Программа повышения квалификации
Редактирование генома микроорганизмов для биотехнологии
Интенсивная лекционная неделя по ключевым методам генной инженерии бактерий и дрожжей: от клонирования и ПЦР до CRISPR и метаболической инженерии. Участие для слушателей бесплатное.
НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ
Для кого
Для специалистов с высшим образованием (бакалавр, магистр, специалист) в биологии, биотехнологии, микробиологии, медицине, химии и смежных направлениях.
О программе
Цель программы - дать обучающимся подробную информацию по современным методам генного и геномного редактирования микроорганизмов, применяемых в биотехнологии. Слушатели познакомятся с основными видами биотехнологических продуцентов — бактериями, дрожжами, грибами, микроводорослями и археями, а также с их преимуществами и недостатками этих микроорганизмов для получения белков, метаболитов и других ценных соединений. Рассматриваются успешные кейсы применения геномного редактирования в биотехнологической промышленности.
Часть программы посвящена устройству микробных геномов, основам молекулярной биологии, механизмам репликации, транскрипции, трансляции, а также естественным процессам горизонтального переноса генов. Это поможет понять, как были разработаны современные инструменты генной инженерии.
В программе будут подробно разобраны базовые методы генной инженерии: работа с ферментами (рестриктазы, лигазы, полимеразы), молекулярное клонирование с использованием плазмидных векторов, полимеразная цепная реакция (включая её разновидности), методы мутагенеза, синтеза генов и экспрессии белков; инструменты генной инженерии бактерий, включая подготовку компетентных клеток, трансформацию, отбор колоний, создание и использование ДНК-библиотек, а также сравнительный анализ традиционного и модульного клонирования (например, GoldenGate).
Отдельный раздел посвящён методам редактирования дрожжевых геномов. Он охватывает трансформацию Saccharomyces cerevisiae, использование гомологичной рекомбинации, системы CRISPR/Cas9 и Cas12, а также подходы к инженерии нетрадиционных дрожжей, таких как Pichia pastoris, Yarrowia lipolytica и другие.
Финальный раздел программы посвящен вопросам получения и оптимизации микробных продуцентов, масштабируемости процессов, применению directed evolution и скринингу библиотек. Также обсуждаются стандартизация штаммов, работа с коллекциями культур и правовые аспекты использования ГМО.
По итогам программы выдается сертификат о повышении квалификации от МГУ им. М.В. Ломоносова.
Обучение по программе бесплатное, однако проживание и проезд слушатели оплачивают самостоятельно.
Обязательным условием участия в программе является оконченное высшее образование.
Результаты обучения
- Знания о биологическом разнообразии микроорганизмов, применяемых в биотехнологии, понимание критериев выбора систем-продуцентов для синтеза белков, метаболитов, ферментов или других ценных продуктов.
- Знания о современных методах генной инженерии: молекулярном клонировании, ПЦР, мутагенезе, трансформации, работе с векторами и ферментами, методах редактирования генома, включая CRISPR/Cas. Понимание принципов создания рекомбинантных конструкций, подходов к работе с ДНК-библиотеками.
- Углубленные знания о методах генетической модификации бактерий и дрожжей (как модельных, так и промышленных), о возможностях повышения продуктивности и устойчивости штаммов, а также о специфике генной инженерии для различных видов микроорганизмов.
- Понимание теории масштабирования биотехнологических процессов, подходов к стандартизации и сертификации штаммов, а также основ нормативного регулирования работы с ГМО в России и за рубежом.
- Навыки разработки стратегии получения желаемой генно-инженерной модификации в микроорганизмах, анализа результатов работ по геномному редактированию и выбора путей решения возникающих в ходе таких работ сложностей.
- Умение выбрать оптимальный микроорганизм для решения конкретной биотехнологической задачи, оценивать связанные с решением этой задачи трудовые и финансовые затраты.
Учебный план (18 лекций по 2 академических часа)
Разделы и часы
- Введение: микроорганизмы в биотехнологии — 4 ч
- Виды биотехнологических микроорганизмов — 8 ч
- Молекулярные основы геномного редактирования микроорганизмов — 8 ч
- Методы генной инженерии: бактерии — 24 ч
- Методы генной инженерии: дрожжи — 12 ч
- Применение методов генной инженерии для создания биотехнологических штаммов-продуцентов — 12 ч
Ключевые темы
- Промышленно важные микроорганизмы; критерии выбора систем-хозяев.
