Ilgtspējīga fermentācijas atkritumu valorizācija un fermentācijas kaskāžu pagarināšana ar mikroorganismu metabolisma modelēšanas palīdzību

Projekta nosaukums: Ilgtspējīga fermentācijas atkritumu valorizācija un fermentācijas kaskāžu pagarināšana ar mikroorganismu metabolisma modelēšanas palīdzību

Projekta līguma numurs: 1.1.1.2./VIAA/4/20/610

Projekta vadītājs (pēcdoktorants): pētniece, Dr. Anna Stikāne

Projekta īstenošanas termiņš: 01.03.2021.–30.06.2023.

Projekta kopējais finansējums, LU daļa: 104 071.24 EUR; LU daļa: 5 203.57 EUR

Projekta mērķis: Projekta mērķis ir izstrādāt metodiku, kas palīdz īstenot efektīvu fermentācijas atkritumu (FerA) apriti caur fermentācijas kaskādēm, kur viena procesa FerA kalpo par izejvielām citās. Šī metodika ietvertu FerA valorizācijas sistēmu, kurā tiek ņemts vērā izejvielu saturs, pieejamība, biotransformācijas efektivitāte, un ar to saistītā ietekme uz vidi un ekonomiku.

Projekta rezultāti: Zinātniskie rezultāti tiks prezentēti divās starptautiska mēroga konferencēs un izklāstīti divās zinātniskās publikācijās. Pēcdoktoranta prasmes tiks pilnveidotas mācībās, starptautiskā mobilitātē un tīklošanās pasākumos vismaz 2 mēnešu garumā.

Kontakti: anna.stikane@lu.lv

Projekta 1. ceturkšņa rezultāti (01.03.2021 – 30.06.2021)

1. Ievākti dati fermentācijas atkritumu veidu, to apjomu un apsaimniekošanas iespēju novērtēšanai, ko plānots aprakstīt publikācijā.
2. Zinātniskās pieredzes apmaiņa komandējumā uz Apvienoto Karalisti, kur tika komunicēts un tika nodibināti kontakti ar zinātniekiem no Tīsaidas un Jorkas Universitātes, kā arī tika iepazīti Lielbritānijā bāzēti akadēmiskie tīkli.
3. Veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi – ievietota informācija par projektu LU mājas lapā, projektu īstenojošā institūta mājas lapā un projekta īstenotāja ResearchGate profilā, kā arī projekta īstenošanas vietā publiski izvietota informācija par projektu un finansējumu A3 plakāta formātā.

Projekta 2. ceturkšņa rezultāti (01.07.2021 – 30.09.2021)

1. Rūpnieciskā biotehnoloģija ir nozare ar augstu potenciālu piedāvāt ilgtspējīgus procesus ķīmisko produktu un materiālu ražošanai no dabīgiem materiāliem, tādējādi veicinot rūpniecības pāreju no fosilajiem resursiem uz biomasu. Šo iemeslu dēļ rūpnieciskajai biotehnoloģijai ir prognozēta stabila nozares ekonomiskā izaugsme. Augot rūpnieciskās biotehnoloģijas apmēriem ir vērtīgi apzināt tās blakusproduktu un atkritumu plūsmas, kuras  var veidot jaunas un ietekmēt esošās vērtību ķēdes. Projektā tiek turpināts darbs pie datu apkopošanas un analīzes apskata rakstam par šo atkritumu apjomu un valorizācijas iespējām.
2. Virtuāla dalība un prezentācija starptautiskā konferencē Metabolic Pathway Analysis, kas pavēra iespējas uzzināt par jaunāko organismu vielmaiņas matemātiskajā modelēšanā. Konference arī sniedza ieskaitu matemātisko rīku daudzveidībā, ko var izmantot dažādu bioloģisko aspektu novērtēšanā un analīzē.
3. Vizīte Baltijā lielākajā bioreaktoru ražotnē A/S Biotehniskais centrs, lai iepazītos ar bioreaktoru projektēšanas un ražošanas procesu, kā arī bioreaktoru vadības risinājumu izstrādi.
4. Veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi - ievietota informācija par projekta aktualitātēm projekta īstenotāja LinkedIn profilā, kā arī informācija par iepriekšējā ceturkšņa rezultātiem ievietota LU mājas lapā.

