LABORATORY OF MICROBIAL TRANSFORMATION OF ORGANIC COMPOUNDS, IBPM RAS: CREATION, ESTABLISHMENT AND PROGRESS
Authors: Донова М.В. , Фокина В.В. 
Published: September 2024

Лаборатория микробиологической трансформации органических соединений (МТОС) была создана в 1989 г. на основе исследовательской группы в составе Отдела микробиологической трансформации органических соединений (руководитель академик Г.К. Скрябин). До 1997 г. лабораторией руководила профессор, доктор биологических наук Кира Александровна Кощеенко. Основные направления исследований лаборатории МТОС связаны с изучением микробного разнообразия стероидтрансформирующих микроорганизмов, биокаталитического потенциала микроорганизмов в отношении стероидов различной структуры, изучением особенностей катаболизма стеринов у актинобактерий, исследованием биотрансформации природных и синтетических стероидов, созданием биокаталитических систем для направленного синтеза физиологически активных стероидов на основе генетической и метаболической инженерии микробных штаммов, разработкой биопроцессов получения ценных стероидных и изопреноидных соединений и технологий полного цикла для получения фармацевтических субстанций и интермедиатов. Создана и постоянно пополняется уникальная коллекция микроорганизмов, осуществляющих структурные модификации стероидов, включая каскады реакций окислительной деградации алифатической боковой цепи, оксифункционализации стероидного ядра, введения, изомеризации и восстановления С-С-двойных связей, окисления стероидных спиртов, восстановления карбонильных групп, гидролиза стероидных эфиров, и др. На основе комплекса «-омных» исследований (геномных, транскриптомных, метаболомных) получены приоритетные данные об особенностях организации и функционирования путей катаболизма природных стеринов (фитостеринов, холестерина) у актинобактерий, выявлены наборы ключевых генов, важных для перенаправления метаболических потоков в клетке в сторону образования целевых стероидов. Созданы эффективные рекомбинантные штаммы микобактерий – клеточные биокатализаторы нового поколения, осуществляющие каскады реакций окисления боковой цепи стеринов и структурной модификации гонанового ядра стероидов с получением важных для фармацевтики стероидных и других изопреноидных соединений. Разработана методология гетерологической экспрессии эукариотических систем стероидогенеза в бактериальных хозяевах, и созданы рекомбинантные штаммы, продуцирующие в одну биотехнологическую стадию важные стероидные гормоны из природных стеринов. Разработан комплекс биотехнологий и биотехнологических методов (более 20 разработок) для производства целого ряда ценных стероидных соединений из возобновляемого растительного сырья – фитостеринов и стеринсодержащих промышленных отходов. Ряд биотехнологий масштабирован до полупромышленного уровня. Внедрение разработок может изменить облик стероидной фарминдустрии в области производства целой группы важнейших фармацевтических соединений, включая кортикостероиды, минералокортикоиды, нейростероиды, желчные кислоты.

The Laboratory of Microbial Transformation of Organic Compounds (MTOC) had been created in 1989 and is having the roots from the research group at the Department of microbial transformation of organic compounds (headed by Academician George Skryabin). Professor, DSci Kira Koshcheyenko had been in charge of the Laboratory until 1997. Major research fields of the laboratory include studies of microbial diversity of steroid transforming organisms, biocatalytic properties of microorganisms towards different steroid compounds, sterol catabolism by actinobacteria, biotransformation of natural and synthetic steroids, creation of biocatalytic systems for the directed synthesis of physiologically active steroids on the base of genetic and metabolic engineering of microbial strains, bioprocess development for obtaining value-added steroid and isoprenoid compounds and full-cycle technologies for production of the active pharmaceutical ingredients and intermediates. The collection of steroid-transforming strains that performed structural modifications of steroids has been created and is continuously fulfilling. This collection includes the strains capable of performing cascades of the oxidative degradation of sterol sidechain, steroid core oxyfunctionalization, introduction, isomerization and reduction of the C-C double bonds, steroid alcohols oxidation, carbonyl groups reduction, steroid esters hydrolysis etc. Based on the results of the “-omic”s (genomics, transcriptomics, metabolomics, etc.) investigations, priority data had been obtained on the peculiarities of organization and functionality of the sterol catabolism genes in actinobacteria, key gene patterns had been revealed which are essential for re-direction of the metabolic pathways towards target steroid formation. Effective recombinant strains of mycobacteria representing cell biocatalysts of new generation have been created that perform cascade reactions of sidechain oxidation and structural modification of steroid core to produce important pharmaceutical steroids and other isoprenoids. Methodology for heterologous expression of the eukaryotic steroidogenesis system in bacterial hosts has been developed and the recombinant strains have been obtained capable of producing value-added steroid hormones in a single stage from natural sterols. Totally, over 20 biotechnologies/biotech methods for production of value-added steroids from renewable plant sterols, or sterol containing industrial wastes had been developed. Few technologies had been scaled up to the semi-industrial level. Manufacturing application will affect productions of pharmaceutical steroids including corticosteroids, mineralocorticoids, neurosteroids, bile acids etc.