2001 г. – год образования Лаборатории на основе ВНТК биосенсоров

Основатель и руководитель лаборатории – доктор химических наук, профессор Анатолий Николаевич Решетилов

 anatol@ibpm.pushchino.ru

Направление исследований

Создание и исследование инновационных биоаналитических устройств (биосенсоров, биотопливных элементов) на основе ферментов и микробных клеток для использования в биотехнологии, медицине, контроле окружающей среды.

Используемые типы преобразователей: кислородные электроды типа Кларка; электроды, полученные матричной печатью (графитовые, золотые, серебряные, платиновые, на основе наноматериалов); ион-селективные (рН-чувствительные полевые транзисторы) и разные типы биологического материала – микроорганизмы, отдельные ферменты и ферментные системы, антитела и антигены, нуклеиновые кислоты.

Основные достижения

● Исследованы свойства ряда микроорганизмов, способных окислять низкомолекулярные органические соединения.

Разработаны подходы к субстратной адаптации клеток; выявлены условия выращивания клеток, оптимизирующие функционирование ферментов in vivo и in vitro для получения высоких значений аналитических сигналов биосенсоров.

●   Изучены и оптимизированы условия иммобилизации клеток микроорганизмов (бактерий, дрожжей, микроскопических грибов) для формирования рецепторных элементов биосенсоров.

В качестве наиболее перспективных отобраны Gluconobacter oxydans, Pseudomonas putida, P. alcaligenes, Pichia methanolica.

●   Исследованные аэробные микроорганизмы использованы для создания лабораторных моделей биосенсоров на основе кислородного электрода типа Кларка.

Разработанные модели использованы для оценки содержания в водных средах ряда органических соединений: ε-капролактам, ЭДТА, тиодигликоль, метиламин, диметиламин, триметиламин, дихлорметан, моноалкилфениловый эфир полиэтиленгликоля на основе полимердистиллята (ОП-10), катехол, карбендазим, юглон.

●  Разработаны подходы к субстратной адаптации иммобилизованных клеток (за счет метода иммобилизации, использования плазмид деградации и т.п.).

Данные подходы позволяют направленно менять чувствительность клеток к определенным субстратам (этиловому и метиловому спиртам, ПАВ и другим ксенобиотикам).

●  С помощью рН-чувствительных транзисторов исследована каталитическая активность ряда ферментов и реализован биосенсорный метод регистрации нематричного синтеза ДНК.

Метод перспективен для разработки отечественных анализаторов синтеза ДНК и ее секвенирования на основе преобразователей полупроводникового типа, обладающих преимуществами перед традиционными оптическими методами. Используя подобный метод регистрации сигнала созданы иммуносенсоры с ферментной меткой для детекции пестицидов (симазин, атразин) и гормонов (тестостерон). Разработан метод капсулирования ферментов с помощью противоположно заряженных полиэлектролитов на поверхности транзистора, а также встраивания в подобные капсулы наноматериалов – углеродных нанотрубок и магнитных феррочастиц. На основе этого принципа детекции созданы биосенсоры для определения глюкозы, мочевины в различных образцах (биологические жидкости, пищевые продукты). Данные подходы позволяют направленно менять чувствительность клеток к определенным субстратам (этиловому и метиловому спиртам, ПАВ и другим ксенобиотикам).

●   Результаты фундаментальных исследований каталитических свойств ферментов и микроорганизмов легли в основу разрабатываемых биотопливных элементов.

Биотопливные элементы представляют большую значимость для электроэнергетики, в частности, как «живые генераторы» для обеспечения работы оборудования вне доступности источников электричества.

●  Созданы методы формирования графитовых биоэлектродов, содержащих в своем составе проводящие полимеры и наноматериалы.

Методы применяются для улучшения электрохимических характеристик и аналитических параметров разрабатываемых биосенсоров и биотопливных элементов

●    Разработан биосенсор для безреагентного экспресс-анализа глюкозы с использованием мембранных фракций бактериальных клеток и графитовых электродов, модифицированных проводящим полимеров ПЭДОТ:ПСС и терморасширенным графитом.

Разработан проводящий композит на основе ПЭДОТ:ПСС, графена и геля Нафион, который сохраняет активность уксуснокислых бактерий и обеспечивает устойчивый сигнал биосенсора в течение 120 сут. Результаты предназначены для разработки отечественного анализатора глюкозы, а также для использования при создании микробных топливных элементов для долговременной генерации электроэнергии

●   На основе биосенсоров электрохимического типа и микробных клеток разработан полупромышленный образец анализатора "SmartSense BioEL" для быстрой оценки параметров ферментационного процесса.

Разработан универсальный многоканальный анализатор для анализа токсикантов (от спиртов до ксенобиотиков) в бытовых и промышленных сточных водах по индексу БПК (биохимического потребления кислорода). Создан действующий макет аналитического биосенсорного комплекса для экспресс оценки параметров ферментационных процессов. Прибор позволяет оптимизировать ферментационный процесс получения этилового спирта, вносить корректирующие элементы управления в процесс, использовать новые типы бродильных субстратов и ферментов для получения спирта, новые типы сырья при производстве биоэтанола, оценивать общий ход процесса ферментационного процесса брожения. Комплекс включает биосенсоры для контроля глюкозы, крахмала, спирта, активности биокаталитических материалов, загрязненности стоков (по индексу БПК, время измерения снижено с 5 сут до 15 мин)

Полупромышленный образец анализатора "SmartSense BioEL" для быстрой оценки параметров ферментационного процесса

Впервые в мировой практике микробный БТЭ имплантирован в организм лягушки. Разработка рассматривается как развитие идеи генерации биоэлектричества, получаемого от живого организма.

●   Разработаны методологические основы функционирования биосенсорных и биоэнергетических систем на основе электродов, полученных методами микро- и наноэлектроники.

Разработан макет микробного биотопливного элемента (мБТЭ) с электродами на основе бактерий Gluconobacter и создан лабораторный стенд для изучения электрохимических характеристик мБТЭ. Показана возможность функционирования мБТЭ в организме животного - впервые в мировой практике мБТЭ имплантирован в организм лягушки и зарегистрирована генерация разности потенциалов при окислении глюкозы встроенным мБТЭ) 

●   Разработан макет микробного топливного элемента, основанного на чистой культуре уксуснокислых бактерий Gluconobacter oxydans, который был применен для очистки муниципальных сточных вод с очистных сооружений г. Пущино.

Элемент обеспечивал снижение уровня ХПК сточных вод на 32% и был способен генерировать электроэнергию (напряжение около 480 мВ с плотностью тока в 1.8 мА/см²) в течение 3 недель непрерывно.

Исследования поводились в сотрудничестве с НИЦ Курчатовский институт и Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН 

Опубликовано245 статей, 16 глав в книгах, 6 учебных пособий. Защищено 1 докторская и 11 кандидатских диссертаций. Получено 30 патентов. выполнено 25 проектов по грантам международных и российских фондов, соглашениям Минобрнауки.

Созданные биосенсорные аналитические устройства награждены дипломами и медалями на российских и международных (Франция, Германия, Китай) выставках (Московский Международный  салон инноваций и инвестиций, Международная ярмарка техники и технических достижений «TECHICAL FAIR», Биотехнологическая выставка-ярмарка «РосБиоТех-2007», Международная специализированная выставка A-TESTex (Аналитика) и др.

Руководитель лаборатории удостоен  звания "Заслуженный деятель науки и техники Московской области", награжден  грамотой Академии инженерных наук им. А.М. Прохорова, медалью Московской городской Организации Всероссийского общества изобретателей и рационализаторов «За высокий вклад в развитие изобретательства».