КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-24-10052

НазваниеФундаментальные исследования структуры и свойств наноматериала и его биотехнологические аспекты производства в предлагаемом биореакторе

РуководительПогорелова Наталья Анатольевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина", Омская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые словаНанофибриллярная целлюлоза, биореактор, динамический режим культивирования, анизотропия, биотехнология, степень кристалличности, биоконверсия, биосинтез, экономическая эффективность.

Код ГРНТИ62.13.27; 62.13.57; 62.13.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В мировой практике наблюдается интенсификация исследований как молекулярных механизмов синтеза, так биотехнологических процессов производства природных полисахаридных матриксов, являющиеся альтернативой синтетическим полимерам. Значительный пул этих исследований посвящен изучению факторов влияющих на секрецию внеклеточного полисахарида - целлюлозы. Однако низкая степень конверсии субстратов бактериальными клетками – продуцентами бактериальной целлюлозы (БЦ), и высокая стоимость биореакторов и компонентов среды, что возможно определено ограниченными знаниями о механизме биосинтеза и внеклеточном транспорте бактериальных клеток, являются основными ограничениями для промышленного производства и коммерческого применения продуктов на основе бактериальной целлюлозы. Проект призван достичь значительного прогресса в ряде проблем, лежащих в совершенно разных плоскостях: молекулярно-биологической, научно-биотехнологической и проектно-технической. Фундаментальные исследования в рамках проекта направлены на выявление и изучение взаимосвязей параметров, характеризующих процесс биосинтеза целлюлозы с характеристиками структурной организации полимера и физико-механическими свойствами БЦ, что даст возможность в управлении функциональных свойств полисахарида на этапе синтеза. Определение корреляции экспрессии генов, участвующих в продукции бактериальной целлюлозы от условий биосинтеза позволяет сформировать знания об организации межоперонного взаимодействия у прокариот и откроет дополнительные возможности генно-инженерных подходов в точных модификациях сложных симбиотных систем. Исследование и анализ зависимости степени конверсии субстрата и скорости продукции бактериальной целлюлозы от условий культивирования симбиотической культуры как на полусинтетических питательных средах, так и на отходах пищевых производств - молочная сыворотка, крахмальные гидролизаты, даст информацию об эффективности ассимиляции углерода различных субстратов продуцентами. Определены методы подготовки вторичного сырья, как питательных сред, соответствующие принципам "зеленой химии". Будут значительно расширены, систематизированы и углублены теоретические знания о физико-химических и структурных характеристиках бактериальной целлюлозы из различных источников углерода, а так же нанофибриллярного материала, полученного физической модификацией бактериальной целлюлозы. Получены результаты апробации методик физической модификации бактериальной целлюлозы: изучено влияние физических факторов (тепловая и сублимационная дегидратация, дезагрегация, ультрозвуковая обработка) на состояние наноструктуры бактериальной целлюлозы: - морфология – особенности строения 3-d матрицы полимера, - химической строение – пространственное расположение сегментов молекул полимера, - надструктура – степень кристалличности, фазовое соотношение и др. (методом рентгеноструктурного анализа). Определение зависимости макросвойств материала от изменения наноструктуры бактериальной целлюлозы позволит получить воспроизводимые и масштабируемые результаты производства биоматериала, конструирования нанокомпозитов на его основе, а также значительно расширить области их применения. Поэтому в рамках проекта будут проведены исследования зависимости физических и физико-химических свойств полисахаридного матрикса (влагопоглощающей и влагоудерживающей способности, прочностных характеристик, газопроницаемости) как от условий синтеза, так и от физической модификации полисахаридного матрикса. В рамках проекта предполагается достижение значительного успеха в разработке прототипа биореактора для синтеза бактериальной целлюлозы в условиях динамического производства. На основании проведенных исследований получены характеристики прототипа реактора и их влияние на биосинтез и свойства бактериальной целлюлозы.

