Mikrobiologicznej inżynierii metabolicznej

 

prof. dr hab. Justyna Ruchała, jruchala@ur.edu.pl, ORCID 0000-0003-2850-6073

Doktor hab. Justyna Ruchała jest naukowcem i badaczem w dziedzinie Nauk Przyrodniczych, specjalizującym się w Naukach Biologicznych i Biotechnologicznych, z głównym naciskiem na podstawowe aspekty metabolizmu drobnoustrojów i biologii drożdży. Wykształcenie akademickie rozpoczęła na Uniwersytecie Rzeszowskim, gdzie w 2009 roku uzyskała tytuł licencjata z biologii oraz tytuł magistra biologii w 2011 roku. W 2015 roku uzyskała tytuł doktora Nauk Biologicznych Uniwersytetu Rzeszowskiego. W uznaniu swoich znaczących i niezależnych osiągnięć naukowych, w 2022 roku, osiągnęła stopień doktora habilitowanego w dyscyplinie Nauk Biologicznych w dziedzinie Nauk Przyrodniczych nadany przez Uniwersytet Gdański. Od 2015 roku dr hab. Ruchała została związana z Uniwersytetem Rzeszowskim, gdzie obecnie zajmuje stanowisko profesora uczelni. Jej badania naukowe koncentrują się na podstawowych mechanizmach regulujących metabolizm drobnoustrojów, sieciach regulacyjnych i adaptacji komórkowej w niekonwencjonalnych drożdżach. W szczególności jej badania dotyczą sposobu w jaki komórki drożdży metabolizują niepreferowane źródła węgla, w tym pentozy, i jak te szlaki metaboliczne są regulowane na poziomie molekularnym i układowym. Spostrzeżenia pochodzące z tych badań tworzą podstawę do racjonalnego projektowania szczepów i zastosowań biotechnologicznych  bez przesuwania głównego akcentu z podstawowego zrozumienia biologii. Doktor hab. Ruchała jest współautorem kilku wpływowych i szeroko cytowanych artykułów przeglądowych, które systematyzują globalną wiedzę na temat metabolizmu drożdży, fermentacji alkoholowej i mikrobiologicznej biosyntezy witamin. W uznaniu jej wiedzy i pozycji naukowej dr hab. Ruchała zasiada w Redakcji FEMS Yeast Research, wiodącego czasopisma publikowanego przez Oxford University Press, które łączy badania podstawowe i stosowane na drożdżach i organizmach podobnych do drożdży. Jest również członkiem Redakcji Microbial Cell Factories, wybitnego czasopisma otwartego dostępu publikowanego przez BMC (Springer Nature), koncentrującego się na biotechnologii mikrobiologicznej i rozwoju systemów mikrobiologicznych do zastosowań przemysłowych. Od 2024 roku jest również członkiem Komitetu Biotechnologicznego Polskiej Akademii Nauk. Jej praca łączy fundamentalną wiedzę biologiczną z zaawansowanymi podejściami biotechnologicznymi, pozycjonując ją jako ekspertkę w analizie i inżynierii złożonych systemów mikrobiologicznych w biotechnologii przemysłowej i stosowane.

 

Członkowie grupy badawczej

 

Aksyniia Tsaruk, Justyna Ruchala, Andriy Sybirnyy, Kamila Filip, Alicja Najdecka, Dominik Wojdyła

 

Badania

Zainteresowania naszej grupy badawczej są podzielone na kilka kluczowych obszarów:

1. Genetyczna i regulacyjna podstawa metabolizmu pentozy u drożdży

Grupa ustanowiła silną oś badawczą skoncentrowaną na genetyce molekularnej, sieciach regulacyjnych kontrolujących metabolizm pentozy i fermentacji alkoholowej w naturalnych, termotolerancyjnych drożdży.

  • Transkrypcyjna regulacja fermentacji pentozowej: Wykazano, że aktywator transkrypcyjny Cat8 odgrywa kluczową rolę w regulacji fermentacji alkoholowej ksylozowej u Ogataea (Hansenula) polimorpha, modelowych drożdży termotolerancyjnych.

