Разработка фундаментальных основ кинетических закономерностей и механизмов реакций селективного окисления ароматических соединений и сахаров с использованием биокатализаторов, в том числе магнитоотделяемых

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 проекта 21-19-00192

НазваниеРазработка фундаментальных основ кинетических закономерностей и механизмов реакций селективного окисления ароматических соединений и сахаров с использованием биокатализаторов, в том числе магнитоотделяемых

Руководитель Долуда Валентин Юрьевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" , Тверская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах

Ключевые слова Витамины, лекарственные препараты, кинетика, иммобилизованные ферменты, биокаталитическое окисление, адсорбционно-десорбционное равновесие, оксидоредуктазы, магнитоотделяемые моно- и биферментные каталитические системы, каскадные реакции

Код ГРНТИ31.15.28

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Из-за пандемии Covid-19 и других вирусных заболеваний, укрепление иммунной системы человека является основной задачей не только в России, но и во всем мире. Несмотря на достигнутые успехи, проблема эффективного синтеза биологически активных соединений (БАС) и лекарственных препаратов сохраняет актуальность и важность. Для совершенствования и модернизации производства витаминов и пищевых добавок, влияющих на иммунитет, необходима разработка новых эффективных каталитических систем для синтеза указанных соединений. Более того, полученные научные результаты будут важны и для развития химической технологии в целом. Синтезы многих БАС продолжают оставаться многостадийными и малоэффективными процессами, в которых большинство стадий требуют значительных затрат времени, а для получения целевых продуктов требуется дополнительная очистка. Кроме того, большинство синтезов БАС ведется в реакторах периодического действия с использованием традиционных растворителей и окислителей, многие из которых токсичны. Современные методы синтеза «one-pot» (каскадные реакции), предложенные в этом проекте, являются инновационными и экологически чистыми благодаря использованию экологически безопасных растворителей и окислителей. В основе ряда существующих в настоящее время синтезов лекарственных препаратов лежат реакции ферментативного окисления органических соединений. Одним из них является окисление D-глюкозы до D-глюконовой кислоты, которая используется в производстве глюконатов кальция, железа, цинка и витамина В2, как ингредиент препаратов для повышения свертываемости крови, а также для лечения аллергических реакций различного происхождения. В данном проекте исследования сосредоточены на изучении кинетики ферментативного окислительного процесса, осуществляемого с помощью разработанных биокатализаторов на основе ферментов, иммобилизованных на новых магнитоотделяемых мезопористых носителях. Предлагаемые исследования будут сфокусированы в четырех основных областях: (1) разработка перспективных носителей для иммобилизации ферментов класса оксидоредуктаз: глюкозооксидазы (GOx) и пероксидазы (HRP); (2) разработка биферментных катализаторов для каскадных реакций, (3) тестирование моно- и биферментных каталитических систем в процессах окисления и нахождение оптимальных условий реакций, (4) систематические кинетические исследования для понимания механизма ферментативного окислительного процесса с использованием новых биокатализаторов. Научная новизна данного проекта может быть представлена тремя различными аспектами. Для разработки основ кинетики и механизмов биокаталитического окисления, во-первых, будут разработаны новые магнитоотделяемые носители с различными размерами пор, позволяющие систематически контролировать местоположение фермента, поверхностную плотность и активность в ферментативных реакциях. Во-вторых, будут разработаны новые биокатализаторы – иммобилизованные ферменты – путем иммобилизации одного или двух различных ферментов на поверхности носителя. В случае двух ферментов изменение соотношения и загрузки ферментов, их концентрации, расположения и плотности на поверхности одного и того же или различных носителей позволит контролировать свойства биокатализатора. В-третьих, новые иммобилизованные моно-ферменты будут изучены в окислении D-глюкозы до D-глюконовой кислоты (полупродукта витамина В2 и лекарственных средств), для определения оптимального носителя. Биферментные катализаторы будут впервые изучены в каскадных реакциях с дополнительным преимуществом магнитного отделения. Будут получены новые знания о кинетике и механизме реакций с моно - и биферментными катализаторами, что откроет путь для их применения в различных процессах биокаталитического окисления. Полученные данные о кинетике и механизме процессов биокаталитического окисления с использованием иммобилизованных ферментов позволят в дальнейшем создать инновационные технологии получения витаминов и лекарственных препаратов, востребованные современной фармацевтической промышленностью.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сульман А.М., Матвеева В.Г., Гребенникова О.В., Тихонов Б.Б., Лакина Н.В. Magnetic Mesoporous Materials as an Effective Support for the Immobilization of Enzymes 21st International Multidisciplinary Scientific GeoConference & EXPO SGEM2021 (год публикации - 2021)