Ожидаемые результаты
1. Будет изучено влияние условий культивирования симбиота Мedusomyces gisevii на биосинтез нанофибриллярного материала - бактериальная целлюлоза, построена матрица влияния задаваемых параметров. По эмпирическим данным дана оценка степени эффективности источника углерода (моно- и дисахаридов) в процессе биосинтеза, в том числе экономической целесообразности питательных сред. 2. Дана оценка эффективности биотехнологии производства бактериальной целлюлозы на отходах пищевых производств - молочная сыворотка, крахмальные гидролизаты. Определены методы подготовки вторичного сырья для биосинтеза, соответствующие принципам "зеленой химии". Полученные результаты степени конверсии субстрата и скорости биосинтеза бактериальной целлюлозы позволят оптимизировать условия производства бактериальной целлюлозы не только на полусинтетических питательных средах, но и на отходах пищевых производств, с целью обоснования экономической эффективности процесса. 3. Будут определены гены-мишеней Komagataeibacter xylinus симбиота Мedusomyces gisevii, вовлеченных в биосинтез бактериальной целлюлозы. Подобраны необходимые олигонуклетиды. Будет получен инструментарий для дальнейшей работы по оценки профилей экспрессии генов уксусно-кислых бактерий в разных условиях культивирования 4. Изучена взаимосвязь физических, химических, физико-химических свойств и иерархической структуры бактериальной целлюлозы. Будут значительно расширены, систематизированы и углублены теоретические знания о физико-химических и структурных характеристиках бактериальной целлюлозы из различных источников углерода. 5. Получены результаты апробации методик физической модификации бактериальной целлюлозы: изучено влияние физических факторов (тепловая и сублимационная дегидратация, дезагрегация, ультрозвуковая обработка) на состояние наноструктуры бактериальной целлюлозы: - морфология – особенности строения 3-d матрицы полимера, - химической строение – пространственное расположение сегментов молекул полимера, - надструктура – степень кристалличности, фазовое соотношение и др. (методом рентгеноструктурного анализа). 6. Будет разработан прототип биореактора для синтеза бактериальной целлюлозы в условиях динамического производства. Получены характеристики прототипа реактора и их влияние на биосинтез и свойства бактериальной целлюлозы. На основании проведенных исследований получены характеристики для разработки конструктивной документации.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Определена зависимость показателей процесса биосинтеза БЦ симбиотической культуры Мedusomyces gisevii от природы и концентрации субстрата, температуры и технологических условий. Из анализа результатов процесса биосинтеза БЦ уксуснокислыми бактериями, изолированными из симбиотического консорциума установлено, что уменьшение количества пептона и дрожжевого экстракта жидкой питательной среды RAE снижает как количество синтезируемой БЦ, так и степень конверсии субстрата глюкозы. Исключение пептона из состава жидкой питательной среды RAE, способствует как биосинтезу БЦ, так и определяет наибольшую степень конверсии субстрата глюкозы в сравнении с исследуемыми составами питательных сред. 2. При культивировании симбиотической культуры Мedusomyces gisevii на субстратах глюкозе или сахарозе в сравнении с фруктозой в статических условиях наблюдается более высокая экспрессия генов, вовлеченных в биосинтез целлюлозы. Экспрессия соответствующих генов бактерий, находящихся в синтезированных гель пленках БЦ значительно выше, чем бактерий, находящихся в культуральной среде. 3. Определены особенности фибриллярной структуры дегидратированных образцов БЦ методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Получены рентгенограммы температурно дегидратированных и лиофилизированных образцов бактериальной целлюлозы, синтезированных на субстратах: глюкоза, сахароза и фруктоза. В исследуемом диапазоне для всех образцов характерны рефлексы в районе 14,5°, 16,7° и 22,5°. Для каждого угла дифракции определены: расстояние между атомными плоскостями, размер кристаллитов (Cs) и степень кристалличности (CI). Для дегидратированных образцов БЦ, синтезированных на исследуемых субстратах: сахароза, фруктоза и глюкозой определена в ИК спектре широкая полоса поглощения в области 3570-3125 см-1, с максимумом при 3356-3354 см–1. Пик плеча при 3240 см-1, характерный в спектрах дегидратированных образцов БЦ свидетельствует о преобладании Iα целлюлоза. Наличие полос 1428, 1163, 1111, 897 см-1 также характеризует образование целлюлозы I. Эти результаты указывают на то, что использованный процесс сушки и методы очистки не преобразуют целлюлозу I во II. Определены прочностные характеристики - модуль Юнга, прочность на разрыв, относительное удлинение, гель пленок и дегидратированных образцов бактериальной целлюлозы, синтезированных на субстрате глюкоза в течение: 5, 9, 12 и 15 суток. Определена влагопоглащающая и влагоудерживающая способность дегидратированных термически гель пленок БЦ. Водоудерживающая способность (WHC) гель пленок бактериальной целлюлозы составила 80,35±0,33 г/г. Определено, что сушка БЦ даже при низких температурах приводит к значительному снижению его водопоглощающей (набухающей) способности 6,82±0,12 г/г, что может быть связано со значительным изменением внутренней структуры полимера. 4. Разработан и создан прототип биореактора для синтеза БЦ. Проведен многофакторный анализ продукции БЦ в предлагаемом биореакторе на субстрате глюкоза при культивировании симбиотической культуры Мedusomyces gisevii. Установлены оптимальные конструкционные характеристики (размеры барабана, шероховатость и др.) и режимы работы разрабатываемого биореактора (скорость вращения, температура, продолжительность биосинтеза).

 

Публикации

1. Ларионов П.М., Погорелова Н.А., Харченко А.В., Терещенко В.П., Ступак Е.В., Ступак В.В., Самохин А.Г., Корель А.В., Кирилова И.А. МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БИОСОВМЕСТИМОСТИ НАТИВНЫХ МЕМБРАН БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТКАНЕИНЖЕНЕРНЫХ ПОДХОДОВ ДЕЦЕЛЛЮЛЯРИЗАЦИИ (ПИЛОТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ) MORPHOLOGICAL ASSESSMENT ПОЛИТРАВМА/POLYTRAUMA, № 3, С. 14-23. (год публикации - 2023)

2. Погорелова Н.А., Сарницкая Н.А. Характеристика пищевых волокон как стабилизаторов майонезов ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ, №102, Сентябрь 2023 (Часть 3) , 110-114 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18411/trnio-09-2023-146

3. Погорелова Н.А., Сарницкая Н.А. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОЛИЗАТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ В БИОСИНТЕЗЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Сборник научных статей по материалам V Международной научной конференции. Красноярск, 2023, Модернизация, Инновации, Прогресс (МИП-V-2023) , 75-81 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.47813/mip.5.2023.9.75-81

4. Погорелова Н.А., Сарницкая Н.А. Изолирование целлюлозосинтезирующих микроорганизмов из симбиотического консорциума и оценка их продуктивности ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ, №103-6, 55-59 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18411/trnio-11-2023-329

5. Погорелова Н.А., Сарницкая Н.А. Полисахариды как стабилизаторы пищевых систем Сборник научных статей по материалам Международной научно-практической конференции “Наука и инновации”. Бишкек (Кыргыстан, - (год публикации - 2024)

6. Погорелова Н.А., Сарницкая Н.А. Разработка сырного продукта с функциональными ингредиентами Сборник научных статей II Международного симпозиума «Пищевые здоровьесберегающие технологии», - (год публикации - 2023)