В рамках направления "Биотехнология" программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013 - 2020 годы ФИЦ "Красноярский научный центр СО РАН" реализует следующие бюджетные проекты:

• Фундаментальная основа биотехнологии целевых продуктов и биоматериалов для повышения качества жизни и защиты окружающей среды

• Научно-методические основы создания новых материалов и технологий биолого-медицинского назначения с использованием наноалмазов и биомаркеров

Проект

Фундаментальная основа биотехнологии целевых продуктов и биоматериалов для повышения качества жизни и защиты окружающей среды

Ключевые слова

биотехнология; микробный биосинтез; целевые продукты; биополимеры; новые субстраты

Цель исследования

исследование глицерина в качестве биотехнологического С-субстрата; разработка и реализации технологии синтеза разрушаемых биополимеров (полигидроксиалканоатов) на новом субстрате.

Цель направлена на повышение экономической эффективности технологии биосинтеза разрушаемых биополимеров за счет расширения сырьевой базы производства и привлечения в качестве основного С-субстрата отходов производства биодизеля. Однако привлечение новых субстратов делает необходимым исследование границ их физиологического действия для конкретных микроорганизмов, определение кинетических и продукционных характеристик, норм затрат и эффективности использования. Особенность глицерина в качестве С-субстрата связана с вариациями его состава в зависимости от технологии производства биодизеля и типа исходного жиросодержащего сырья. В составе гицерина содержание примесей (включая метанол, жирные кислоты и их эфиры, хлориды, сульфаты и др.) может составлять от долей до десятков процентов. В зависимости от толерантности микроорганизмов к этим примесям продукционные характеристики значительно варьируют (Campos, 2014; Ashby, 2005; Kumar et al., 2017). Кроме этого, глицерин действует как негативный агент при формировании С-цепи ПГА, это связано с этерификацией глицерина на концевых группах мономеров 3-гидрокисбутирата и блокированием (закупоркой) дальнейшей полимеризации мономеров в С-цепи (Zhu et al., 2010; Rodríguez-Contreras et al.,2015). Это может сопровождаться снижением молекулярной массы полимеров (Tomozawa et al., 2010; Ashby et al., 2011).

Поэтому для разработки технологии синтеза полимеров на глицерине как новом субстрате необходимы комплексные исследования закономерностей роста и метаболизма штаммов продуцентов на этом субстрате в сопоставлении исходными процессами на известных субстратах (например, сахарах), включая определение кинетических и продукционных показателей культуры, а также всестороннее исследование свойств синтезируемых полимеров . Результаты дадут новые фундаментальные знания о закономерностях аккумуляции резерных ПГА на новом субстрате, необходимые для разработки и реализации эффективной биотехнологии получения этих ценных биополимеров.

Для достижения цели будут выполнены комплексные исследования и получены следующие результаты:

Актуальность

Освоение новых технологий, ориентированных на комплексную переработку отходов и воспроизводство целевых продуктов соответствует концепции экологически безопасного устойчивого промышленного развития. Ценным продуктом биотехнологии являются микробные «зеленые» биопластики - полигидроксиалканоаты (ПГА), обладающие широким спектром ценных свойств и перспективные для применения в различных сферах, - от персонифицированной медицины до коммунального и сельского хозяйства. Актуальность разработки технологий синтеза биопластиков как альтернативы не разрушаемым синтетическим пластикам очевидна, так как масштабы производства последних превысили 320 млн тонн в год, и это создает глобальную экологическую проблему. Расширение масштабов и областей применения ПГА зависят от их все еще высокой стоимости, в структуре которой до 45-50% связано с затратами на углеродное сырье. Поэтому поиск и привлечение доступных субстратов - ключевое и актуальное направление биотехнологии этих ценных макромолекул.

