Наши исследователи конструируют природные ферменты

Слово «конструировать» уже давно и прочно вошло в нашу жизнь. Даже не будучи инженером или художником, многие из нас прекрасно понимают, что конструировать можно технические объекты, в том числе подвижные, а также художественные образы.

И тем интереснее узнать, что команда исследователей под руководством доктора химических наук, профессора, заведующей кафедрой «Биотехнология» Естественнонаучного института Тульского государственного университета Ольги Николаевны Понаморёвой при грантовой поддержке Российского научного фонда и Комитета по науке и инноватике Тульской области конструирует природные ферменты.

Но здесь сразу же возникает вопрос. Как можно конструировать то, что уже сконструировано самой природой? У Ольги Николаевны есть научное объяснение этому.

— Суть нашей работы заключается в поиске и создании особых белков-ферментов у бактерий и архей, обитающих в экстремальных условиях, например, в солёных озёрах, — рассказывает она. — Эти ферменты обладают рядом уникальных свойств — стабильностью, способностью быть активными в щелочной среде и устойчивостью к высоким концентрациям соли. И наша главная задача заключается в том, чтобы приручить их, то есть освоить лабораторное производство для последующего применения в полезных разработках.

В рамках реализации своего проекта команде удалось достичь действительно прорывных результатов.

Впервые было обнаружено, что двухдоменные лакказы актинобактерий способны окислять билирубин даже эффективнее дорогостоящего фермента, билирубиноксидазы, применяемого сейчас в медицине.

С помощью нанотехнологий исследователи создали подход, позволяющий ферменту правильно прикрепиться к электроду для эффективной передачи электронов на молекулярный кислород.

Этот подход, который они назвали «нафтильный ключ», заключается в химической модификации поверхности электрода субстрат-подобными соединениями, например, нафталином. За счет высокого сродства к подобным соединениям белковая молекула фермента садится своим активным центром на поверхность электрода, что позволяет сократить расстояние для эффективного туннелирования электронов.

Подобный биоэлектрод, подчёркивает Ольга Николаевна, открывает путь к разработке миниатюрных ферментных биотопливных элементов. А ведь раньше бактериальные лакказы относили к разряду непригодных для прямого переноса электронов.

Исследователи также сформулировали правила подбора экспрессионной системы под каждый тип фермента (архейный или бактериальный).

Полученные результаты, говорит профессор Понаморёва, создают фундамент для разработки недорогих, стабильных и точных диагностических систем, которые можно использовать за пределами лаборатории. К ним относятся медицинские тест-полоски для определения билирубина в крови, биотопливные элементы (устройства, вырабатывающие электричество за счёт ферментов), биосенсоры, а также новые биополимеры.

Тест-полоски для определения билирубина необходимы для диагностики желтухи у новорожденных, гепатитов и закупорки жёлчных протоков. Задействованные в проекте ферменты устойчивы к высоким концентрациям солей, сохраняют активность в щелочной среде, где билирубин хорошо растворим, и не требуют сложных реагентов. А это значительно упрощает конструкцию тест-систем.

В перспективе эти же качества позволят внедрять ферменты в процессы зелёной химии — заменять агрессивные химические катализаторы при синтезе лекарственных препаратов и полимерных материалов, а также очищать сточные воды от токсичных красителей и антибиотиков.

Имплантируемые биотопливные элементы, питающиеся от глюкозы крови, могут в дальнейшем обеспечивать энергией кардиостимулятор или вживлённый в организм датчик. Выявленная способность ферментов к прямому переносу электронов идеально подходит для миниатюризации этих устройств.

Ещё одна область применения, продолжает Ольга Николаевна, это создание умных упаковочных материалов, например, антиоксидантных плёнок. К настоящему времени уже получен материал с 85% сшивкой хитозана с феруловой кислотой, обладающий комплексом полезных свойств.

В состав команды исследователей вошли химики, биологи и материаловеды. Восемь из десяти человек являются молодыми учёными.

Каждый из участников вносит свой вклад в реализацию проекта.

Ольга Николаевна Понаморёва осуществляет анализ данных и подготовку публикаций, взаимодействует с медицинскими учреждениями и индустриальными партнёрами.

Кандидат химических наук, заведующий лабораторией экологической и медицинской биотехнологии ТулГУ Сергей Валерьевич Алфёров занимается электрохимией, модификацией углеродных нанотрубок, разработкой электродов, сборкой биосенсоров и биотопливных элементов.

Фронт исследовательских работ кандидатов биологических наук, научных сотрудников Пущинского научного центра биологических исследований РАН Любови Игоревны и Ивана Васильевича Трубициных включает в себя молекулярную биотехнологию, клонирование генов, экспрессию и очистку рекомбинантных ферментов, получение активных белков.

Кандидат биологических наук, научный сотрудник Пущинского научного центра биологических исследований РАН, доцент кафедры «Биотехнология» Естественнонаучного института ТулГУ Азат Вадимович Абдуллатыпов отвечает за биоинформатику и компьютерное моделирование (построение 3D-моделей ферментов, предсказание их свойств и характера взаимодействия с электродами), а кандидат технических наук Ирина Владимировна Гутник из Тамбовского государственного технического университета — за синтез и характеристику углеродных наноматериалов (нанотрубок и графеновых пластинок).

Аспиранты Марина Петракова, Александр Дмитрук, Константин Егоров, Павел Оськин и магистранты в рамках данного проекта выполняют экспериментальную работу, осваивают современные методики и готовят диссертационные исследования.

Вот такая получилась дружная междисциплинарная команда, члены которой объединены общей целью. Их работа уже получила признание. Статья об исследованиях наших коллег была напечатана в дайджесте (стр 88-90) Российского научного фонда «Открывай с РНФ».

— Перспективы развития этой тематики достаточно большие, — резюмирует Ольга Николаевна Понаморёва. — В ближайшие 5-10 лет ожидается появление коммерческих тест-систем на билирубин на основе полученных ферментов, расширение линейки ферментов методами направленной эволюции и внедрение их, как было сказано выше, в зелёную химию. Кроме того, наработанные методики, такие как поиск генов, подбор экспрессионных систем, ориентация ферментов на электродах, станут технологической платформой для инженерии и других классов оксидоредуктаз.

А у нас впереди расширение горизонтов исследований!

Татьяна Крикункова

Фото предоставлены О.Н. Понаморёвой