Výzkumné úkoly

(Vendula Krynická – MBÚ)

Tlak na fototrofní buňku k hromadění velkého množství bioproduktů nevyhnutelně vede ke konfliktu při rozdělování živin, protože růst i produkce využívají stejné, limitující zdroje. Abychom tento problém vyřešili, přeprogramujeme sinici Synechocystis tak, aby byla přepínatelná na geneticky integrovaný program přežití. Po aktivaci tohoto programu buňky přesměrují metabolity uhlíku a dusíku (C/N), včetně aminokyselin a bilinů uložených ve světlosběrných anténách, do zásobních polymerů. Aby se zabránilo dalším investicím buněk do biomasy, bude růst v produkční fázi blokován. Základní prototyp Syn2Cell, zkonstruovaný v první fázi projektu, bude zdokonalen pomocí vysoce výkonných screeningových technik a také pokrokem v dalších úkolech projektu.

(Josef Komenda – MBÚ)

Program přežití, který se aktivuje u sinic v podmínkách nedostatku živin, způsobuje degradaci fotosyntetického aparátu. Vzhledem k tomu, že modifikovaný program přežívání bude využit v buňkách Syn2Cells (úkol 1.2) k přesměrování metabolitů do bioproduktů, je zásadní zlepšit stabilitu fotosyntetického aparátu během produkční fáze. Za tímto účelem identifikujeme rozhodující proteinové faktory, které kontrolují akumulaci a kontrolu kvality obou fotosystémů. Případné odstranění, modifikace nebo zvýšená akumulace těchto faktorů by měla vést k udržení aktivní fotosyntézy i po napodobení podmínek nedostatku dusíku. Současně využijeme strategii náhodné/cílené mutageneze a specifické selekce kolonií, které si udrží vysokou fotosyntetickou aktivitu i během podmínek živinového stresu. Výsledkem kombinace těchto dvou přístupů by měl být nakonec prototyp Syn2Cell s vysokou fotosyntetickou aktivitou v produkční fázi.

(Eva Kiss – MBÚ)

Tento úkol je zaměřený na otázku, jak fototrofní buňky regulují centrální metabolismus na posttranslační úrovni, aby usměrnily metabolické toky do zásobních látek, a jak katabolizují aminokyseliny a biliny uvolněné z obřích světlosběrných antén, fykobilisomů. Tyto procesy jsou většinou neznámé; dosavadní výsledky však naznačují, že klíčovou roli hraje striktní posttranslační kontrola enzymů zapojených do centrálních metabolických drah uhlíku a dusíku. Hlavním cílem je prozkoumat dynamiku enzymatických komplexů, která umožňuje metabolickou změnu od rychlého růstu k programu přežití. Identifikujeme regulační funkci interagujících proteinových faktorů, stejně jako význam oligomerizací a posttranslační modifikací centrálních enzymů a jejich proteinových partnerů. Získaný seznam proteinových faktorů a specifických modifikací enzymů bude využitý pro cílenou mutagenezi ke zlepšení vlastností systému Syn2Cell. Získané výsledky poskytnou také ucelený pohled na posttranslační regulaci hladin metabolitů, což je důležité pro překonání potenciálních k slabých míst v metabolismu Syn2Cell.

(Roman Kouřil – UPOL)

Nově nastavený metabolismus buněk Syn2Cell bude vyžadovat optimální regulaci redoxní a ATP homeostázy pro zajištění dostatku energie. Pro toto správné nastavení bude klíčová tvorba nových typů superkomplexů membránových proteinů, a s tím související reorganizace membránových mikrodomén. Za pomoci metod konfokální a elektronové mikroskopie budeme zkoumat strukturální reorganizaci tylakoidních membrán a proteinů fotosyntetického aparátu a díky tomu identifikujeme potenciální genetické cíle pro vyladění energetické homeostázy. Vyřešením tohoto úkolu tak získáme nezbytný soubor dat, který nám umožní upravit energetiku buňky sinic s ohledem na energetické potřeby buňky Syn2Cell.

(Meri Eichner – MBÚ)

V každém mililitru kultury mikrořas jsou miliony buněk. V posledních letech se ukazuje, že tyto kultury mohou vykazovat značnou heterogenitu mezi buňkami, což znamená, že produkce požadovaných sloučenin se u jednotlivých buněk velmi liší. Pro maximalizaci výnosů bioproduktů v kulturách Syn2Cell (úkol 1.2) je třeba: i) vyloučit buňky, které se nemanifestují požadovanou genetickou modifikaci (“revertanti” a “cheaters”), a ii) selektovat vzácné spontánní mutace s jedinečným fenotypem (“superbuňky”). Za tímto účelem vyvineme velmi výkonný screeningový a selekční přístup kombinující průtokovou cytometrii, třídění buněk a automatickou kultivaci a monitorování.

(Iva Mozgová – BC)

Zelené řasy jsou důležitým zdrojem biomasy pro výrobu biopaliv a krmiv. Řasy sdílejí většinu primárních metabolických drah s prokaryotickými sinicemi, naproti tomu růst, rozdělování biomolekul a buněčné dělení eukaryotických buněk vyžaduje další úroveň koordinace mezi genomy jádra a organel a mezi jejich produkty. To z řas činí dokonalý eukaryotický ekvivalent sinic – sdílejí fototrofii, ale překonávají omezení prokaryotického systému, jako jsou nerozpustnost biosyntetických produktů, problémy se skládáním proteinů, nebo absence některých posttranslačních modifikací. Vzhledem k vyšší složitosti a nedostatečně vyvinutým nástrojům syntetické biotechnologie, není v současné době možné zkonstruovat eukaryotický ekvivalent Syn2Cell. Úkol 1.7. se zaměřuje na pochopení toho, jak evoluční inovace u eukaryot ovlivňují metabolické přepínání mezi růstem a produkcí. Odhalí, jak epigenetické mechanismy přispívají k ustavení růstového a produkčního stavu a ke koordinaci exprese chloroplastového a jaderného genomu. Genetický screening identifikuje nové komponenty signalizace organel, které koordinují růst buněk a akumulaci zásobních látek. To poskytne základ pro aplikaci strategií pro zlepšení primární produkce u sinic na eukaryotické řasy a umožní cílené zlepšení produkční fáze u řas.