2. Сульман А.М., Гребенникова О.В., Матвеева В.Г., Сульман М.Г. Mesoporous Magnetically Separable Oxides in the Synthesis of Biocatalysts Based on Glucose Oxidase XII International Conference on Chemistry for Young Scientist "MENDELEEV 2021", страница 481 (год публикации - 2021)

3. Матвеева В.Г., Бронштейн Л.М. Magnetic nanoparticle-containing supports as carriers of immobilized enzymes: Key factors influencing the biocatalyst performance Nanomaterials, Том 11, Выпуск 9, Номер статьи 2257 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11092257

4. Гребенникова О.В., Сульман А.М., Матвеева В.Г. Influence of the Biocatalyst Support on the Activity of Immobilized Horseradish Root Peroxidase Chemical Engineering and Technology, Том 44, Выпуск 11, Страницы 2011-2017 (год публикации - 2021)
10.1002/ceat.202100126

5. Тихонов Б.Б., Стадольникова П.Ю., Сидоров А.И., Сульман М.Г. Определение активности глюкозооксидазы спектрофотометрическим методом Вестник Тверского государственного университета: серия "Химия", № 2 (44). С. 18–25 (год публикации - 2021)
10.26456/vtchem2021.2.2

6. Сульман А.М., Матвеева В.Г., Гребенникова О.В., Молчанов В.П., Лакина Н.В., Долуда В.Ю. Catalytic Performance of Glucose Oxidase Immobilized on Magnetic Zirconia 6th International School-Conference on Catalysis for Young Scientists, Abstracts, OP-V-8, страницы 115-116 (год публикации - 2021)

7. Матвеева В.Г., Сульман А.М., Гребенникова О.В., Тихонов Б.Б., Сидоров А.И. Immobilization of Glucose Oxidase on Magnetic Mesoporous Oxides 21st International Multidisciplinary Scientific GeoConference & EXPO SGEM2021 (год публикации - 2021)

8. Сульман А.М., Гребенникова О.В., Тихонов Б.Б., Молчанов В.П., Быков А.В., Сидоров А.И., Матвеева В.Г. Магнитоотделяемые биокатализаторы для окисления D-глюкозы Материалы V Всероссийской научной конференции (с международным участием) "Актуальные проблемы теории и практики гетерогенных катализаторов и адсорбентов", страницы 419-420 (год публикации - 2021)

9. Гребенникова О.В., Сульман А.М., Бронштейн Л.М., Матвеева В.Г. Synthesis of D-gluconic acid by biocatalytic method 5th European Conference on Green and Sustainable Chemistry - Conference Proceedings, страницы 408-409 (год публикации - 2021)

10. Матвеева В.Г., Стадольникова П.Ю., Тихонов Б.Б., Сидоров А.И., Сульман М.Г. Novel biocatalyst on the base of alginate microspheres and glucose oxidase 5th European Conference on Green and Sustainable Chemistry - Conference Proceedings, страницы 149-150 (год публикации - 2021)

Публикации

1. Сульман А.М., Хаскель А.К., Тихонов Б.Б., Гребенникова О.В., Сидоров А.И., Бронштейн Л.М., Матвеева В.Г. Larger pores dramatically enhance activity of an immobilized enzyme in mesoporous magnetic silica Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 341, Art. 112092 (год публикации - 2022)
10.1016/j.micromeso.2022.112092

2. Матвеева В.Г., Бронштейн Л.М. From renewable biomass to nanomaterials: Does biomass origin matter? Progress in Materials Science, Vol. 130, Art. 100999 (год публикации - 2022)
10.1016/j.pmatsci.2022.100999

3. Матвеева В.Г., Сульман А.М., Гребенникова О.В., Тихонов Б.Б., Косивцов Ю.Ю. Magnetically Separable Zirconium Oxide for Effective Immobilization of Glucose Oxidase 22nd International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2022 (год публикации - 2022)

4. Гребенникова О.В., Сульман А.М., Сидоров А.И., Сульман М.Г., Молчанов В.П., Тихонов Б.Б., Матвеева В.Г. Magnetically separable biocatalysts based on glucose oxidase for D-glucose oxidation Russian Chemical Bulletin, Vol. 71(3), pp. 524–530 (год публикации - 2022)
10.1007/s11172-022-3443-0

5. Матвеева В.Г., Сульман А.М., Гребенникова О.В., Косивцов Ю.Ю., Долуда В.Ю. Иммобилизация ферментов на гетерогенных носителях, содержащих магнитные наночастицы: ключевые факторы, влияющие на производительность биокатализатора Актуальная биотехнология, № 1, С. 35-39 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Сульман А.М., Долуда В.Ю., Гребенникова О.В., Тихонов Б.Б., Сидоров А.И., Молчанов В.П., Матвеева В.Г. Bienzyme Biocatalysts Based on Mesoporous Silica in a Cascade Reaction Chemical Engineering Transactions, Vol. 103, pp. 757-762 (год публикации - 2023)
10.3303/CET23103127