  • Zwiększona zdolność fermentacji: Inżynieria metaboliczna i klasyczne podejścia do selekcji generowały szczepy drożdży o znacznie podwyższonej produkcji etanolu z ksylozy w porównaniu do szczepów typu dzikiego.

  • Charakterystyka fizjologiczna metabolizmu pentozy: W szeroko zakrojonych badaniach szczegółowo opisano związek między wychwytem pentozy, przepływem węgla w metabolizmie centralnym i wydajnością etanolu w warunkach fermentacji wysokotemperaturowej (ok. 45–50 °C).

2. Wzajemne oddziaływanie między funkcją organelle a ścieżkami metabolicznymi

Kluczowy wkład grupy polega na ujawnieniu ról organelli komórkowych i specyficznych enzymów metabolicznych we wspieraniu złożonych zachowań metabolicznych u drożdży.

  • Enzymy peroksysomalne w fermentacji alkoholowej: Zidentyfikowano, że enzymy transketolazy i transaldolazy są niezbędne do wydajnej fermentacji alkoholowej ksylozy u O. polimorpha.

  • Integracja biologii organelli z metabolizmem centralnym: Niniejsza praca wykazała, że szlaki wewnątrz organelli integrują się z katabolizmem pentozy, kwestionując tradycyjne spojrzenie na ściśle cytozolowe szlaki fermentacyjne.

Ten temat pozycjonuje funkcję organelli jako kluczowego wyznacznika elastyczności metabolicznej u drobnoustrojów eukariotycznych.

3. Zaawansowana inżynieria metaboliczna w celu rozszerzonego wykorzystania substratów

Grupa wykorzystuje również zaawansowaną inżynierię metabolizmu drożdży dla rozszerzonego zakresu substratów i strategie współwykorzystania.

  • Wykorzystanie cellodekstryny i mieszanek cukrów: Opracowanie i charakterystyka rekombinowanych szczepów O. polymorpha zdolnych do fermentacji mieszanych cukrów lignocelulozowych, w tym ksylozy, celobiozy i glukozy w warunkach termotolerancyjnych.

  • Podejście do biologii syntetycznej: Zastosowanie heterologicznej ekspresji genów transportera i enzymów metabolicznych (np. transporterów celobiozy i β-glukozydazy) w celu rozszerzenia naturalnego zakresu podłoża.

Badania te łączą podstawową biologię metaboliczną ze strategiami dywersyfikacji szczepów drożdży.  

4. Biosynteza i regulacja związków flawinowych

Ten wyróżniający się kierunek badawczy dotyczy szlaków biosyntezy flawiny i ich regulacji genetycznej i metabolicznej u drożdży, w tym budowy szczepów nadprodukujących witaminy i wybrane bioaktywne pochodne flawiny.

  • Homeostaza ryboflawinowa: Badania nad regulacją biosyntezy ryboflawiny i równowagi kofaktora flawiny w systemach drobnoustrojów, przyczyniające się do zrozumienia mechanizmów metabolizmu witamin i ich integracji z centralnymi procesami komórkowymi.

  • Inżynieria nadproduktorów flawin: Budowa i charakterystyka szczepów drożdży o podwyższonej produkcji ryboflawiny i pokrewnych flawin, dostarczająca eksperymentalne systemy do badania regulacji, tolerancji komórkowej i ograniczeń metabolicznych nadakumulacji flawiny.

  • Analogi flawinowe i biosynteza różoflaviny: Opracowanie platform opartych na drożdżach do biosyntezy analogów flawiny, w tym różoflawiny, umożliwiające analizę szlaków biosyntetycznych, odpowiedzi komórkowe na stres pochodzący z flawiny oraz regulację bioaktywnych związków flawinowych u eukariontów.

Ta linia badawcza integruje genetykę molekularną, regulację metaboliczną i ilościową analizę biochemiczną, łącząc podstawowe badania metabolizmu flawiny z kontrolowaną modyfikacją szlaku u gospodarzy eukariotycznych.