Projekta 3. ceturkšņa rezultāti (01.10.2021 – 31.12.2021)

1. Pārskata periodā tika pabeigts darbs pie publikācijas par fermentācijas atkritumu veidošanos un apjomiem, kā arī to valorizācijas potenciālu. Publikācija šobrīd ir iesniegta un tiek recenzēta akadēmiskā žurnāla peer review procesā.  
2. Vielmaiņas modeļi ļauj matemātiski aprakstīt ķīmiskās reakcijas un reakciju tīklus, kas nosaka šūnas metabolismu. Tādējādi vielmaiņas modeļi ļauj matemātiski izvērtēt metabolisma darbību, nonākot saskarē ar dažādām vielām un substrātiem. Pārskata periodā tika turpinātas mācības vielmaiņas stehiometrisko modeļu veidošanā un jau gatavu genoma mēroga vielmaiņas modeļu pielāgošanā darbam ar fermentācijas atkritumiem.
3. Pārskata periodā tika īstenoti kompetences paaugstināšanas pasākumi. Tika apmeklēts nedēļu ilgs starptautisks virtuāls kursu "Introduction to Python for Biology", ko organizēja "Transmitting Science". Kurss sniedza lielisku pieredzi apgūt Python pamatus kopā ar 15 citiem zinātniekiem no 11 dažādām valstīm, kā arī vērot, kā dažādas interneta platformas papildina viena otru un ļauj īstenot kvalitatīvas tiešsaistes mācības, domu un pieredzes apmaiņu par dažādām problēmām un to iespējamiem risinājumiem.
4. Veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi - ievietota informācija par projekta aktualitātēm projekta īstenotāja LinkedIn profilā (https://www.linkedin.com/in/anna-stikane/), kā arī informācija par iepriekšējā ceturkšņa rezultātiem ievietota LU mājas lapā.

Projekta 4. ceturkšņa rezultāti (01.01.2022 – 31.03.2022)

1. Atskaites periodā tika saņemtas recenzentu atsauksmes iepriekšējā periodā publicēšanai žurnālā "New Biotechnology” iesniegtajam zinātniskā raksta manuskriptam. Ņemot vērā recenzentu ieteikumus, manuskriptā uzsāku veikt labojumus, lai manuskriptu iesniegtu atkārtotai izvērtēšanai.
2. Atskaites periodā tika attīstīts programmēšanas kods, kas ļautu efektīvāk iegūt un apstrādāt datus no vielmaiņas stehiometriskajiem modeļiem un modelēšanas rezultātā iegūtajiem vielmaiņas scenārijiem:  nepieciešamajiem substrātiem, izejošajiem produktiem un biomasas sastāvu.
3. Sagatavots pārskats par informācijas izplatīšanas, komunikācijas, mobilitātes un apmācību aktivitātēm, kā arī progresa un risku uzraudzību.
4. Veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi – dalība Vidzemes Inovāciju nedēļas pasākumā “Kas vienam lieks – otram prieks!” ar prezentāciju “Kas paliek pāri pēc fermentācijas?”.  Atskaites periodā arī piedalījos tiešsaistes apmācībās “Biomodelling Spring” par kinētiskās un stehiometriskās modelēšanas programmatūrām un to pielietojumu.

