсенді цианобактерия штаммдарын алу» атты диссертациялық жұмыс аясында орындалып, коллекцияның өндірістік маңызы бар энергетикалық дақылдарды іздеу мүмкіндігін кеңейтті.

Биоэнергетикалық зерттеулердің келесі кезеңі цианобактериялардың биологиялық сутегі өндіру қабілетін зерттеумен байланысты болды. 2023 жылы қорғалған «Сутегі өндіруші цианобактерия штаммдарын скринингтеу және оларды өсіру жағдайларын оңтайландыру» атты PhD-диссертация аясында коллекциялық және жаңадан бөлінген дақылдарға салыстырмалы скрининг жүргізілді. Қараңғы жағдайда сутегі бөлу қабілеті ең жоғары гетероцисталы Anabaena variabilis A-1 штаммында анықталды. Қоректік ортаның минералдық құрамын және азот пен күкірт тапшылығының үйлесімін оңтайландыру сутегі өнімділігін арттыруға мүмкіндік берді; BG0-11-S ортасындағы ең жоғары көрсеткіш 9,82 мкмоль H2/мг хлорофилл/сағ болды. Таңдалған штамм негізінде биосутегін алудың зертханалық регламенті әзірленді, дақыл Республикалық микроорганизмдер коллекциясына RKM0960 нөмірімен депонирленді және оның қолданылуы №8167 пайдалы модель патентімен қорғалды. Осылайша, биоэнергетикалық бағыт фототрофты дақылдардың май қышқылдық құрамын бағалаудан әртүрлі биоотын түрлерін алуға бағытталған штаммдық технологияларға дейін дамыды.

Экологиялық және энергетикалық биотехнологиямен қатар фототрофты микроорганизмдердің функционалдық биомассасы мен биоактивті қосылыстарын алуға бағытталған зерттеулер белсенді жүргізілуде. Қазіргі уақытта «Фототрофты микроорганизмдердің биоактивті заттарының қант диабетіне әсер ету потенциалын зерттеу» тақырыбы бойынша жұмыстар орындалуда. Осы зерттеу аясында Балқаш көлінің тұзды бөлігінің альгофлорасы зерттеліп, фототрофты организмдердің таксономиялық құрамы анықталды және микробалдырлар мен цианобактериялардың сегіз аксеникалық дақылы бөлініп алынды. Морфологиялық, дақылдық, физиологиялық және өнімдік сипаттамалардың жиынтығы бойынша кейінгі биотехнологиялық зерттеулерге жоғары ақуызды Spirulina platensis ZBK-2 штаммы таңдалды. Бұл нәтиже коллекцияның биологиялық белсенді өнімдер алу үшін перспективалы дақылдарды іздеудегі функционалдық әлеуетін кеңейтеді.

Сонымен қатар коллекция негізінде табиғи пигменттер, жемдік және ауылшаруашылық биопрепараттары бағытындағы зерттеулер дамып келеді. Oscillatoria subbrevis CZS 2201 үшін миксоксантофилл алу тәсілдері, ал Desertifilum sp. IPPAS B-1214 үшін хлорофилл a алудың зертханалық регламенті әзірленді. Агробиотехнологиялық бағытта Nostoc sp. J-14 және Trichormus variabilis K-31 коллекциялық штаммдары тұздану жағдайында Oryza sativa өсімдігіне биостимуляциялық әсерді бағалауда пайдаланылды. Бұл жұмыстар дақылдарды сақтау мен бастапқы скринингтен оларды арнайы биотехнологиялық процестерде мақсатты пайдалануға көшу үрдісін көрсетеді.

Қазіргі уақытта коллекциялық қор АР23485416 (жетекшісі Б.К. Заядан), АР26101745 (жетекшісі Ф.К. Сарсекеева), АР23488028 (жетекшісі А.К. Садвакасова), АРAP23488308 (жетекшісі Н.Р. Акмуханова), АР23485836 (жетекшісі К. Болатхан), АР22685516 (жетекшісі С. Сандыбаева), №202ЕО1032 халықаралық жобасы (жетекшісі Б.К. Заядан), АР22788030 (жетекшісі М.О. Бауенова) және АР32521343 (жетекшісі Г.А. Ахметова) ғылыми-зерттеу жобаларын орындаудың ресурстық негізі болып табылады. Осы жобалар аясында коллекциялық және жаңадан бөлінетін штаммдарды пайдалану зерттеулердің сабақтастығын қамтамасыз етіп, дақылдардың шығу тегі мен биологиялық қасиеттерін олардың функционалдық бағасы және практикалық қолданылуымен байланыстыруға мүмкіндік береді.

Осылайша, ҚазҰУ микробалдырлар мен цианобактериялар коллекциясы бір мезгілде биоресурс, зерттеу инфрақұрылымы және ғылыми мектептің негізі ретінде дамып келеді. Орындалған диссертациялық және қолданбалы зерттеулердің сабақтастығы коллекциялық қордың штаммдардың статикалық жиынтығы емес, биоиндикация мен биоремедиацияны, аквакультураны, биоэнергетиканы, биоактивті заттар мен табиғи пигменттерді алуды және агробиотехнологиялық әзірлемелерді біріктіретін тұрақты дамып келе жатқан эксперименттік платформа екенін көрсетеді. Осы басылым осы сабақтастықты көрсетіп, әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінде фотобиотехнологияны одан әрі дамытуға негіз болатын дақылдар туралы жинақталған мәліметтерді жүйелейді.