5. Genetyczna i fizjologiczna kontrola fermentacji kwasu mlekowego w drożdżakach

Grupa bada podstawowe mechanizmy regulujące syntezę kwasu mlekowego i podział strumieni węgla w mikroorganizmach eukariotycznych, eliminując kluczowe luki w zrozumieniu metabolizmu kwasów organicznych u drożdży.

  • Producenci kwasu mlekowego: Kompleksowa fizjologiczna charakterystyka termotolerantów Lachancea jako jedynych znanych drożdży naturalnie wytwarzających kwas mlekowy obok etanolu, w tym kinetyki powstawania mleczanów i regulacji alokacji węgla.

  • Rekombinowane systemy termotolerancyjne: Budowa i analiza szczepów Ogataea polymorpha, zdolne do ekspresji heterologicznej dehydrogenazy mleczanowej, umożliwiające wytwarzanie kwasu mlekowego w podwyższonych temperaturach (do 45 °C).

  • Regulacyjne uwarunkowania partycjonowania pirogronianu: Identyfikacja czynników genetycznych i środowiskowych kontrolujących przełącznik metaboliczny między syntezą etanolu i kwasu mlekowego, w tym napowietrzanie, równowagę redoks i regulację transkrypcji.

  • Pozytywne strategie selekcji: Opracowanie oryginalnych metod selekcji do izolowania mutantów nadprodukujących kwas mlekowy bez uprzedniej modyfikacji genetycznej, zapewniające narzędzie do zgłębienia ograniczeń regulacyjnych biosyntezy kwasu mlekowego.

Badania te ustanawiają systemy drożdży jako modele badania metabolizmu eukariotycznego kwasu mlekowego, dziedziny wcześniej zdominowanej przez paradygmaty bakterii.

6. Potencjał metaboliczny drożdży środowiskowych i niemodelowych

Wyraźny kierunek badawczy grupy koncentruje się na funkcjonalnie niezbadanej bioróżnorodności drożdży i jej potencjale metabolicznym.

  • Drożdże związane z owadami: Metagenomiczna i oparta na uwarunkowaniach środowiskowych charakterystyka drożdży związanych ze szkodliwymi owadami, ukazująca taksony dostosowane do ubogich w składniki odżywcze, bogatych w stres środowisk.

  • Funkcjonalne profilowanie metaboliczne: Identyfikacja aktywności enzymatycznej związanej z degradacją polimerów, syntezą lipidów, produkcją ryboflawiny i tolerancją na stres w środowiskowych izolatach drożdży.

  • Adaptacja ekologiczna i elastyczność metaboliczna: Łączenie specjalizacji do niszowego środowiska z plastycznością metaboliczną i zdolnościami regulacyjnymi u niemodelowych gatunków drożdży.

  • Podstawy dla przyszłych modeli drożdży: Ustanowienie nowych szczepów drożdży jako systemów eksperymentalnych do badania metabolizmu poza klasycznymi organizmami laboratoryjnymi.

Ta linia badań integruje ekologię drobnoustrojów z biologią metaboliczną drożdży, rozszerzając zakres pojęciowy i organizmowy biotechnologii grzybów.

 

Kluczowe rezultaty i wpływ naukowy

  • Wkłady Konceptualne: Identyfikacja regulatorów genetycznych i architektur metabolicznych regulujących metabolizm pentozy i kwasu organicznego u drożdży.

  • Postępy metodologiczne: Opracowanie strategii selekcji zaprojektowanych platform drożdży i ram analizy metabolicznej.

