«Небольшие биологические фабрики»: ученый РУДН Никита Митькин — о первых результатах исследования по «настройке» личинок на переработку разных видов отходов

«Речь идёт о заметной перестройке микробиома»

Каковы первые результаты вашего исследования?

Напомню, наш проект посвящён исследованию микробиома личинок чёрной львинки — небольшого насекомого, которое сегодня всё активнее используется для переработки органических отходов. Эта технология уже существует: личинки способны питаться различными органическими остатками и превращать их в собственную биомассу, богатую белком и жиром. Однако эффективность этого процесса сильно зависит от того, чем именно питаются насекомые.

Например, на одних субстратах личинки растут очень быстро, а на других, особенно богатых растительными волокнами, их развитие замедляется, и значительная часть органики остаётся непереработанной. Мы предположили, что одна из причин заключается в составе микроорганизмов, населяющих кишечник личинок. Именно бактерии помогают расщеплять сложные органические соединения.

И сейчас мы установили, что при изменении условий питания состав микроорганизмов в кишечнике личинок чёрной львинки существенно перестраивается. Среди бактерий, увеличивающих свою представленность, выявлены микроорганизмы с потенциальной способностью участвовать в переработке растительных компонентов.

Причём речь идёт не просто о небольших колебаниях численности отдельных бактерий, а о заметной перестройке микробиома, когда одни группы микроорганизмов становятся более распространёнными, а другие теряют свои первоначальные позиции.

О чем говорит такой результат?

Он показывает, насколько динамичной является эта система. Микробиом личинок нельзя рассматривать как нечто постоянное: он способен перестраиваться при изменении доступного питания. Особенно интересно, что среди микроорганизмов, увеличивающих свою представленность, мы обнаружили бактерии с потенциальными возможностями участия в переработке растительных компонентов. Однако наличие таких бактерий ещё не доказывает, что именно они обеспечивают улучшение пищеварения, — это предстоит проверить в дальнейших экспериментах.

Пока мы не заявляем о конкретном процентном увеличении эффективности биоконверсии за счёт наших пробиотических добавок. Этот этап исследований ещё впереди. Но мы получили важное подтверждение того, что состав микробиома реагирует на изменение субстрата.

Теперь наша задача — установить, какие именно изменения являются функционально полезными и можно ли воспроизвести их целенаправленно. Мы будем выяснять, какие из этих изменений действительно помогают насекомым усваивать сложное органическое сырьё и можно ли использовать полученные знания для повышения эффективности биоконверсии.

Какова практическая задача исследования?

Мы хотим разобраться, какие микроорганизмы отвечают за переработку разных типов органики и можно ли целенаправленно изменять состав микробиома, чтобы повысить эффективность этого процесса.

В исследовании меня особенно привлекает сочетание фундаментальной науки и вполне конкретной практической задачи. С одной стороны, мы изучаем сложные взаимоотношения между микроорганизмами и организмом насекомого. С другой — полученные знания потенциально позволят создавать технологии, которые помогут сельскохозяйственным предприятиям сокращать количество отходов и производить полезное кормовое сырьё.

У нашего индустриального партнёра, крупного участника АПК России, есть практический интерес к переработке различных органических остатков собственных производств. Поэтому мы ориентируемся не на абстрактные лабораторные модели, а на реальные задачи агропромышленного комплекса.

«Хотим перейти от наблюдения за этим процессом к возможности управлять им»

Почему для исследования выбрали именно личинок мухи чёрная львинка?

Чёрная львинка — Hermetia illucens — очень интересный с биологической и технологической точки зрения вид. Её личинки обладают высокой скоростью роста, способны использовать широкий спектр органических субстратов и за сравнительно короткий жизненный цикл накапливать значительное количество белка и жира.

По сути, это небольшие биологические фабрики. Мы подаём на вход органическое сырьё, которое в традиционной модели хозяйствования часто рассматривается как отходы, а на выходе получаем биомассу, пригодную для дальнейшей переработки в кормовые ингредиенты при соблюдении соответствующих требований безопасности. Для нас наиболее интересна способность личинок адаптироваться к разным источникам питания. Причём адаптируется не только сам организм насекомого, но и сообщество микроорганизмов в его кишечнике. Мы хотим научиться использовать именно эту особенность, чтобы сделать переработку сложных субстратов более эффективной.

Ещё одно преимущество этого вида — возможность выращивать личинок в контролируемых условиях с высокой плотностью посадки. Поэтому технология хорошо подходит для промышленного масштабирования.

Для бизнеса важно, чтобы предлагаемая технология была не только эффективной в лаборатории, но и экономически оправданной, воспроизводимой и достаточно простой для внедрения. Например, если мы найдём микроорганизм, который заметно улучшает переработку субстрата, но для его выращивания потребуются очень дорогие питательные среды или сложное оборудование, промышленная ценность такого решения может оказаться ограниченной.

Какие органические отходы предприятий АПК потенциально могут перерабатываться с помощью этой технологии?

В первую очередь речь идёт об отходах сельскохозяйственного и пищевого производства. Это могут быть различные растительные остатки, побочные продукты переработки зерновых культур, отходы овощного производства, а также отдельные категории отходов животноводства и пищевой промышленности.

В нашем проекте особое внимание уделяется сложным субстратам, которые содержат большое количество трудноперевариваемых компонентов. Например, растительным отходам с высоким содержанием клетчатки. Также мы рассматриваем куриный помёт и отдельные виды отходов мясопереработки, хотя возможность их промышленного использования требует отдельной оценки санитарной безопасности и нормативных ограничений.

