По независимым оценкам население нашей планеты к 2050 году превысит 9 млрд. человек. К этому времени существующие технологии производства продуктов питания себя исчерпают и очевидна необходимость новых решений, в том числе в рамках нового технологического уклада «животноводство без животных». Это предопределяет необходимость создания новых природоподобных технологий обеспечивающих выживание человека как вида. В этой связи перспективными представляются исследования по копированию и воспроизведению основных принципов работы пищеварительного аппарата крупного рогатого скота. Полимикробные ассоциации рубца жвачных животных содержат в 100 раз больше генов, чем у животного-хозяина, что сообщает ему дополнительные метаболические возможности, включая способность гидролизовать и ферментировать недоступные для моногастричных растительные корм. В свою очередь животное-хозяин обеспечивает сбор корма, регулирование температуры, контроль pH и редокс-потенциала, осмотический контроль, а также динамическое удаление конечных продуктов. По сути мы имеем дело с естественным проточным биореактором, сформировавшемся в процессе эволюции и обеспечивающим его обладателям особую пищевую стратегию. В связи с чем актуальность проекта представляется в разработке фундаментальных основ и создании прототипа природоподобных технологий преобразования органических и минеральных веществ в целях переработки отходов производства (лузга подсолнечника, гречихи и др.) с получением кормов для крупного рогатого скота на откорме и повышения эффективности рубцового пищеварения. Проектом предполагается детальное изучение рубцового пищеварения жвачных, с оценкой метаболома (в первую очередь – конечных продуктов ферментации в рубце), газовой среды и физико-химических параметров рубца в связи с микробиомом рубца крупного рогатого скота изученным с использованием современных методов массового параллельного секвенирования на фоне изменяющегося состава рациона, наличием ингибиторов «кворум сенсинга» и ультрадисперсных веществ, типовыми характеристиками эффективности рубцового пищеварения. В ходе исследований будут определены наиболее значимые таксоны (семейство, род, вид) микрофлоры тесно связанные с эффективностью рубцового пищеварения, в том числе для рассмотрения в качестве биосенсоров перспективных для динамического контроля и принятия решения по коррекции состава среды. Сформированы коллекции микробиомов рубца крупного рогатого скота, обеспечивающие наиболее высокий выход конечного продукта, низкий уровень эмиссии метана, характеризующиеся минимальным присутствием патогенной и условно-патогенной микрофлоры. Будет разработана технология подготовки и скармливания (в том числе с использованием микробиомов рубца) отходов сельскохозяйственного производства (лузга подсолнечника и др.) для применения в промышленном производстве говядины. Будет дана экономическая оценка эффективности разработок на производстве. Важным результатом проекта станет создание прототипа биореактора на принципах работы рубца жвачных, обеспечивающего динамический контроль состояния среды и содержания ключевых продуктов метаболизма, в том числе через применение системы принципиально новых биосенсоров. Для этого с использованием существующих методов генной инженерии будут созданы биосенсоры — рекомбинантные люминесцирующие микроорганизмы на основе видов выделенных из рубца жвачных, значимых для переваривания и преобразования субстратов корма в целях динамического контроля и принятия решения по коррекции среды в прототипе биореактора. С использование прототипа биореактора предполагается проанализировать факторы и воздействия, позволяющие достигать высокого уровня гидролиза и ферментации трудноперевариваемых субстратов; эффективно адаптировать микробиом к изменению качества субстрата; обеспечивать преимущественное развитие биотехнологически полезных микроорганизмов при одновременном ингибировании патогенной и условно-патогенной флоры; а также изменять характер метаболизма в направлении преимущественной наработки летучих жирных кислот с одновременным ингибированием метаногенеза. Новизна исследований по проекту будет защищена не менее чем 11 патентами РФ на изобретения и полезные модели, в том числе для защиты приоритета новых решений по воспроизведению и поддержанию микробиома рубца в условиях in vitro, новых биосенсоров, новых принципов управления полимикробными культивируемыми сообществами, новых кормов, рецептур комбикормов для крупного рогатого скота на откорме, способам предварительной обработки отходов производства. В числе основных результатов: созданная и эффективно работающая лаборатория; увеличение доли молодых ученых и аспирантов.