Научные направления кафедры биотехнологии, биоинженерии и биохимии

Биоразглагаемые белок-полисахаридные плёнки широкого назначения

На кафедре биотехнологии, биоинженерии и биохимии ведутся работы по получению биополимерных пленок на основе белков и полисахаридов сшитых ферментом трансглютаминазой. Такие пленки обладают однородной структурой, по прочности и растяжимости не уступают полиэтиленовым, способны к биоразложению в естественных условиях и могут служить альтернативой синтетическим полимерам, практически не разлагающимся в естественных условиях.

Используя в составе композиционной смеси полисахариды, белки и ферменты, имеющие биологическое происхождение, и заменяя тем самым нефтехимическое сырье, применяемое в настоящее время для производства синтетических пластиков, можно будет добиться не только биоразлагаемости, но и прочности создаваемых пленок. Биостойкость и экологичность пленок повышается в связи с употреблением в качестве одного из сшивающих агентов фермента трансглютаминазы, обладающего высокой биологической активностью и способностью к перекрестному сшиванию белков.

Получаемые биоразлагаемые пленки, содержат белки, желатин или молочный белок, полисахариды – альгинат, хитозан или бактериальную целлюлозу и имеют следующие характеристики – растяжение (100–250%), прочность (15–40 МПа), биоразлагаемость в почве 1–3 месяца.

Пленки и полимеры на основе белков и полисахаридов сшитых ферментом трансглютаминазой можно использовать в медицине, ветеринарии, фармацевтической, пищевой или косметической промышленности, а также для изготовления оберточной пищевой пленки, капсул, упаковочных материалов.

Биоразлагаемые белково–полисахаридные пленки, сшитые ферментом

Общая схема приготовления биопленок

Биотехнология биоэтанола из ультрадисперсного растительного сырья

На кафедре разрабатывается технология получения биоэтанола пищевого и топливного назначения с применением глубокой механобиохимической обработки ультрадисперсного растительного сырья с последующей биоконверсией дрожжами. При разработке технологии получения пищевого этанола в качестве сырья используется зерно, для топливного этанола – целлюлозосодержащее сырье с размером частиц, немного превышающих 100–300 мкм.

Измельченное сырье подвергается ферментативному гидролизу в мягких условиях комплексом высокоактивных ферментов и сбраживается дрожжами. Разработаны технологии сбраживания сусла стандартной и высокой плотности. За счет комбинации методов глубокой механической и биохимической обработки исключается одна из классических стадий спиртового производства – разваривание (при производстве пищевого этанола) или химического гидролиза (при производстве топливного этанола).

рис к слайду 6

Схема получения этанола из зерна ультрадиспертного помола

В результате применения разработанных технологий происходит снижение энергозатрат и капиталовложений и увеличение выхода спирта. Разработки ведутся совместно с ОАО «МордовспиртЪ».

Получены патенты:

1. Способ получения спирта / Ревин В.В., Атыкян Н.А., Захаркин Д.О. патент на изобретение RUS 2552165 06.08.2013

2. Способ получения спирта из лигноцеллюлозного сырья / Ревин В.В., Атыкян Н.А., Захаркин Д.О. патент на изобретение RUS 2558303 07.10.2013

3. Способ получения спирта / Атыкян Н.А., Ревин В.В. патент на изобретение RUS 2506312 16.04.2012

4. Способ получения спирта / Ревин В.В., Атыкян Н.А. патент на изобретение RUS 2407798 22.04.2009

Биотехнология биопрепаратов для сельского хозяйства

На кафедре биотехнологии, биоинженерии и биохимии ведутся научные исследования по оптимизации условий получения биопрепаратов на основе бактерий Pseudomonas aureofaciens и Azotobacter vinelandii для защиты растений от заболеваний, вызываемых фитопатогенными грибами, которые, угнетают рост культурных растений, и в конечном итоге приводят к снижению урожайности.

Известно, что применение химических фунгицидов приводит к массовому загрязнению окружающей среды и снижению плодородия почвы. Поэтому роль биологической защиты растений в сохранении безопасности сельскохозяйственных продуктов и увеличении полезной микрофлоры почв огромна.

К настоящему времени сотрудниками кафедры отработана технологическая схема производства многофункционального биопрепарата; исследовано его влияние на всхожесть семян злаковых, овощных и технических культур, проведены лабораторные исследования по выявлению устойчивости растений, обработанных бактериальной суспензий, к фитопатогенам и стрессовым условиям; проводится отработка технологии создания консорциума микроорганизмов, обладающего комплексным биологическим эффектом.

Биотехнология адгезивов биологического происхождения

В последние годы широкое применение получили адгезивные материалы природного происхождения. Связано это в первую очередь с экологическими аспектами в наиболее развитых странах. Так, например, товары в картонной упаковке, проклеенной синтетическим клеем, не допускается к экспорту в ряд стран Европы, Азии и Америки. Все это связано с потребительскими запросами покупателей, требующих знака "экологически чистая упаковка".

