Biološka i kemijska raznolikost

Voditelji: prof.dr.sc. Igor Jerković and dr.sc. Dušica Vujaklija

Ciljevi, ideje i značaj

Zahvaljujući mnogim jedinstvenim prirodnim osobinama, Jadransko more kao i kraške podzemne niše i anhijalne špilje obiluju endemskom florom i faunom. Očekuje se da ove globalno značajne i specifične ekološke niše s još neistraženim bioraznolikim organizmima budu i dobar izvor genomske ili genske varijabilnosti koja bi se mogla iskoristiti za biosintezu novih prirodnih produkata od biotehnološkog značaja. U Hrvatskoj je provedeno vrlo malo istraživanja i analiza morskih organizama na molekularnoj razini. Osim navedenih nedostatnih istraživanja treba istaknuti kako bi od posebnog značaja bila i istraživanja simbiotskih i pridruženih mikroorganizama endemskih vrsta. Također treba naglasiti da je suradnja u istraživanju mikrobnih zajednica na metagenomskoj razini s priznatim znanstvenim EU grupama već je u tijeku na Institutu „Ruđer Bošković“ i Fakultetu za prehrambenu tehnologiju i biothnologiju.
U skladu s navedenim podacima, ova ekspertna skupina predlaže selekciju organizama iz specifičnih te različitim vrstama obogaćenih ekoloških niša iz morskih područja duž Jadranske obale s ciljem istraživanja bioraznolikosti i ispitivanja potencijala za proizvodnju novih prirodnih produkata.

Znanstvena osnova

Ovaj prijedlog istraživanja temelji se na ekstremno visokoj bioraznolikosti u Jadranskom moru, a koja nije dovoljno istražena. U zadnjih deset godina objavljuje se sve više znanstvenih radova koji opisuju biotehnološki potencijal morskih organizama. Štoviše, osnovane su i brojne ekspertne grupe na različitim znanstvenim institucijama s ciljem otkrivanja genomskog potencijala morskih organizama te iskorištavanja morskih prirodnih produkata. Nasuprot tome, predloženi Centar bio bi jedinstven u cijeloj regiji.

Znanstvena kompetencija

Ekspertnu grupu čine voditelji pojedinih područja s odličnim poznavanjem molekularnih i biokemijskih tehnika i bioinformatičkih analiza (dodatno: dr.sc. D. Vujaklija, voditelj grupe ima specifična znanja iz molekularne mikrobiologije s fokusom na aktinobakterije; dr.sc. H. Ćetković iz molekularne biologije morskih organizama s fokusom na spužve; dr.sc. A. Mikoč, znanje u rukovanju različitim streptomicetima i spužvama, dr.sc. B. Bruvo Mađarić znanja iz filogenetičkih, filogenomskih i filogeografijskih analiza, dr.sc. K. Zahradka znanja molekularne genetike ekstremofila i dr. sc. N. Cukrov znanja geokemijskih analitičkih metoda i profesionalni ronioc. Utemeljit će se multidisciplinarna grupa pod vodstvom dr D. Vujaklija sa znanstvenicima koji imaju ekspertizu iz različith područja relevantnih znanosti kao što su biologija mora, molekularna biologija, mikrobiologija, ekologija, kemija te znanstvenici koji su i profesionalni ronitelji. Cilj je ove grupe proučavati bioraznolikost odabranih ekoloških niša duž jadranske obale. Ekspertna znanja navedene znanstvene skupine prepoznatljiva su iz njihovih znanstvenih publikacija objavljenih u širokom rasponu cijenjenih i relevantnih znanstvenih časopisa dostupnih u javnim bazama podataka. Molekularni biolozi iz Laboratorija za molekularnu genetiku pri IRB proučavaju spužve i ostale morske organizme već niz godina. Također, već skoro dva desetljeća ovaj Laboratorij pruža servisne usluge DNA sekvenciranja i bioinformatičkih analiza za znanstevnike akademskih institucija. Osim toga, ovi znanstvenici imaju prepoznatljivu ekspertizu iz područja molekularne mikrobiologije, što je izuzetno važno za ovaj projekt.
Naročito se ističe njihovo znanje, usvojene tehnike i vještine u eksperimentalnom radu s bakterijama roda Streptomyces, koje su izuzetno složene za laboratorijska istraživanja. Štoviše, ova je grupa već započela metagenomsku analizu morskih sedimenata iz sjevernog Jadrana fokusirajući se na izdvajanje morskih aktinobakterija. Ove su bakterije naročito zanimljive farmaceutskoj industriji, jer su dobro poznati producenti antibiotika, lijekova protiv raka i imunosupresora; preko 2/3 današnjih prirodnih metabolita koji se koriste u medicini ili veterini proizvode upravo streptomiceti. Već su objavljeni radovi o novim metabolitima s biotehnološkim potencijalom iz morskih aktinomiceta iako je njihova rasprostranjenost u moru još neistražena. Kao što je gore navedeno, predloženi članovi za istraživanje bioraznolikosti imaju dugotrajno iskustvo i genetičke sustave za rad sa streptomicetima. Osim toga, kemičari i ekolozi koji će sudjelovati u ovoj fazi istraživanja, kontinuirano vrše opsežna određivanja fizičkih i kemijskih svojstava već zapaženih i vrlo specifičnih morskih staništa u Jadranskom moru.

