Лаборатория «Экология и эволюционная биология водных организмов»

Научные результаты:

1. Комплексное изучение биологического разнообразия отдельных массовых групп фито- и зообентоса открытых песчаных побережий и эстуарных зон Японского моря с целью установления пищевых связей в донных экосистемах, характеризующих роль отдельных трофических и таксономических групп гидробионтов в регуляции разложения органического вещества и потока энергии.
2. Разработаны и внедрены методы лабораторной диагностики состояния популяций промысловых морских беспозвоночных животных с целью выявления различных патологий как для внедрения экспресс-тестов в морских хозяйствах, так и для сохранения морского биоразнообразия. Изучены механизмы активации экспрессии генов факторов роста, что поможет решить проблему увеличения низкой пролиферативной активности клеток в условиях культуры клеток морских беспозвоночных животных – продуцентов минеральных структур. Разработаны и успешно использованы методы пробоподготовки тканей нематод для иммунохимического и иммуноцитохимического анализа.
3. Проведена оценка эффективности новых иммуностимулирующих комплексов (ТИ-комплексов на основе БАВ, полученных из морских гидробионтов) в качестве адъювантных носителей вирусных антигенов. Была показана их перспективность использования при разработке нановакцин нового поколения для вакцинации от эпидемических заболеваний. Также показана высокая противоопухолевая активность созданных ТИ-комплексов. Разработана новая технология криоконсервации морских гидробионтов при сверхнизких температурах, позволяющая значительно увеличить выход жизнеспособных клеток.
4. Организована и проведена научно-исследовательская экспедиция для исследования восстановительного потенциала прибрежных морских экосистем Камчатского полуострова после вредоносного цветения воды (ВЦВ) осенью 2020 года. Показано, что аквапочвы характеризуются песчаным гранулометрическим составом и низким содержанием органического вещества. По данным содержания кислоторастворимых форм тяжелых металлов и сравнении их с ОДК и ПДК, превышений выявлено не было за исключением аквапочв из бухты Лиственничная по мышьяку, где наблюдалось увеличение на 24% ОДК. Превышений кларковых содержаний по всем элементам не обнаружено. Радиационная обстановка исследуемой территории характеризуется как благополучная. Выявлены отдельные участки локального загрязнения органическим веществом в центре бухт Лиственичная и Вилючинская, бухты Малая Лагерная, бухты Спасения, район посёлка Озерновский. В соответствии с концентрациями фосфора прибрежно-морские воды полуострова Камчатка имеют мезотрофный статус. На литорали близ посёлка Озерновский на глубинах 5 м и более во всех остальных обследованных районах формируется мидийно-водорослевое сообщество со средней биомассой более 3000 г/м², в отличии от бухты Малая Лагерная, где на глубине 3 м на скалистом рифе обнаружено скопление шаровидных морских ежей и актиний с биомассой более 1000 г/м². Для всех остальных обследованных станций биомасса иглокожих составляла в среднем около 3 г/м² (0,1%). На основании данных общей численности микроорганизмов, поверхностные воды, омывающие полуостров Камчатка, можно отнести к 4-5 классам качества вод, характеризуя их как загрязнённые, локально грязные. По данным численности КГМ воды характеризуются как α-β-мезосапробные, обогащённые органическими соединениями. В достаточных количествах фиксируются бактерии санитарно-показательной группы, свидетельствующие о биологическом и фекальном загрязнении вод. Анализ численности микроорганизмов, растущих на средах с сырой нефтью, позволяет отнести воды большей части акватории к малозагрязнённым с локальными участками антропогенного пресса. Фенол-резистентные микроорганизмы, обнаруженные на всех исследуемых станциях в довольно высоких концентрациях, говорят об ощутимом и значительном загрязнении среды данным классом поллютантов. На побережье Камчатского полуострова обнаружено почти значимое загрязнение стойкими органическими загрязнителями (СОЗ). Несмотря на довольно обширный диапазон концентраций, опасных для окружающей среды уровней загрязнения не обнаружено. Регистрация на всех станциях хлорорганических пестицидов (ХОП) и полихлорированных бифенилов (ПХБ) указывает на влияние атмосферного переноса и существование глобального фона пестицидов планеты. Получен набор консервативных участков ДНК, характерных только для группы динофлагеллят, и дополнительно для токсичных видов динофлагеллят Дальневосточных морей России. Полученные локусы будут использованы для количественной оценки концентрации клеток динофлагеллят и токсичных видов динофлагеллят методом ПЦР в реальном времени и секвенирования следующего поколения, в том числе с использованием методов одноклеточного секвенирования.
5. Разработан программный пайплайн EXONtools для анализа данных экзонного секвенирования, главным образом нацеленный на исследования геномов немодельных морских организмов. EXONtools представляет собой набор из 25 программных модулей, выполняющих различные задачи для трёх очерёдных этапов экзонного секвенирования: 1) создание псевдореференса на основе de novo ассемблинга транскриптомов и его аннотации; 2) проектирование экзонных матриц для синтеза гибридизационных зондов с афинной биотиновой меткой; 3) сборка, аннотация и выравнивание экзонов для дальнейшего популяционного анализа нуклеотидных полиморфизмов и разнообразных геномных артефактов. По каждому отдельному модулю предложены оптимальные алгоритмы, реализованные на программном языке Python. Например, были разработаны алгоритмы для проектирования референсных участков генома на основе комбинации аннотированных транскриптомов («псевдореференс»), поиска экзонов и быстрого создания гибридизационных зондов для десятков тысяч локусов. По мере выполнения проекта пайплайн был также адаптирован для работы с UCE-данными и данными RAD-секвенирования, а также для выполнения простой референсной сборки в одном из своих модулей. Для апробации разработанного метода были синтезированы гибридизационные зонды для рыб отрядов Gobiiformes и Salmoniformes, которые в дальнейшем использовались для получения популяционных геномных данных на больших выборках особей. Также был проведен сравнительный in silico анализ эффективности пайплайна EXONtools на имеющихся аннотированных геномах модельных видов.

