Регистрация / Вход
Прислать материал

БИОМИМЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ И КЛЕТОК МИКРООРГАНИЗМОВ И ИХ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

Сведения об участнике
ФИО
Бурмистрова Татьяна Вячеславовна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тульский государственный университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Биоматериалы
Тема
БИОМИМЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ И КЛЕТОК МИКРООРГАНИЗМОВ И ИХ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ
Резюме
В процессе эволюции природных систем живые организмы развивают различные минерализованные структуры, которые служат для защиты организмов от неблагоприятных условий. Это послужило примером для получения гибридных бионеорганических структур путем иммобилизации живых клеток в силикатные капсулы. Наиболее эффективным способом, обеспечивающим направленное регулирование текстурных характеристик кремнеземных материалов, является золь-гель метод, который позволяет формировать оболочки вокруг клеток микроорганизмов. Органосиликатная оболочка вокруг клеток микроорганизмов обеспечивает их защиту от повреждающих воздействий окружающей среды.
Ключевые слова
золь-гель; иммобилизация микроорганизмов; гибридные биоматериалы; гетерогенные биокатализаторы; биофильтры.
Цели и задачи
Цель: разработка способа получения новых биомиметических материалов путем инкапсулирования микроорганизмов в органомодифицированные силикаты с использованием золь-гель метода для применения в биотехнологии.
Задачи:
1. Инкапсулировать клетки метилотрофных дрожжей в органосиликатные оболочки с использованием золь-гель технологии;
2. Охарактеризовать 3D архитектуру полученных гибридных биоматериалов;
3. Оценить влияние стрессовых факторов (экстремальных значений pH, ионов тяжелых металлов, УФ-излучения) на дыхательную активность микроорганизмов, иммобилизованных в золь-гель матрицы, в биораспознающем элементе сенсора;
4. Исследовать возможность применения разработанных гетерогенных биокатализаторов для очистки и контроля метанолсодержащих стоков и мониторинга содержания этанола в процессе брожения.

Введение

В настоящее время соединения кремния находят широкое применение для производства цемента, стекол, силикагелей, силиконов. Химия силиконов близка к золь-гель химии. Поэтому для получения новых силикатных материалов всё чаще применяют методы золь-гель химии. Для получения гибридных биоматериалов на основе кремния чаще всего используют ферменты и клетки. Особый интерес представляет иммобилизация клеток микроорганизмов в органосиликатные матрицы. Исследования в этом направлении представляют значительный интерес для разработки эффективных гетерогенных биокатализаторов на основе иммобилизованных микроорганизмов в биотехнологии, в том числе при создании биосенсоров.

Методы и материалы

Культивирование метилотрофных дрожжей. В работе использовали метилотрофные бактерии Ogataea polymorpha ВКМ Y-2559. Культуру микроорганизмов выращивали в колбах объемом 750 см3 (объем среды 150 см3) при 28ºС и аэрации в шейкере при 190 об/мин. Инокулят вносили в количестве 1,5 % по объему среды до конечной концентрации ~106 КОЕ/см3. Биомассу помещали в колбу, содержащую 200 см3 бесфосфатной среды и индуцировали метанолом (2 см3). Индуцированную биомассу центрифугировали при 2000g в течение 15 мин, осадок промывали фосфатным буферным раствором (30 ммоль/дм3, рН 7,6). Биомассу дрожжей хранили при +4°С.

Золь-гель иммобилизация биоматериала. К 0,1 см3 20 % раствора полиэтиленгликоля 3000 (ПЭГ) в фосфатном буферном растворе прибавляли 0,25 см3 суспензии клеток в фосфатном буферном растворе  и перемешивали в течение 3 минут, добавляли 0,5 см3 смеси тетраэтоксисилана (ТЭОС) и метилтриэтоксисилана (МТЭС) и вновь перемешивали в течение 3 минут. Затем добавляли 0,025 см3 0,2 моль/дм3 раствора катализатора NaF, перемешивали 15 минут.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ).  Для приготовления образцов клеток Og. polymorpha клеточную суспензию наносили на поверхность токопроводящего скотча, после 5 минут инкубации каплю удаляли с помощью фильтровальной бумаги, поверхность промывали несколько раз водой, для удаления не связанных с поверхностью клеток. После этого скотч с образцом монтировали на поверхность объектодержателя и проводили напыление платиново-углеродной смеси.