- Геномная организация и основы молекулярной биологии микробов — репликация, транскрипция, трансляция, регуляция экспрессии генов
- Горизонтальный перенос генов и его роль в генной инженерии — трансформация, конъюгация, трансдукция.
- Инструменты генной инженерии — рестриктазы, лигазы, полимеразы, векторы, ферменты для манипуляций с ДНК.
- Методы клонирования — векторные системы, подготовка вставок, лигирование, трансформация, отбор.
- Полимеразная цепная реакция и её применения — классическая ПЦР, RT-ПЦР, количественная ПЦР.
- Создание и использование ДНК-библиотек, directed evolution, функциональный скрининг.
- Оптимизация продуцентов, метаболическая инженерия, масштабирование, сертификация, правовые аспекты использования ГМО.
Подробный учебно‑тематический план
- 1.1 Виды промышленно важных микроорганизмов Бактерии, грибы, дрожжи, микроводоросли, археи. Преимущества и недостатки различных организмов для биотехнологии. Обоснование выбора систем-«хозяев» для производства белков, метаболитов и др. Потенциал генной инженерии: улучшение продуктивности, устойчивости, специфичности. Краткие кейсы успешного применения геномного редактирования в промышленности.
- 2.1 Основные бактериальные продуценты в биотехнологии Escherichia coli: модельный организм, экспрессия гетерологичных белков, быстрое деление, недостатки (эндотоксины, отсутствие посттрансляционных модификаций). Bacillus subtilis: секреция белков, GRAS-статус, применение в производстве ферментов и биоинсектицидов. Corynebacterium glutamicum: производство аминокислот (глутамата, лизина), устойчивость к стрессам, метаболическая инженерия. Сравнение их генетических систем, доступных векторов и трансформации. Примеры коммерческого использования.
- 2.2 Дрожжи, грибы и альтернативные микроорганизмы. Saccharomyces cerevisiae: хлебопекарные и промышленные штаммы, производство биоэтанола, стероидов, ароматов. Гаплоидность, удобство генной инженерии. Pichia pastoris: продукция ферментов, система AOX1, высокая плотность культуры, гликозилирование. Aspergillus niger: продуцент органических кислот и ферментов, особенности генетической модификации. Краткий обзор альтернативных продуцентов: Chlorella vulgaris, Spirulina platensis — производство БАДов, биомассы, биотоплива; Археи (Halobacterium, Methanococcus) — ферменты экстремофилов, нишевые применения. Проблемы культивирования и генетической модификации у нетрадиционных систем.
- 3.1 Строение геномов микроорганизмов и молекулярный аппарат копирования и реализации генетической информации. Репликация, транскрипция, трансляция: основные процессы молекулярной биологии. Обзор молекулярных механизмов, обеспечивающих передачу и реализацию генетической информации у прокариот. Строение ДНК, механизмы репликации (репликон, ведущая и отстающая цепи, ферменты). Принципы транскрипции и трансляции у бактерий. Регуляция генов (опероны, регуляторные белки, репрессия/активация транскрипции). Эти процессы как основа генной модификации и экспрессии рекомбинантных конструкций.
- 3.2 Рекомбинация и горизонтальный перенос генетического материала у микроорганизмов Гомологичная и сайт-специфическая рекомбинация, их биологическое значение. Горизонтальный перенос генов: – трансформация (естественная и искусственная), – конъюгация (плазмиды, F-фактор, конъюгативные элементы), – трансдукция (общая и специализированная, роль фагов). Эти механизмы как естественная платформа для переноса чужеродной ДНК и основа разработки инструментов генной инженерии.
- 4.1 Основы работы с биомолекулами. Ферменты, используемые в генной инженерии Обзор типов биомолекул. Основные ферменты: рестриктазы (типы I–IV, изошизомеры, гетерошизомеры, «звездная» активность), ДНК-лигазы, полимераза I и фрагмент Кленова, фосфатазы, киназы, экзо- и эндонуклеазы. Роль ферментов в создании рекомбинантных конструкций.
- 4.2 Основы молекулярного клонирования. Векторы. Этапы работы Структура и типы плазмидных векторов: элементы (ori, маркеры, MCS, промоторы). Виды векторов для клонирования и экспрессии. Этапы молекулярного клонирования: выбор вектора, подготовка вставки, лигирование, трансформация, отбор.
- 4.3 Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и её разновидности Принцип ПЦР, компоненты (дНТФ, буфер, праймеры, полимераза), выбор условий. Правила дизайна праймеров. RT-PCR (обратная транскрипция), qPCR — сравнение методов, применение для анализа экспрессии и обнаружения ГМО.
