Проект принят, обсуждение закрыто.

Разработка информационно-технологического оснащения сервиса для микробиомного мониторинга в аквакультуре (4530)

Постановка задачи

Для достижения поставленной цели планируется решить следующие задачи:

1. Исследование микробиоты аквакультуры в условиях УЗВ и выявление наиболее значимых параметров для создания "паттернов нормальной микробиоты"

Задача будет решена с использованием метагеномного анализа и методов "классической" микробиологии. Систематизировать и корректно анализировать информацию о микробиоте наряду с другими параметрами аквакультуры позволит специализированная база данных, которая будет разработана в ходе реализации проекта.

Исследование микробиологического состава аквакультуры требует адаптации существующих подходов метагеномного анализа с учетом специфики объекта исследования. В том числе, требуется разработка методики отбора проб и выделения биоматериала (в т.ч. ДНК) из различных типов среды (в т.ч. воды в установках замкнутого водоснабжения, биофильтров и др.), которая обеспечит чувствительную детекцию и воспроизводимые результаты метагеномного анализа.

Наиболее вероятным выбором метода анализа станет 16S-метагеномное секвенирование бактериального сообщества. Этот метод хорошо изучен и легко может быть адаптирован для рутинного использования, что обеспечит быстроту внедрения и доступность теста на этапе коммерциализации. Исследовательской задачей является оптимизация метода для анализа микробиоты в аквакультуре: в соответствии со спецификой состава микробного сообщества аквакультуры должны быть выбраны соответствующие вариабельные участки гена 16S рРНК. Кроме того, должны быть разработаны походы одностадийной подготовки ДНК-библиотек (с использованием только одного раунда ПЦР), что необходимо для повышения надежности и удешевления тестирования.

Для решения этой задачи так же потребуется создание коллекции биологических образцов для анализа микробиома аквакультуры. Помимо сбора образцов, при формировании коллекции в различных аквакультурных хозяйствах, специализирующихся на выращивании осетровых с использованием УЗВ, будет собрана подробная сопутствующая информация: параметры эпизоотической ситуации, «здоровья» поголовья, азотный состав водной среды, а также собрана информация о характеристиках УЗВ, условиях культивирования, показателях прироста массы и проценте брака. Данная задача имеет большое значение, так как впервые в России будет собрана такая коллекция биоматериала, пригодная для исследования связи микробиологического состава среды и параметров продуктивности осетровых аквакультурного хозяйства.

На основе полученной коллекции планируется разработка базы данных микробиоты в аквакультуре, позволяющей хранить и анализировать информацию о рыбоводных характеристиках аквакультуры и параметрах микробиоты. В настоящее время нет данных о метагеномных исследованиях микробиоты аквакультуры в Российских хозяйствах, данные зарубежных исследований очень ограничены. Поэтому в ходе реализации проекта будет проведено исследование параметров микробиоты (особенностей состава, биоразнообразия, динамики отдельных компонентов и др.) в аквакультуре в зависимости от параметров эффективности хозяйства и продуктивности популяции аквакультуры. Исследование микробиоты будет проведено в отношении всех образцов собранной коллекции с использованием системы метагеномного анализа, разработанной в рамках проекта, а также методов «классической» микробиологии. Биоинформатический и статистический анализ полученных данных позволит составить «референсные» карты микробиоты осетровых в УЗВ, соответствующие разным состояниям аквакультуры в отношении здоровья поголовья и удельной продуктивности хозяйства. Таким, образом будут определены параметры и предельные значения характеристик «нормальной» микробиоты, что потенциально будет иметь большое значение для планирования мероприятий по оздоровлению популяций рыбы в аквакультурных хозяйствах и предотвращения эпизоотий.

2. Разработка аналитических инструментов для определения повышенного риска патологических изменений в популяции и/или снижения показателей продуктивности.