Среди новых субстратов для производства ПГА рассматривается глицерин, масштабы производства которого возрастают в связи с ростом производства биодизеля как альтернативного нефти возобновляемого источника энергии, производство которого за последнее 10 лет возросло на порядок [Fernandez-Dacosta et al., 2015]. Согласно оценке аналитиков Oil World по итогам 2016 г., мировое производство биодизеля достигло рекордных 33 млн. тонн; 10% от этих объемов составляет глицерин как побочный продукт, который с недавних пор активно исследуется в качестве субстрата для синтеза целевых продуктов, включая ПГА. Анализ публикаций показал несомненную перспективность глицерина для получения биопластиков. Однако достигнутые за рубежом уровни продуктивности значительно варьируют, что связано с наличием в глицерине примесей, негативно влияющих на молекулярную массу полимеров и общие выходы (Kumar et al., 2017; Paula et al., 2017; Hsiao et al., 2018). Для повышения продукционных показателей биопроцессов на глицерине необходимо привлечение новых штаммов и совершенствование технологических стадий процесса, в том числе в масштабированных вариантах.

Это определило тематику исследований 2019 года, ее актуальность и значимость для повышения эффективности производства биопластиков.

Руководитель проекта

Волова Татьяна Григорьевна доктор биологических наук, профессор заведующий лабораторией Институт биофизики СО РАН  +7 391 2494428  volova45@mail.ru

---

Проект

Научно-методические основы создания новых материалов и технологий биолого-медицинского назначения с использованием наноалмазов и биомаркеров

Ключевые слова

наноалмазы, нанотехнологии, маркерные биомолекулы, биотехнологии, биолюминесценция, светящиеся грибы

Цель исследования

формирование научно-методических основ создания новых материалов и технологий биомедицинского назначения на основе наноалмазов и биомаркеров, включая компоненты люминесцентных молекулярных систем. Прогнозируется перспективность применения наноалмазов в конструировании и создании: систем индикации, биохимической диагностики и адресной доставки веществ; средств детоксикации; лечебных средств пролонгированного и комбинированного действия; сорбентов для технологий экстракорпорального диализа и плазмафереза и эффективного выделения практически значимых белков крови. Полученные новые знания будут являться основой для развития представлений о функциональных возможностях взрывных наноалмазов, как материала биотехнологического назначения, и объективной оценки границ их применимости в биомедицинских приложениях.

Актуальность

Стремительное развитие биотехнологии, и ее составляющей – нанотехнологии, открывает значительные возможности для решения широкого спектра задач, возникающих в разных сферах деятельности человека. Мировое научное сообщество полагает, что внедрение наноматериалов и нанотехнологий в биологию, медицину, экологию, фармакологию, и т.д. позволит значительно повысить эффективность методов и средств, применяемых в этих областях, и будет способствовать их выходу на новый качественный уровень. Анализ современных источников научной информации позволяет выделить несколько основных направлений, где наиболее активно проводятся исследования биомедицинской применимости наночастиц разной физико-химической природы. В ближайшей перспективе можно ожидать серьезных достижений в технологиях эффективного выделения биомолекул с диагностическими и научными целями; конструирования высокочувствительных систем диагностики; создания маркеров и контрастирующих материалов для визуализации клеток и тканей; получения упорядоченных структур для управления регенераторными процессами; создания систем избирательного транспорта лекарств к клеткам патологически измененных органов и тканей. Исследователи, работающие в данной области, проявляют большой интерес к биомедицинскому применению разных форм наноуглерода (фуллерены, нанотрубки, графен). Одним из перспективных материалов этой группы являются наноалмазы, получаемые методом детонационного синтеза, который впервые разработан российскими учеными. Интерес исследователей к изучению этих наночастиц не ослабевает на протяжении нескольких десятилетий. Физико-химические свойства наноалмазов (химически полиморфная, активная поверхность, возможности ее химической модификации, малая токсичность и высокая биосовместимость) позволяют прогнозировать их применимость для биотехнологических и биомедицинских целей. Следует сказать, что исследования, направленные на изучение применимости наноалмазов в биомедицинских приложениях, активизировались в последние годы в ряде зарубежных стран (Китай, США, Япония, Германия, Тайвань, Индия).

Руководитель проекта

Бондарь Владимир Станиславович доктор биологических наук заведующий лабораторией Институт биофизики СО РАН +7 391 2905049 bondvs@mail.ru