Основным компонентом связующего является клеящее вещество, которое обеспечивает адгезионную и когезионную прочность. Основой природных адгезивов являются биополимеры – коллаген, казеин, крахмал, декстрин и др., которые довольно дороги. В качестве заменителей таких компонентов могут выступать микробные полисахариды и белки, полученные на отходах пищевых предприятий, содержащих все необходимые для этого питательные компоненты. В качестве таких отходов могут выступать меласса, молочная сыворотка, пахта, отходы пивоваренной и спиртовой промышленности и т.д. Необходим поиск новых, более дешевых источников связующих биологического происхождения. Таковыми могут быть отходы и вторичное сырье микробиологических производств, в составе которых содержится большое количество биополимеров.

Коллективом кафедры биотехнологии, биоинженерии и биохимии на протяжении ряда лет проводятся исследования по составлению различных адгезивов, в состав которых входят отходы пищевой и перерабатывающей промышленностей, по модификации основных компонентов клеевых композиций, изучаются продукты модификации, их клеящая способность, испытываются различные добавки (отходы различных отраслей промышленности) и изучается их влияние на клеящую способность биосвязующих.
Одним из путей создания адгезивных материалов является синтез декстрана при помощи микроорганизмов Leuconostoc mesenteroides с использованием дешевых питательных сред, содержащих отходы сахарной, молочной и спиртовой пищевой промышленности. В процессе роста бактерий происходит накопление высокополимерных соединений – полисахаридов, обладающих хорошими адгезивными свойствами. Их можно использовать и как основной компонент биоклея и как связующее для экологически безопасных биокомпозиционных материалов. Эти полисахариды совершенно безвредны и их используют даже в медицинской практике. Поэтому и клеевые композиции на их основе можно будет использовать в пищевой промышленности для приклеивания этикеток, изготовления бумажной тары.

Сотрудниками кафедры были оптимизированы состав питательных сред, содержащих мелассу, пахту, молочную сыворотку и барду, а также режимы культивирования, обеспечивающие максимальный выход технического декстрана.

Еще одним перспективным биополимером является леван (англ. Levan или существующий коммерческий продукт «Levana»), образуемый многими бактериями, в том числе рода Azotobacter. Этот полисахарид построен из остатков фруктозы (D–фруктофуранозы соединенных с помощью β–2 → 6, а в местах разветвлений – α–2 → 1 связями), которые упакованы в компактные шарообразные структуры. В отличие от большинства полисахаридов, леван не набухает в воде и способен образовывать кристаллы. Леван обладает сильными адгезивными свойствами за счет наличия большого количества гидроксильных групп с помощью которых он образует клеевые соединения с различными субстратами. Безопасен для человека и окружающей среды.

Биосвязующие на основе бактериальных полисахаридов можно будет использовать в производстве гофрокартона, получении композитных материалов из лигноцеллюлозного сырья.

Технологическая схема получения ДСП на основе биосвязующего, содержащего микробные полисахариды

Схема получения прессованных композиционных материалов с применением биосвязующих, полученных из органических отходов

Схема получения водостойких композиционных материалов из дрожжевых отходов

Биотехнология микробных полисахаридов

На кафедре биотехнологии, биоинженерии и биохимии в течение длительного времени проводятся исследования в области изучения ксантана, декстрана, альгината, левана и бактериальной целлюлозы.

Бактериальная целлюлоза является перспективным материалом для получения широкого спектра продуктов и наноматериалов. Она имеет большой потенциал использования в медицине как биоматериал для тканевой инженерии, создания раневых покрытий и трансдермальных терапевтических систем, может использоваться в диетологии в качестве носителя добавок для сбалансированного питания, в промышленной электронике для получения оптически прозрачных соединений с ультранизким коэффициентом теплового расширения, для изготовления акустических диафрагм, способна служить заменой растительной целлюлозы в производстве бумаги. Бактериальная целлюлоза является перспективным источником получения нанокристаллической целлюлозы и биокомпозиционных материалов.

На кафедре получен новый продуцент бактериальной целлюлозы Gluconacetobacter sucrofermentans B-11267 (патент RU 2523606). Разработана технология получения бактериальной целлюзы на отходах производств (патенты RU 2536973, 2536257). Изготовлены и прошли предварительные лабораторные испытания образцы бактериальной целлюлозы, получены биокомпозиты на ее основе (патент RU2564567).

Ксантан – биополимер микробного происхождения, который благодаря своим уникальным свойствам нашёл применение в пищевой, нефтяной, фармацевтической, горнодобывающей, текстильной, лакокрасочной и других отраслях промышленности. Ксантан экологически безопасен, нетоксичен (используется в пищевой промышленности как стабилизатор и загуститель под названием Е 415), не оказывает негативного воздействия на процессы добычи и переработки нефти, разрешен к применению на нефтепромыслах России.

В результате селекции получены высокопродуктивные штаммы бактерий Xanthomonas campestris, образующие до 28 г/л ксантана. Получено 2 свидетельства о депонировании штаммов. Изучены морфологические и физиолого-биохимические свойства бактерий, оптимизированы условия их хранения. Разработан технологический регламент получения ксантана. С целью снижения себестоимости продукта рекомендованы среды, содержащие отходы различных биотехнологических производств. Испытания полисахарида на линейных моделях пласта показали, что полученный препарат по фильтрационным и нефтевытесняющим свойствам находится на одном уровне с французским полисахаридом Родопол-23P. Производство ксантана в России позволит отказаться от покупки зарубежных препаратов.