Metode i njihova povezanost s određenim ciljevima

Interdisciplinarni tim uključen u rad ove platforme objedinit će stručnost znanstvenika i već postojeće istraživačke infrastrukture u partnerskim institucijama. Specifični ciljevi bit će:odabir staništa koji će ovisiti o rezultatima fizičko-kemijske karakterizacije te broju različitih vrsta. Prilikom daljnjih analiza prednost će imati staništa s endemskim organizmima.Sveukupno, predviđene metode uključuju uzorkovanje morskih organizama i sedimenata, kemijske i fizičke analize te određivanje biološke raznolikosti.

Profiliranje bioraznolikosti svih prikupljenih organizama/mikroorganizama iz određenih ekoloških niša provest će se molekularnim metodama kako slijedi: a) izolacija ukupne DNA iz odabranih organizama i umnožavanje genetičkih biljega provest će se PCR metodom s pomoću standardnih i specifičnih početnica 7 (nuklearne 28S rDNA, 18S rDNA, ITS rDNA i mitohondrijski biljeg COI), dok će se 16S rDNA biblioteka te podaci dobiveni s pomoću metoda QIIME i NGS primijeniti za identifikaciju mikrobne raznolikosti i njihovog genomskog potencijala za biotehnologiju; b) dodatni molekularni biljezi, uz pristupačne i rutinske metode, koristit će se za pronalaženje nakupina gena (klastera) odgovornih za sintezu specifičnih klasa poliketidnih antibiotika, c) stvaranje zbirke DNA iz odabranih staništa prema filogenetskim kategorijama i biotehnološkom potencijalu. Osim spužvi usredotočit ćemo naša istraživanja na izolaciju i analizu žarnjaka.Organizmi iz koljena Žarnjaka spadaju u podcijenjene (zanemarene) morske životinje u Jadranu, uglavnom spomenute samo kao opasnost pri kupanju u ljetnim mjesecima. Međutim, njihovi toksini predstavljaju mnoštvo neotkrivenih novih spojeva. Ovi spojevi uključuju peptide, proteine, enzime, inhibitore proteinaza i neproteinske tvari. Ovi navedeni metaboliti žarnjaka imaju veliki potencijal za otkrivanje novih bioaktivnih supstanci iz mora: novih skupina protukancerogenih/protuupalnih spojeva. Budući da je ovo veliko koljeno s nekim od najotrovnijih životinja, veliki je izazov otkriti i komercijalizirati nove produkte. U svakom slučaju, Jadransko more je idealna niša za istraživanja žarnjaka, jer nije stanište potencijalno smrtonosnih vrsta. S obzirom da je relativno siromašno vrstama žarnjaka (oko 79 vrsta) bit će i jednostavnije izdvojiti vrste od interesa za detaljnije analize.
Pretraživanje biotehnološkog potencijala mikroorganizama koji se mogu uzgojiti u laboratoriju. Pregledna shema istraživanja uključuje: a) uzgoj mikroorganizama iz sedimenata ili bakterija koje nisu simbionti, ali su združeni sa specifičnim morskim vrstama; b) čuvanje mikroorganizama u zbirci; c) istraživanje genomskog potencijala izoliranih mikroorganizama probiranjem onih koji proizvode bioaktivne metabolite; d) ekstrakcija, pročišćavanje i određivanje strukture izoliranog metabolita iz odabranog mikroorganizma; e) stvaranje zbirke izolirane DNA i karakteriziranih bioaktivnih spojeva, f) za odabrane proizvođače, odnosno mikroorganizme od interesa, optimizirat će se uvjeti proizvodnje u laboratorijskim fermentorima (u suradnji s Prehrambeno-biotehnološkim fakultetom).

Očekivani ishodi i njihovi potencijalni korisnici

Profiliranje bioraznolikosti prikupljenih organizama molekularnim metodama. Pretraživanje biotehnološkog potencijala mikroorganizama i istraživanje genomskog potencijala izoliranih mikroorganizama probiranjem onih koji proizvode bioaktivne metabolite. Izolacija ukupne DNA iz odabranih organizama i umnožavanje genetičkih biljega. Stvaranje zbirke izolirane DNA i karakteriziranih bioaktivnih spojeva. Stvaranje zbirke DNA iz odabranih staništa prema filogenetskim kategorijama i biotehnološkom potencijalu Potencijalni korisnici su akademski i industrijski laboratoriji koji koriste (mikro)organizme producense biološki aktivnih spojeva s biotehnološkim potencijalom.