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

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 23-24-10052

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

Руководитель Погорелова 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

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 слова Нанофибриллярная 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.18411/trnio-09-2023-146

2. 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)
10.47813/mip.5.2023.9.75-81

3. 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)

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

5. 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)

6. 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)
10.18411/trnio-11-2023-329

7. Погорелова Н.А., Сарницкая Н.А. THE EFFICIENCY OF BACTERIAL CELLULOSE BIOSYNTHESIS FROM THE AMOUNT OF NITROGENOUS COMPOUNDS IN THE NUTRIENT MEDIUM EDP Sciences, Том 108, 2024 (год публикации - 2024)
10.1051/bioconf/202410810005

8. Погорелова Н., Дигель И. EXPRESSION OF GENES INVOLVED IN THE BIOSYNTHESIS OF BACTERIAL CELLULOSE BY SYMBIOTIC CULTURE OF MEDUSOMYCES GISEVII, DEPENDING ON THE AVAILABLE CARBON SOURCE EDP Sciences - Web of Conferences, Т. 100. С. 02030. (год публикации - 2024)
10.1051/bioconf/202410002030

9. 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. ОЦЕНКА БИОСОВМЕСТИМОСТИ ГЕЛЬ-ПЛЕНОК БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ФЕРМЕНТНЫХ И ДЕТЕРГЕНТНЫХ МЕТОДОВ ЕЕ ОЧИСТКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ У КРЫС Политравма/Polytrauma, № 1. С. 67-74. (год публикации - 2024)
10.24412/1819-1495-2024-1-67-74

10. Погорелова Н.А., Сарницкая Н.А., Полянский К.К., Дерканосова А.А., Коновалов С.А. Физико-химические свойства и липидосвязывающая способность бактериальной целлюлозы, синтезированной на молочной сыворотке ФГБОУ ВО "Воронежский государственный университет инженерных технологий", г. Воронеж, Т. 86. № 3, С. 172-180. (год публикации - 2024)

11. Погорелова Н.А., Сарницкая Н.А. Исследование динамической вязкости бактериальной целлюлозы Сборник статей XVIII Международной научно-практической конференции. Междисциплинарные исследования: опыт прошлого, возможности настоящего, стратегии будущего. Москва, 22 марта 2024 года., С. 163-171. (год публикации - 2024)

12. Погорелова Н., Паршин Д., Липовка А., Бесов А., Дигель И., Ларионов П. STRUCTURAL AND VISCOELASTIC PROPERTIES OF BACTERIAL CELLULOSE COMPOSITES: IMPLICATIONS FOR PROSTHETICS MDPI Open Access Publishing, Т. 16. № 22. 3200 (год публикации - 2024)
doi.org/10.3390/polym16223200

13. Погорелова Н., Рогачев Е., Акимбеков Н., Дигель И. EFFECT OF DEHYDRATION METHOD ON THE MICRO- AND NANOMORPHOLOGICAL PROPERTIES OF BACTERIAL CELLULOSE PRODUCED BY MEDUSOMYCES GISEVII ON DIFFERENT SUBSTRATES JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE Учредители: Springer Science+Business Media B.V., Formerly Kluwer Academic Publishers B.V., Т. 59. № 15. С. 6614-6626. (год публикации - 2024)
10.1007/s10853-024-09596-3