Но на относительно питательных и легкоусвояемых отходах личинки и так могут демонстрировать хорошие показатели роста. Гораздо более сложная научная задача — научиться эффективно перерабатывать сырьё, которое изначально для них не является оптимальным. Мы хотим добиться, чтобы личинки могли эффективно использовать даже относительно бедные или трудноперевариваемые субстраты, сохраняя при этом хорошие показатели роста и качества получаемой биомассы.

В перспективе хотелось бы прийти к тому, чтобы для каждого типа сырья можно было подобрать наиболее подходящую комбинацию микроорганизмов, которая поможет личинкам эффективнее его перерабатывать.

Почему изменение состава микробиома может повысить эффективность переработки отходов?

Микробиом можно представить как экосистему микроорганизмов внутри пищеварительной системы насекомого. Это своего рода дополнительный биохимический аппарат, помогающий личинке извлекать питательные вещества из пищи.

Многие органические отходы содержат сложные соединения, например целлюлозу и гемицеллюлозу. Это основные компоненты растительных клеточных стенок, и для их разрушения необходимы определенные ферменты. Некоторые бактерии способны производить такие ферменты и тем самым участвовать в переработке труднодоступных питательных веществ.

При этом разные микроорганизмы обладают разными возможностями. Одни хорошо расщепляют растительные волокна, другие участвуют в переработке белков или более простых органических соединений. Поэтому состав микробиома может существенно влиять на то, насколько эффективно личинка использует конкретный кормовой субстрат.

Мы хотим перейти от наблюдения за этим процессом к возможности управлять им. Если мы знаем, каких микроорганизмов или ферментов не хватает для переработки определённого вида отходов, теоретически можно восполнить этот дефицит с помощью специально подобранных бактериальных культур.

«Есть понимание того, как перейти от изучения микробиома к практической технологии»

Как именно проходит исследование микробиома личинок в вашей лаборатории?

Основной инструмент нашего исследования — метагеномное секвенирование. Эта технология позволяет изучать генетический материал всех микроорганизмов в образце без необходимости предварительно выращивать каждый из них в лаборатории.

Сначала мы выращиваем личинок на разных типах субстратов, после чего отбираем образцы микробиома. Затем выделяем из них ДНК и проводим высокопроизводительное секвенирование. В результате получаем огромный массив генетических данных, который позволяет определить, какие бактерии присутствуют в исследуемом сообществе и какими генами они обладают.

Но просто составить список микроорганизмов недостаточно. Необходимо выяснить их функциональный потенциал: какие биохимические реакции они способны осуществлять. Для этого мы используем биоинформатические инструменты и специализированные базы данных, позволяющие идентифицировать гены ферментов и реконструировать метаболические пути.

Отдельное направление — применение алгоритмов машинного обучения. Мы планируем использовать их для поиска закономерностей между составом микробиома, типом кормового субстрата и эффективностью его переработки.

Следующий этап — экспериментальная проверка. Перспективные микроорганизмы необходимо выделить в чистую культуру, оценить их ферментативную активность, а затем проверить, действительно ли их добавление в корм улучшает показатели выращивания личинок.

Таким образом, мы объединяем генетику, микробиологию, биоинформатику и прикладные исследования. Это позволяет двигаться от анализа генов к пониманию биологических механизмов и, в перспективе, к конкретному технологическому продукту.

Какие именно изменения в составе микробиома вы стремитесь получить?

Важно сформировать такое микробное сообщество, которое будет наиболее эффективно работать с конкретным типом органического сырья. Допустим, мы выращиваем личинок на субстрате с высоким содержанием клетчатки. В этом случае нам интересны бактерии, способные вырабатывать целлюлазы и гемицеллюлазы — ферменты, расщепляющие сложные растительные полисахариды на более простые соединения. Если таких микроорганизмов недостаточно, часть питательных веществ остаётся недоступной.

Поэтому мы ищем бактерии, обладающие нужным набором ферментов, и изучаем возможность их использования в качестве пробиотических добавок. При этом речь необязательно идёт об одном штамме. Возможно, наиболее эффективным окажется сочетание нескольких микроорганизмов, которые дополняют друг друга. В идеале такая коррекция микробиома должна приводить к двум результатам: более глубокой переработке органического субстрата и более эффективному накоплению биомассы личинок.

Насколько разработка близка к практическому внедрению?

Мы находимся на этапе исследования, поэтому говорить о готовом промышленном продукте преждевременно. Но у нас есть достаточно чёткое понимание того, как перейти от фундаментального изучения микробиома к практической технологии.

Первый этап — определение микроорганизмов и ферментных систем, которые потенциально обеспечивают наиболее эффективную переработку разных типов органического сырья. Для этого мы используем метагеномный анализ и биоинформатические методы.

Затем необходимо выделить перспективные бактериальные штаммы, исследовать их свойства и проверить ферментативную активность. После этого можно будет переходить к экспериментам с добавлением отобранных микроорганизмов в кормовой субстрат и оценивать, насколько это влияет на рост личинок и эффективность биоконверсии.

Следующая задача — разработать технологию культивирования перспективных штаммов в достаточных количествах, проверить их безопасность и воспроизводимость эффекта в условиях, приближенных к промышленным.

В конечном счёте мы хотим создать не просто универсальную пробиотическую добавку, а подход, позволяющий подбирать микробные препараты под конкретный тип органического сырья.

Проект рассчитан на три года, и к его завершению мы планируем получить экспериментально подтверждённые решения и рекомендации, которые можно будет использовать как основу для дальнейшего промышленного внедрения.

В ближайшие этапы проекта входят выделение перспективных бактериальных штаммов, проверка их ферментативной активности и безопасности, а также испытания в условиях, приближенных к промышленным.