IMG_0269

Гель-пленка бактериальной целлюлозы           Порошок ксантана

Технологическая схема получения ксантана

Биотехнология нанокомпозитных материалов на основе нанокристаллической целлюлозы

На кафедре биотехнологии, биоинженерии и биохимии проводится выделение нанокристаллической целлюлозы из бактериальной целлюлозы.

Целлюлоза является наиболее распространенным полимером в природе. Долгое время растительная целлюлоза традиционно использовалась в производстве, главным образом, бумаги. В фибрилле целлюлозы чередуются участки с кристаллической и аморфной структурой. Кристаллическая часть целлюлозы обладает высокой прочностью, которая сопоставима с прочностью высоколегированной стали или кевларового волокна, что позволяет использовать нанокристаллическую целлюлозу в качестве наноразмерной добавки для усиления механических свойств композиционного материала, а также в качестве самостоятельного материала.

В настоящее время в качестве наноразмерного наполнителя при разработке нанокомпозитного материала используют углеродные нанотрубки, графитизированные нановолокна, а также нанотрубки с привитыми слоями и функциональными группами.

В качестве альтернативы нанотрубкам может выступать нанокристаллическая целлюлоза, которая выделяется из возобновляемых источников: древесины, растительного сырья или целлюлозы бактериального происхождения. Наличие большого количества такого сырья делает получение нанокристаллической целлюлозы экономически более выгодным по сравнению с получением нанорубок, а высокие механические характеристики позволяют признать нанокристаллическую целлюлозу идеальным материалом, который может служить для усиления механических свойств нанокомпозитных материалов.

Использование бактериальной целлюлозы, которая имеет длинные фибриллы и высокую степень кристалличности, позволяет получать нанокристаллическую целлюлозу с большим соотношением длины нанокристалла к его ширине. Считается, что чем длиннее выделяемая нанокристаллическая целлюлоза, тем большим упрочняющим эффектом она обладает.

Выделяемая нанокристаллическая целлюлоза используется в качестве наноразмерной добавки для усиления прочностных характеристик нанокомпозитного материала из поливинилового спирта, для получения аэрогеля. Низкая теплопроводность и плотность делает аэрогель идеальным теплоизолирующим материалом, а наличие высокой удельной площади поверхности позволяет использовать его в перспективе как адсорбент при очистке воды и воздуха от загрязняющих компонентов неорганической и органической природы.

Изучение молекулярных и клеточных механизмов возбуждения, дегенерации и регенерации возбудимых образований

На кафедре биотехнологии, биоинженерии и биохимии проводятся исследования, направленные на изучение влияния биологически активных соединений на строение, белково-липидный состав и функционирование поврежденного периферического нерва.

Изучается роль миелиновой оболочки нерва и нейроглии в дегенеративных и регенеративных процессах.

Установлено стимулирующее действие ксимедона, ламинина, гиалуроновой кислоты, ресвератрола на процессы регенерации, их нормализующий эффект на состав липидов и белков, белок-липидные взаимодействия и ПОЛ в поврежденных периферических нервах.

Электрофореграмма белков выделенных из миелиновой оболочки поврежденного периферического нерва

Собственная флуоресценция регенерирующего после повреждения периферического нерва полученная в системе визуализации IVIS Lumina II

Исследование механизмов регуляции кислород-транспортной функции эритроцитов

На кафедре проводится комплексная работа с использованием широкого спектра физических и физико-химических методов по исследованию механизмов регуляции кислородсвязывающей и кислородтранспортной способностей эритроцитов, с поиском новых природных соединений флавоноидной природы для усиления транспортной функции гемоглобина, исследуются механизмы клеточной гибели.

Исследования ведутся в рамках научного проекта РНФ № 15-15-10025.

Установлено, что сосудистые заболевания наряду с классическими механизмами развития сопровождаются также патологическими изменениями со стороны красных клеток крови, прежде всего, структурными и физиологическими перестройками гемоглобина эритроцитов.

Получены новые данные об удалении ядра из эритроцита и изменении структурно-функциональном состояния мембран при индукции апоптоза. Впервые исследован выброс ядра эритроцитами голубя с последующим распадом клеток на апоптозные везикулы. Изучен жирнокислотный состав отдельных фракций липидов при воздействии пероксида водорода и УФ-облучения. Показана индукция апоптоза сфингомиелином (СМ), фосфатидилсерином (ФС), диацилглицеролом (ДАГ) и олеиновой кислотой (ОК). Установлена взаимосвязь между апоптозом эритроцитов и изменением состава и состояния липидной компоненты мембраны.

a b

c d

Изображение эритроцитов человека, полученное методом КР-спектроскопии:
а – здоровые люди; b, с - больные сосудистыми заболеваниями; d – больные, после лечения