- 4.4 Методы клонирования в бактериях Подготовка компетентных клеток. Химическая трансформация и электропорация. Скрининг колоний (синие/белые, PCR-скрининг). Сравнение традиционного молекулярного клонирования и GoldenGate-метода (использование Type IIS рестриктаз и модульность).
- 4.5 Создание и применение библиотек ДНК Геномные библиотеки и библиотеки кДНК. Стратегии создания и хранения. Библиотеки случайных последовательностей. Использование в directed evolution, функциональном скрининге, поиске новых ферментов и регуляторов.
- 4.6 Мутагенез и синтез генов. Получение рекомбинантных белков Методы направленного и случайного мутагенеза. Сайт-направленный мутагенез с помощью ПЦР. Синтез генов, сборочная ПЦР. Системы экспрессии белков в E. coli, экспрессионные векторы, условия индуцированной экспрессии, транскипция и трансляция in vitro.
- 5.1 Генная инженерия Saccharomyces cerevisiae: основы Обзор биологии S. cerevisiae как модельной системы: гаплоидные и диплоидные штаммы, их использование в исследованиях и биотехнологии. Методы трансформации дрожжей (литий-ацетатный, электропорация). Используемые плазмиды: реплицирующиеся и интегрирующие. Основы гомологичной рекомбинации в дрожжах как инструмент встраивания и удаления генов.
- 5.2 Методы редактирования генома Saccharomyces cerevisiae Системы CRISPR/Cas9 и Cas12 в S. cerevisiae: доставка компонентов, дизайн gRNA, механизмы репарации ДНК. Использование мультиплексного редактирования. Регуляция экспрессии (индуцируемые и конститутивные промоторы, таги деградации). Примеры инженерии продуктивности, устойчивости к стрессам и селективных метаболических путей.
- 5.3 Разнообразие дрожжей-продуцентов и специфические подходы к их модификации Особенности генной инженерии промышленных дрожжей: – Pichia pastoris (интеграция в геном, AOX1-промотор), – Kluyveromyces lactis, Yarrowia lipolytica, Candida utilis и др. Сравнение систем трансформации, экспрессии и доступных инструментов. Преимущества и ограничения нетрадиционных дрожжей как продуцентов белков, липидов, ароматизаторов, биотоплива.
- 6.1 Подходы к получению микробных продуцентов белков и низкомолекулярных соединений. Характеристики целевого продукта: выход, чистота, активность. Оптимизация выхода целевого продукта: метаболическая инженерия в сочетании с подбором условий культивирования). Основы масштабируемости: переход от колбы к биореактору.
- 6.2 Использование высокопроизводительных методов для получения продуцентов с улучшенными свойствами. Массовый скрининг штаммов и продуктов. Работа с библиотеками мутантных вариантов для белковой инженерии. Направленная эволюция микробных штаммов.
- 6.3 Стандартизация и сертификация штаммов. Работа с банками микробных культур. Проверка стабильности штаммов и продуктов. Государственное регулирование использования ГМО в России и мире. Правовые основы работы с генетически модифицированными микроорганизмами.
Формат обучения и аттестация
Формат
Очное обучение: лекции, самостоятельная работа.
Аттестация
Дифференцированный зачёт (устное собеседование) по ключевым разделам программы.
Преподаватели
Борис Александрович Фенюк
Доктор биологических наук, заместитель директора по науке НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского МГУ; профессор ФББ МГУ. Область интересов: микробиология, биоэнергетика микроорганизмов.
Роман Алексеевич Зиновкин
Кандидат биологических наук, заведующий лабораторией НИИ ФХБ МГУ. Специалист в области молекулярной биологии, генной инженерии и вирусологии.
Анна Сергеевна Лапашина
Кандидат биологических наук, научный сотрудник НИИ ФХБ МГУ. Занимается молекулярной биохимией и методами генной инженерии микробов.
Дмитрий Алексеевич Кнорре
Кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник НИИ ФХБ МГУ. Специалист в области геномного редактирования дрожжей.
Подача заявки
Количество мест на программе ограниченно. Заявки собираются до 13 сентября включительно, решение о приеме на программу принимается до 15 сентября. Подача заявки не гарантирует места на программе. В случае большого количества заявок запись на программу может быть окончена досрочно.
Для записи на программу заполните форму ниже (или напишите на dopobr@belozersky.msu.ru, и мы свяжемся с вами).
Обязательные поля помечены звездочкой.