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Изучена эффективность питательных сред - гидролизатов крахмала и лактозы в лабораторных условиях на продукцию бактериальной целлюлозы в процессе биосинтеза при культивировании симбиотической культуры Мedusomyces gisevii. Отмечено, что гидролизаты растворов лактозы характеризуются более высокими значениями степени конверсии и скоростью биосинтеза в сравнении с гидролизатами крахмала. Результаты исследований показали низкую эффективность лактозы молочной сыворотки как источника углерода в производстве БЦ, поэтому определен предварительный этап гидролиза лактозы производственными ферментными препаратами с контролируемой глубиной конверсии. Установлены высокие значения степени конверсии в пересчете на лактозу для ферментированной молочной сыворотки (14,3%) в сравнении с исследуемыми гидролизованными растворами ди и полисахаридов. При культивировании симбиотической культуры Мedusomyces gisevii на субстратах глюкозе или сахарозе в статических условиях без УФ облучения наблюдается более высокая экспрессия генов, вовлеченных в биосинтез целлюлозы. УФ облучение снижает разницу в экспрессии генов бактерий, находящихся в синтезированных гель пленках БЦ и в культуральной среде. Культивирование симбиотической культуры в динамических условиях характеризуется инверсией активности генов между жидкой частью и гель пленкой БЦ, при этом общий уровень экспрессии значительно падает в сравнении со статическими условиями биосинтеза. Установлена фибриллярная структура бактериальной целлюлозы, синтезированной на гидролизатах ди и полисахаридов, ферментированной молочной сыворотки, методами АСМ и РЭМ. Диаметр макрофибрилл целлюлозы - от 100 нм до 290 нм, длина достигает 20 мкм. Для образцов БЦ, полученных на гидролизатах лактозы, крахмала и молочной сыворотки характерна ярко выраженная слоистая структура, толщина слоя около 1 мкм. Определена большая извитость макрофибрилл лиофилизированных образцов бактериальной целлюлозы. Размер свободных пространств между фибриллами имеет высокую вариабельность, достигает 1,5 мкм. Определено два характерных типа взаимодействия между фибриллами: точки разветвления, где одно волокно делится на два и точки контакта, определенные пространственным взаимодействием фибрилл и возникновением водородных связей и/или сил Ван-дер-Ваальса. Применение методов механической дезагрегации и ферментации целлюлазами приводит к раскручиванию макрофибрилл БЦ и их фрагментации. Отдельные макрофибриллы показали сегментарную структуру в виде чередующихся сферических участков диаметром до 300 нм. Получены рентгенограммы гель пленок и температурно дегидратированных образцов бактериальной целлюлозы, синтезированных на гидролизатах. В исследуемом диапазоне для всех образцов определены 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). Бактериальная целлюлоза, синтезированная на гидролизованной молочной сыворотке, характеризуется более упорядоченной фибриллярной структурой (степень кристалличности 98%). Дегидратация БЦ приводит к уменьшению межатомных расстояний. Воздействие ультразвука и обработка перекисью водорода способствует разрушению водородных связей полимерных цепей целлюлозы и увеличению межатомных расстояний. Механические испытания образцов БЦ проводили на воздухе (разрывная машина ZwickRoell Xforce HP) и в физиологическом растворе при Т=37С (универсальная испытательная машина Instron 5944 (Instrin, США)). Определены прочностные характеристики - модуль Юнга, прочность на разрыв, относительное удлинение, гель пленок и регидратированных образцов бактериальной целлюлозы, синтезированных на исследуемых гидролизатах. Вязкоупругие свойства БЦ определяли методом динамического механического анализа (DMA) на реометре Anton Paar MCR 302. Дана характеристика прочностным и вязкоупругим свойствам композиционного материала целлюлозной природы «сэндвичного» типа. В работе впервые была дана физическая интерпретация точки пересечения кривых зависимости модулей упругости от частоты деформации при частотном испытании, а данные амплитудного реометрического испытания впервые были сопоставлены с данными одноосного испытания на прочность, выполненного в условиях, близким к физиологическим. Для гель пленок БЦ, синтезированных в биореакторе, характерна значительная разница в эластичности при испытаниях в разных направлениях. По результатам частотных испытаний определено, что образцы гель пленок БЦ синтезированные в статических условиях и в биореакторе более стабильны в сравнении с дегидратированными образцами, имеют самую высокую частоту «точек текучести». С увеличением частоты деформации установлено «упрочняющее» поведение нативных гель пленок БЦ, в то время как регидратированные образцы теряют упругие свойства с увеличением частоты деформации в диапазоне 20-160 Гц. Разработан проект и создан прототип биореактора. Построена матрица влияния режимов биосинтеза на продукцию бактериальной целлюлозы в предлагаемом биореакторе. Определены оптимальные характеристики процесса производства бактериальной целлюлозы на основе полученной модели биореактора. Уточнены конструкторские параметры биореактора.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Показана эффективность использования молочной сыворотки в биосинтезе бактериальной целлюлозы. Результаты исследований производства БЦ на гидролизатах крахмала и молочной сыворотки расширяют круг природных питательных сред для биосинтеза полимера и возможности утилизации отходов молочной промышленности. Характеристика БЦ с точки зрения пищевой добавки и практическое обоснование ее применения в различных пищевых системах, может помочь технологам и ученым-диетологам в разработке новых рецептур и упаковочных материалов для пищевых продуктов. Пространственная ориентация целлюлозных фибрилл полимерной 3d матрицы, синтезированной в разработанном биореакторе, дает возможность моделирования и производства анизотропных материалов. Применение оценки механических свойств гидрогелей бактериальной целлюлозы в физиологических условиях и их вязкоупругих характеристик дает возможность применение результатов такого анализа в биомедицинских целях для создания биосовместимого материала.