На базе специализированных биоинформатических пайплайнов для анализа микробиоты будут подобраны наиболее значимые параметры (например, биоразнообразие, содержание условно-патогенных или пробиотических микроорганизмов, и др.) для которых будет проведен многопараметрический анализ их корелляции/ассоциации с рыбоводными характеристиками и состоянием здоровья популяции. На основе этого анализа будет создан прогностический алгоритм и программное обеспечение (ПО).

3. Разработка методов снижения риска эпизоотий и повышения продуктивности УЗВ на основе анализа текущего состояния популяции и его прогноза.

Для разработки программы профилактических и коррекционных мероприятий будут использованы существующие международные рекомендации для оптимизации аквакультурных хозяйств, а также результаты можельных экспериментальных на опытном хозяйстве, где будут воспроизведены различные условия культивирования и исследовано влияние предлагаемых мероприятий.

Ожидаемый эффект

Планируется получить следующие результаты работ:

1. Оптимизированная система метагеномного анализа микробиоты, обеспечивающая максимальную информативность для объектов аквакультуры при низкой стоимости анализа и простоте использования.

2. База данных микробиоты в аквакультуре, позволяющая не только хранить информацию о проанализированных образцах, технологических особенностях культивирования и др., но также анализировать ассоциации между характеристиками микробиоты и рыбоводными характеристиками, и состоянием здоровья популяции.

3. Аналитический алгоритм оценки параметров микробиоты в аквакультуре для выявления повышенного риска заболевания рыбы и предотвращения эпизоотий.

4. Комплекс профилактических мероприятий для снижения риска эпизоотий и повышения продуктивности аквакультуры, планирование которого осуществляется на основе параметров микробиоты. 

Экономический эффект от внедрения результатов

1. Снижение потерь от эпизоотий

Ущерб ПАО «Русская Аквакультура» от эпизоотии в 2015 году превысил 343 млн.руб.

2. Повышение производительности аквакультурных хозяйств

Хронические бактериальные инфекции и ослабление иммунитета – основные причины низких показателей выживаемости и набора веса. Биологический мониторинг позволит своевременно принимать профилактические меры и влиять на показатели продуктивности.

3. Улучшение инвестиционного климата и импортозамещение

Важным фактором развития аквакультурной индустрии является управление рисками со стороны инвесторов и производителей. Этого можно достичь за счет внедрения системы биологического контроля и рационального планирования профилактических мероприятий. 

Публикации

Геномные исследования рыб.

  1. •High-throughput SNP-genotyping analysis of the relationships among Ponto-Caspian sturgeon species.Rastorguev SM, et al. Ecol Evol. 2013. 3(8):2612-8.(IF = 2,32)
  2. •Gene-associated markers provide tools for tackling illegal fishing and false eco-certification. Nielsen EE et al.Nature Communications. 2012. 22;3:851.(IF =11,47)
  3. •Complete mitochondrial DNA sequence analysis of Ponto-Caspian sturgeon species. S. Rastorguev, N. Mugue, A. Volkov andV. Barmintsev. Journal of Applied Ichthyology. 2008. 24, pp 46–49 (IF =0,87)
  4. •Fast evolution from precast bricks: genomics of young freshwater populations of threespine stickleback Gasterosteus aculeatus. Terekhanova NV, et al.PLoS Genetics, 2014. DOI: 10.1371/journal.pgen.1004696(IF =8.17)

Исследование микрофлоры кишечника рыб:

  1. •1. Анализ люминесцирующей микрофлоры кишечника рыб студёных морей: Белого, Берингова и Охотского. М.Н. Коноплёва, и др. Труды ВНИРО, 2015. Т.157.
  2. •2. Comparative analysis of the lux operons in Aliivibrio logei KCh1 (a Kamchatka Isolate) and Aliivibrio salmonicida.Manukhov IV, et al. J Bacteriol. 2011 Aug;193(15):3998-4001. (IF =3.94)
  3. •3. The N-terminal domain of Aliivibrio fischeri LuxR is a target of the GroEL chaperonin.Manukhov IV, et al.J Bacteriol. 2010 Oct;192(20):5549-51. (IF = 3.94)