Projekta 5. ceturkšņa rezultāti (01.04.2022 – 30.06.2022)  

1. Žurnālā New Biotechnology (ISSN 1871-6784, IF=6.49) publicēts zinātnisks raksts " Closing the loop in bioproduction: Spent microbial biomass as a resource within circular bioeconomy" https://doi.org/10.1016/j.nbt.2022.06.001  par fermentācijas atkritumu, konkrētāk, izlietotās šūnu biomasas veidošanos, dažādu biotehnoloģisko produktu ražošanā. Rakstā apskatīto produktu lokā ietilpst alkoholi, organiskās un aminoskābes, biopolimēri, antibiotikas, proteīni un vitamīni, un tiek aplēsti izlietoto šūnu biomasas apjomi, kā arī to valorizācijas potenciāls.
2. Par darba rezultātiem tika ziņots starptautiskajā jauno zinātnieku konferencē BTechPro2022 “International Conference for Young Scientists on Biorefinery Technologies and Products”. Prezentācijas nosaukums “The resource potential of fermentation residues”. Darba rezultāti tika prezentēti arī starptautiskajā Lietišķās mikrobioloģijas biedrības (Society for Applied Microbiology) jauno zinātnieku konferencē SfAM ECR2022, kas noritēja Kārdifā (Velsa, Lielbritānija). Prezentācijas nosaukums “A closer look on spent microbial biomass”. Konferencē tika prezentēts rezultātu plakāts, kas ieguva balvu par labāko plakāta prezentāciju.
3. Atskaites periodā turpināju darbu pie vielmaiņas stehiometrisko modeļu sagatavošanas. Tika sagatavoti modeļi tādiem industriāli izplatītiem mikroorganismiem kā Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae un Corynebacterium glutamicum. Darba gaitā saskāros ar to, ka dažiem organismam ir pieejamas vairākas vielmaiņas modeļu versijas, kuras satur diezgan atšķirīgus biomasas aprakstus. Papildus darbs ir nepieciešams, lai novērtētu, kādos augšanas apstākļos ir piemērots konkrētais modelis un vai ir nepieciešama vairāku modeļu sagatavošana tālākam darbam.
4. Atskaites periodā devos divās mobilitātēs. Vienā devos uz Notingemas Universitāti Apvienotajā Karalistē, kur nodibināju kontaktus ar vairākiem zinātniekiem, to skaitā: Dr. Jon McKechnie un viņa grupas darbiniekiem, kas specializējas bioprocesu tehnoekonomiskajā un produkta dzīvescikla analīzē. Prezentēju savu projektu un iepazinos tuvāk ar viņu pētījumiem, datu iegūšanas un apstrādes metodēm. Otrā mobilitātē devos uz Nīderlandi. kur viesojos Delftas Tehniskajā universitātē (Technical University of Delft) un nodibināju kontaktus ar Dr. Lotte Asveld, kas specializējas jautājumos, kas saistās ar biotehnoloģijas un sabiedrības mijiedarbību, Prof. Mark van Loosdrecht, kas vada vides biotehnoloģiju virzienu, un Dr. Rebeca Gonzalez Cabaleiro. Tika pārrunāts mans projekts, kā arī diskutētas iespējas tālākai sadarbībai modelējot organisko vielu bioloģisko degradāciju
5. Veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi – ievietota informācija par projekta aktualitātēm projekta īstenotāja LinkedIn un ResearchGate profilos, kā arī informācija par iepriekšējā ceturkšņa rezultātiem ievietota LU mājas lapā.

Projekta 6. ceturkšņa rezultāti (01.07.2022 – 30.09.2022)