 

Wybrane 5 publikacji (2020–2025)

  • Ruchala J, Kurylenko OO, Dmytruk KV, Sibirny AA. Construction of advanced producers of first- and second-generation ethanol in Saccharomyces cerevisiae and selected species of non-conventional yeasts (Scheffersomyces stipitis, Ogataea polymorpha). J Ind Microbiol Biotechnol. 2020 Jan;47(1):109-132. doi: 10.1007/s10295-019-02242-x.
  • Dmytruk KV, Ruchala J, Fayura LR, Chrzanowski G, Dmytruk OV, Tsyrulnyk AO, Andreieva YA, Fedorovych DV, Motyka OI, Mattanovich D, Marx H, Sibirny AA. Efficient production of bacterial antibiotics aminoriboflavin and roseoflavin in eukaryotic microorganisms, yeasts. Microb Cell Fact. 2023 Jul 20;22(1):132. doi: 10.1186/s12934-023-02129-8.
  • Vasylyshyn R, Dmytruk O, Sybirnyy A, Ruchała J. Engineering of Ogataea polymorpha strains with ability for high-temperature alcoholic fermentation of cellobiose. FEMS Yeast Res. 2024 Jan 9;24:foae007. doi: 10.1093/femsyr/foae007.
  • Dzanaeva LS, Wojdyła D, Fedorovych DV, Ruchala J, Dmytruk KV, Sibirny AA. Riboflavin overproduction on lignocellulose hydrolysate by the engineered yeast Candida famata. FEMS Yeast Res. 2024 Jan 9;24:foae020. doi: 10.1093/femsyr/foae020.
  • Vasylyshyn R, Ruchala J, Dmytruk K, Sibirny A. Positive selection of efficient ethanol producers from xylose at 45 °C in the yeast Ogataea polymorpha. Sci Rep. 2025 Jul 22;15(1):26530. doi: 10.1038/s41598-025-12204-2.

Projekty

  • Genetyczna kontrola metabolizmu oraz fermentacji alkoholowej pentoz (D-ksyloza, L-arabinoza) u termotolerancyjnych drożdży Ogataea polymorpha, nr 2020/37/B/NZ1/02232, Narodowe Centrum Nauki, 1 669 200 PLN, OPUS 2021-2024

  • Konstruowanie oraz właściwości rekombinowanych drożdżowych szczepów produkujących bakteryjne antybiotyki rozeoflawinę oraz aminoryboflawinę, nr 2021/41/B/NZ1/01224, Narodowe Centrum Nauki, 1 365 100 PLN, OPUS 2022 – 2027

  • Konstruowanie szczepów drożdży flawinogennych Candida famata z ulepszoną zdolnością do produkcji ryboflawiny w podłożu z hydrolizatami lignocelulozy, nr 2022/49/N/NZ1/01040 , Narodowe Centrum Nauki, PLN 197 640, PRELUDIUM 2024 - 2027

  • Genetyczna kontrola transportu cukru lignocelulozowego i metabolizm podczas fermentacji alkoholowej drożdży termotolerancyjnych Ogataea polimorpha, nr 1232295, Horizon Europa, MSCA4Ukraine, 156009.98 EUR, 2023 – 2025

Patenty

  • PL247297 Sposób otrzymywania włókniny bioaktywnej do zastosowania w materiale opatrunkowym o działaniu przeciwnowotworowym

  • PL244137 Sposób otrzymywania drożdżowych producentów etanolu z ksylozy z termotolerancyjnych drożdży Ogataea polymorpha

  • PL244546 Szczep drożdży niekonwencjonalnych Aureobasidium pullulans URC2 zdolny do wydajnej produkcji kwasu linolowego w standardowej pożywce typu YPD

  • PL247951 Sposób wytwarzania ryboflawiny w podłożach z hydrolizatami lignocelulozy przy użyciu flawinogennych drożdży Candida famata

  • PL 246658 Szczep drożdży Candida famata BCRP zdolny do nadprodukcji ryboflawiny oraz zastosowanie szczepu drożdży Candida famata BCRP do wytwarzania ryboflawiny

Współpraca naukowa

  • Instytut Biologii Komórkowej, Narodowa Akademia Nauk Ukrainy (Lwów, Ukraina)

  • Imperial College London (Londyn, Wielka Brytania)

  • University of Southampton (Southampton, Wielka Brytania)

  • Australijski Uniwersytet Narodowy (Camberra, Australia)