Использование результатов исследования микрофлоры кишечника рыб для конструирования lux-биосенсоров:

  1. •1. Gene-specific silencing by expression of parallel complementary RNA in Escherichia coli. Сhurikov NA, et al. J Biol Chem. 2000 Aug 25;275(34):26523-9. (IF = 4.6)
  2. •2. Folding and refolding of thermolabile and thermostable bacterial luciferases: the role of DnaKJ heat-shock proteins. Manukhov IV, et al. FEBS Lett. 1999 Apr 9;448(2-3):265-8 (IF =4.6)
  3. •3. Action of 1,1-dimethylhydrazine on bacterial cells is determined by hydrogen peroxide.Zavilgelsky GB, Kotova VY, Manukhov IV. Mutat Res. 2007 Dec 1;634(1-2):172-6.(IF =2.4

Кто может участвовать в конкурсе?

МФТИ

ВНИИЗЖ

ФИЦ ФОБ РАН

В составе консорциума:

ФГБНУ «ВНИРО», ФГБНУ ВНИИПРХ, ФГУП «ГосНИИгенетика», МГУ им.Ломоносова, ФГБНУ ИБМХ

Дополнительные материалы

Внедрение разработанных метагеномных тестов будет облегчено тем, что они интегрированы в состав комплексного решения для обеспечения биобезопасности на предприятиях аквакультуры. Коммерциализация будет осуществляться путем оказания услуг по разработке индивидуальных проектов систем биобезопасности и биологического мониторинга и проведения регулярного анализа проб, полученных из аквакультурных хозяйств. Учитывая масштабы ущерба, который могут причинить эпизоотии и потенциал увеличения продуктивности аквакльтуры (согласно Госпрограмме «Развитие рыбохозяйственного комплекса» к 2020г до 410 тыс.т., в том числе до 55 тыс.т за счет индустриального рыбоводства, к которым относятся УЗВ), можно рассчитывать на объем потребления таких услуг на уровне 100 млн. в год. При этом, в 2018 г. продажи могут составить около 10 млн. руб. за счет привлечения одного крупного хозяйства, а к 2020г. объем продаж должен увеличиться в 5 раз – до 50 млн. руб.

Потенциальные индустриальные партнеры проекта – это организации, заинтересованные в создании и/или масштабировании бизнеса аквакульутрного производства. Среди них следует отметить несколько наиболее заинтересованных компаний:

- ООО «Российские аквакультурные лаборатории» - компания, являющаяся инициатором настоящего проекта, основанная председателем совета директоров ГК «Агама» (одного из крупнейших отечественных предприятий рыбопереработки) для развития и внедрения инновационных технологий в аквакультурной промышленности.

- ГК «Балтийский берег» - один из лидеров отечественного производства лосося с долей рынка около 25% с мощностью производства до 30 000 т в год. Осенью 2015г. компания понесла огромные убытки из-за массовой гибели лосося от миксобактериоза именно по причине несовершенства систем биобезопасности и биологического мониторинга (http://www.vedomosti.ru/business/articles/2015/11/05/615583-baltiiskii-bereg-russkii-losos-initsiiruyut-sobstvennoe-bankrotstvo).

- ООО Ростовский НИИ Биотехнологии – создан с целью внедрения современных биотехнологических разработок на предприятиях агропромышленного комплекса юга России. Является разработчиком пробиотических препаратов для аквакультуры.

-ООО «ИБМХ-ЭкоБиоТех» - создан в соответствии ФЗ-217 при ФГБНУ ИБМХ в целях практического применения (внедрения) результатов интеллектуальной деятельности в области естественных и технических наук,а также иного применимого законодательства и с 2013г осуществляет мероприятия по искусственному воспроизводству молоди ценных видов рыб в целях компенсации ущерба, наносимого водным биоресурсам и среде их обитания в результате хозяйственной деятельности.

Инициатор

МФТИ