1. Tika sniegta lekcija “Īsi par biotehnoloģiju ekosistēmu” skolēnu vasaras nometnē "ALFA 2022". Lekcija iepazīstināja ar to, kas ir biotehnoloģija un kādas inovācijas tā var sniegt (un jau sniedz) ilgtspējai un aprites ekonomikai. Šajā nometnē piedalījās zinātniskās pētniecības darbu valsts konferences un mācību priekšmetu valsts olimpiāžu laureāti dabaszinātņu nozarē.
2. Atskaites periodā turpināju darbu pie konkrētu FerA (precīzāk izlietotās mikrobu biomasas) valorizācijas dizainu izstrādes. Šobrīd izstrādātie un pieejamie analīzes rīki ir piemēroti, lai novērtētu iespējas zemākas vērtības valorizācijas risinājumiem (piem., enerģijas un elementu apritei). Tādu augstākas vērtības valorizācijas dizainu iespējas kā, piemēram, citu organismu barotnes sastāvdaļa, apgrūtina substrāta kompleksais sastāvs (t.i., daudzās un dažādās molekulas, kas var tikt patērētas dažādiem mērķiem). Lai risinātu šo ierobežojumu, sadarbībā ar partneriem no Delftas Tehniskās Universitātes uzsāku veidot jaunu modeli, kas fokusēsies uz izlietotās mikrobu biomasas sastāvā esošo aminoskābju patēriņu mikroorganismu augšanai.
3. Atkārtota mobilitāte uz Delftas Tehnisko universitāti (Technical University of Delft), kur kopā ar Dr. Rebeca Gonzalez Cabaleiro turpinājām izstrādāt vielmaiņas modeli, kas fokusējas uz kompleksu substrātu pārstrādi. Nodibināti kontakti ar citiem zinātniekim no Vides biotehnoloģiju grupas, kā arī devos vizītē uz Vāgeningenas Universitāti (Wageningen University & Research).
4. Pieredzes apmaiņa un mentorēšana pirmajai Latvijas studentu komandai Riga-Latvia, kas piedalās iGEM2022 ('International Genetically Engineered Machines') sacensībās. Šīs ir starptautiskas sacensībās, kurās piedalās vairāk nekā 350 komandu no visas pasaules, kas izstrādā bioinženierijas un sintētiskās bioloģijas zinātniskos projektus.
5. Veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi – ievietota informācija par projekta aktualitātēm projekta īstenotāja LinkedIn profilā, kā arī informācija par iepriekšējā ceturkšņa rezultātiem ievietota LU mājas lapā.

Projekta 7. ceturkšņa rezultāti (01.10.2022 – 31.12.2022)

1. Atskaites periodā sadarbībā ar Dr. Rebeca Gonzalez Cabaleiro no Delftas Tehniskās universitātes turpināju darbu pie vielmaiņas modeļa, kas pēta aminoskābju patēriņu augoša mikroorganisma enerģijas un biomasas ieguvei. Ir izstrādāta pirmā versija vielmaiņas reakciju kopai, kas reprezentē mērķim nepieciešamos vielmaiņas aspektus, un aktīvi noris darbs pie otrās versijas reakciju kopai, kas patiesāk un reālistiskāk atveidos kompleksu substrātu plūsmu mikroorganisma šūnā.
2. Turpināta pieredzes apmaiņa un mentorēšana pirmajai Latvijas studentu komandai Riga-Latvia, kas piedalījās iGEM2022 ('International Genetically Engineered Machines') sacensībās. Šīs ir starptautiskas sacensībās, kurās piedalās vairāk nekā 350 komandu no visas pasaules, kas izstrādā bioinženierijas un sintētiskās bioloģijas zinātniskos projektus. Šogad Riga-Latvia komanda projektā mēģināja iegūt auga (safrāna) garšvielas savienojumu izmantojot raugu un šajās sacensībās ieguva Bronzas medaļu.
3. Dalība iGEM Jamboree 2022, kas ir iGEM2022 gala pasākums (‘Jamboree’). Šajā pasākumā es uzņēmos komandu vērtētāja (‘judge’) pienākumus, un iepazinos un tīklojos ar citiem vērtētājiem, t. sk., Jacob Beal (ASV), Rohini Garg (Indija), Julia Kamenz (Nīderlande), Nicole Gensch (Vācija). Konferences laikā padziļināti vērtēju sintētiskās bioloģijas projektus no Ķīnas, Hongkongas un Spānijas, kā arī tīklojos ar biotehnoloģijas profesionāļiem un sintētiskās bioloģijas projektu īstenotājiem no visas pasaules.
4. Veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi – ievietota informācija par projekta aktualitātēm projekta īstenotāja LinkedIn profilā, kā arī informācija par iepriekšējā ceturkšņa rezultātiem ievietota LU mājas lapā.