Внедрение результатов исследования:

Созданный пайплайн по анализу данных экзонного секвенирования может быть использован в геномных центрах, оказывающих услуги по поиску и аннотированию нуклеотидных полиморфизмов на платформах секвенирования нового поколения. Экспериментальный дизайн метода экзонного секвенирования подразумевает использование гибридизационных зондов (биотинилированных олигонуклеотидов) для получения кодирующих участков генома любого немодельного организма. Создание матриц гибридизационных зондов для любого немодельного организма и подбор оптимальных экспериментальных параметров для их гибридизации является одним из ключевых этапов работы программного пайплайна EXONtools.

Образование и переподготовка кадров:

• Подготовлены и защищены 1 докторская и 15 кандидатских диссертаций.
• С 2010 по 2018 гг. на базе лаборатории было реализовано 10 новых образовательных курсов по основному направлению научного исследования: «Региональные экологические проблемы», «Введение в биологию нейрона», «Морская экология», «Летняя учебно-полевая практика по оценке качества природных вод», «Проточная цитометрия как инструмент анализа клеточных популяций», «Сравнительная анатомия беспозвоночных», «Введение в морскую экологию», «Теория и методология научного исследования», «Введение в молекулярную экологию микроорганизмов», «Методы цитологических исследований».
• С 2020 года коллектив лаборатории подготовил и реализовал новые образовательные дисциплины, включая лекционные и практические занятия по дисциплинам «Популяционная биология», «Филогенетика», «Количественная генетика», «Молекулярная биология», «Транскриптомика» и «Сравнительная геномика».
• Для участников образовательного центра «Сириус» проведены несколько онлайн мастер-классов.
• Для обучающихся в АНО ВО «Университет «Сириус» в настоящий момент реализуется магистерская и аспирантская программы по направлению «Вычислительная биология и биоинформатика».
• В АНО ВО «Университет «Сириус» и ВШЭ в рамках реализации программ дополнительного профессионального образования «Основы биоинформатики и математической биологии», «Практическая Биоинформатика», «Современная Биоинформатика» были подготовлены и проведены образовательные модули по дисциплинам «Молекулярная биология», «Транскриптомика» и «Сравнительная геномика».

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Оборудование лаборатории входит в Центр коллективного пользования ДВФУ. В лаборатории представлен широкий спектр высокотехнологического оборудования для проведения исследований в области биологии.

Другие результаты:

Сотрудники лаборатории совместно с ДВО РАН приняли участие в крупных морских экспедициях: в Охотское (Курильская котловина) и Берингово (вулкан Пийпа) моря (SokhoBio, SoJaBio) в рамках международной научной программы CeDAMar (Census of the Diversity of Abyssal Marine Life); в район Курило-Камчатского желоба Северо-Западной Пацифики (KuramBio I и II). Во время экспедиций показана эффективность применения телеуправляемых подводных аппаратов (ТПА) в гидробиологических исследованиях и при оценке состояния морских биоресурсов. В результате исследования показано высокое биологическое разнообразие глубоководных районов Тихого океана, описано значительное количество новых для науки видов.

Сотрудничество:

Российско-Вьетнамский Тропический научно-исследовательский и технологический центр: осуществляется комплекс научно-исследовательских работ по теме «Разнообразие морских бентосных беспозвоночных гидробионтов в сообществах морских трав вдоль широтного градиента на примере отдельных таксонов макро- и мейофауны».