Описание и обсуждение результатов

Известно, что силикатные оболочки вокруг клеток эффективно защищают их от воздействия осмотического давления, механического сдвига, теплоты. В работе защитные свойства органосиликатной капсулы вокруг живых клеток оценивали по дыхательной активности микроорганизмов под действием стрессовых факторов: УФ-излучения, экстремальных значений pH, ионов тяжелых металлов. Оказалось, что при облучении характеристики биочувствительного элемента на основе инкапсулированных дрожжей практически не изменились. Влияние тяжелых металлов оценивали по дыхательной активности инкапсулированных и свободных микроорганизмов окислять метанол в присутствии ионов тяжелых металлов. Величины ответов биосенсора на основе инкапсулированных дрожжей практически не зависят от присутствия всех ионов металлов, за исключением Cu(II) и Cd(II) вследствие их высокой токсичности по отношению ко всем живым организмам. Полученые биогибридные материалы можно применять  в технологии очистки метанольных стоков. Клетки метилотрофных дрожжей, инкапсулированные в органосиликатную матрицу, способны функционировать в диапазоне рН от 2 до 12, когда как дрожжи без силикатной капсулы – лишь в диапазоне от 4 до 10. Таким образом, органосиликатная оболочка вокруг живых клеток обеспечивает их защиту от повреждающих воздействий окружающей среды. 

С целью апробации и коррелятивной калибровки разработанного рецепторного элемента биосенсора с гетерогенным биоматериалом на поверхности преобразователя определяли содержание этанола в модельных образцах бродильных масс.

Статистический анализ результатов определения этанола показал, что выборки, полученные двумя методами, неоднородны по воспроизводимости, при этом значения концентрации этанола, определяемые с помощью биосенсора на основе выбранного гетерогенного биокатализатора и с помощью референтного метода (ГХ), незначимо отличаются между собой, поэтому биосенсор с разработанным биокатализатором может быть использован для мониторинга этанола в бродильных средах.

Разработанный гетерогенный биокатализатор на основе инкапсулированных клеток микроорганизмов применили для создания биофильтра, которые возможно применять для очистки сточных вод в динамическом режиме.

При уменьшении скорости тока через колонну наблюдается увеличение времени функционирования биокатализатора, что свидетельствует о способности инкапсулированных метилотрофных дрожжей окислять метанол.

Предлагаемую методику инкапсулирования микроорганизмов в дальнейшем можно адаптировать для иммобилизации других клеток, что важно при разработке биогибридных материалов в тканевой инженерии, систем транспортировки лекарственных средств, биокатализаторов для автономной канализации и систем водоочистки и т.д. 

Используемые источники
[1] Desimone M.F., Alvarez G.S., Foglia M.L., Diaz L.E. Development of sol-gel hybrid materials for whole cell immobilization // Recent Patents on Biotechnology. 2009. V. 3. P. 55–60.
[2] Jia J., Tang M., Chen X., Qi L., Dong S. Co-immobilized microbial biosensor for BOD estimation based on sol–gel derived composite material // Biosensors and Bioelectronics. ‒ 2003. ‒ V. 18, I. 8. ‒ P. 1023-1029.
[3] Ponamoreva O.N., Kamanina O.A., Alferov V.A., Machulin A. V., Rogova T. V., Arlyapov V.A., et al. Yeast-based self-organized hybrid bio-silica sol–gels for the design of biosensors // Biosens. Bioelectron. – 2015. – P. 321–326.
[4] Nassif N., Bouvet O., Noelle Rager M., Roux P., Coradin T., Livage J. Living bacteria in silica gels // Nat Mater. ‒ 2002. ‒ V. 1, I. 1. ‒ P. 42-44.
Information about the project
Surname Name
Burmistrovа Tatiana
Project title
BIOMIMETIC MATERIALS BASED ON MODIFIED SILICONE POLYMER CELLS OF MICROORGANISMS AND THEIR BIOTECHNOLOGICAL POTENTIAL
Summary of the project
In the evolution of natural systems, living organisms develop various mineralized structures that serve to protect the organisms from adverse conditions. This served as an example for the production of hybrid bioinorganic structures by immobilization of living cells in the silicate capsules. The most effective way of providing directional control of textural characteristics of silica materials is the sol-gel method, which allows to form a shell around the cells of microorganisms. Organosilicate wrapper around the cells of microorganisms ensures their protection from the damaging effects of the environment.
Keywords
sol-gel; immobilization of micro-organisms; hybrid biomaterials; heterogeneous biocatalysts; biofilters.