Projekta 8. ceturkšņa rezultāti (01.01.2023 – 31.03.2023) :

1. Atskaites periodā sadarbībā ar kolēģiem no Sistēmbioloģijas grupas tika strādāts pie ilgtspējīgas vielmaiņas inženierijas metodikas pielietošanas izlietotās šūnu biomasas valorizācijai. Šī darba rezultātā tika meklēti valorizācijas dizaini mikrobiem, kuros norāda kādas ģenētiskās izmaiņas ir nepieciešamas, lai organisms var saražot visoptimālāko metabolītu ņemot vērā bioloģiskos ierobežojumus, kā arī ekonomiskos un vides apsvērumus. Šobrīd noris darbs pie šo rezultātu publicēšanas publikācijas formā.
2. Dalība apmācībās – (1) kurss “Komercializācija” par tehnoloģijas komercializāciju, ko organizēja Komercizglītības centrs un (2) attālinātās apmācībās “Intelektuālā īpašuma vispārīgais kurss”, ko organizēja Pasaules intelektuālā īpašuma organizācijas (WIPO) akadēmija sadarbībā ar Latvijas Republikas Patentu valdi.
3. Sagatavots pārskats par informācijas izplatīšanas, komunikācijas, mobilitātes un apmācību aktivitātēm, kā arī progresa un risku uzraudzību projekta otrajā gadā.
4. Veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi – ievietota informācija par projekta aktualitātēm projekta īstenotāja LinkedIn profilā, kā arī informācija par iepriekšējā ceturkšņa rezultātiem ievietota LU mājas lapā.

Projekta 9. ceturkšņa rezultāti (01.04.2023 – 30.06.2023)

1. Žurnālā Fermentation (EISSN 2311-5637, IF=3.7) tika publicēts zinātnisks raksts “Impact of Waste as a Substrate on Biomass Formation, and Optimization of Spent Microbial Biomass Re-Use by Sustainable Metabolic Engineering” (https://doi.org/10.3390/fermentation9060531 ) par izlietotās šūnu biomasas rašanos dažādos bioprocesos izmantojot atkritumu substrātus, un to, kā ilgtspējīgas vielmaiņas inženierijas metodika var palīdzēt identificēt valorizācijas dizainus mikrobiem, kas šos resursus var patērēt.
2. Tika īstenota atkārtota mobilitāte uz Delftas Tehnisko universitāti, kur tika turpināta sadarbība ar Dr. Rebeca Gonzalez Cabaleiro. Kopīgi diskutējām, vērtējām progress un iespējas īstenot organisko vielu vielmaiņas modelēšanu industriāli svarīgos organismos, kuru laikā identificējām modeļa tīkla mezglus, kuriem šobrīd trūkst bioloģiskās informācijas, lai uzlabotu modeļa paredzēšanas spējas.
3. Tika sniegta interviju un stāstīts par projektu Latvijas Radio 1 raidījumam "Zināmais nezināmajā", kā arī piedalījos Pasaules Latviešu zinātnieku kongresā (27.-29.jūnijs 2023), uzstājoties paneļdiskusijā "Vai bioekonomika ir sabiedrības drošības pamats?".
4. Pārskata periodā tika īstenota attālināta dalība vielmaiņas modelēšanas vasaras skolā no 28.jūnija līdz 5. jūlijam, ko organizēja Minho universitātē (Universidade Do Minho) Portugālē.
5. Veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi – ievietota informācija par projekta aktualitātēm projekta īstenotāja LinkedIn profilā, kā arī informācija par iepriekšējā ceturkšņa rezultātiem ievietota LU mājas lapā.