Разработка и создание новых наноматериалов и нанотехнологий для выделения белков и производства белковых препаратов

1. Разработка и создание новых наноматериалов и нанотехнологий для выделения белков, их модификации и производства белковых препаратов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики
Факультет пищевых биотехнологий и инженерии
Кафедра пищевой биотехнологии продуктов из растительного сырья
Разработка и создание новых
наноматериалов и нанотехнологий
для выделения белков, их
модификации и производства
белковых препаратов
Выполнила: Любчикова В.А.
Группа Т4130
Проверила: Забодалова Л.А.
Санкт-Петербург,
2016

2. Введение

Понятие нанотехнологии прочно входит в
нашу жизнь, а еще в 1959 г. знаменитый
американский физик-теоретик Ричард Фейнман
говорил о том, что существует "поразительно
сложный мир малых форм, а когда-нибудь
(например в 2000 г.) люди будут удивляться
тому, что до 1960 г. никто не относился
серьезно к исследованиям этого мира".
Нанотехнологии сейчас находится в
начальной
стадии
развития,
поскольку
основные открытия, предсказываемые в этой
области, пока не сделаны. Тем не менее,
проводимые
исследования
уже
дают
практические результаты.

3. Нанотехнологии

Нанотехнологии – это технологии, которые
манипулируют
единичными
объектами
размером не более 100 нм и используют их
уникальные свойства, возникающие вследствие
того, что в наночастицах, благодаря их малым
размерам, существенно изменяются физикохимические свойства вещества.

4. Детонационные наноалмазы

Наноалмазы обладают рядом важных физико-химических
свойств: размер алмазного ядра первичных частиц равен 4-6 нм,
что обеспечивает высокоразвитую поверхность материала
(до 420 м2/г); на поверхности присутствуют различные химически
активные функциональные группы, углеводородные фрагменты,
микропримеси металлов; наноалмазы обладают химической
устойчивостью
к агрессивным
факторам
и механической
прочностью. Очевидно, что материал с такими свойствами
должен обладать превосходными сорбционными свойствами
к различным соединениям биологической и небиологической
природы.

5. Модифицированные наноалмазы

В ИБФ СО РАН получены модифицированные наноалмазы (МНА), обладающие
высокой коллоидной устойчивостью в дисперсионных средах и адаптированные
для биологических и медико-биологических исследований, которые не имеют
мировых аналогов. Эти наноматериалы получают, применяя технологии
дополнительной очистки наночастиц, позволяющие снизить поверхностные
примеси металлов и органики.
Наличие таких наноматериалов открывает возможности всесторонних
исследований биологического и медико-биологического характера.
Гидрофобные и флуоресцирующие НА
Электронная
фотография
НА;
схематическое
изображение его поверхностных функциональных групп;
голубое
флуоресцентное
свечение
дисперсии
модифицированных НА.
Внешний вид порошков (вверху) и гидрозолей (внизу)
модифицированных наноалмазов.

6.

Основными направлениями исследований, которые проводятся ИБФ СО РАН,
являются:
•Создание и применение наноалмазных сорбентов для выделения и очистки
белков;
•Создание индикаторных тест-систем на основе комплексов наноалмазмаркерный белок (белки);
•Изучение
воздействия
наноалмазов
на сложноорганизованные
биологические системы с целью оценки возможности их использования как
энтеросорбента и носителя лекарственных препаратов.
•Разработаны методы выделения и очистки белков в объеме, доочистки
белковых препаратов, а также препаративного выделения белков объемным
методом с помощью НА.

7. Создание сорбентов для хроматографии белков

Не менее перспективным является применение НА в создании сорбентов для
колоночной хроматографии белков. В ходе выполнения государственного
контракта на основе инертной полисахаридной матрицы и МНА создан
сорбент для колоночной хроматографии низкого давления. Возможность его
практического применения показана на примере выделения и очистки
светоизлучающего фермента люциферазы из грубых экстрактов клетокпродуцентов.
Проведенные исследования позволили выявить некоторые ключевые
механизмы взаимодействия белковых молекул с поверхностью наночастиц
(образование ковалентных связей, например, -S-S- мостиков; образование
координационных связей белок-металл; ионообменные взаимодействия;
гидрофобные взаимодействия; многоточечное связывание с участием
нескольких механизмов).

8.

Наноалмазы можно рассматривать как полифункциональный адсорбент для
применения в белковой химии, который позволяет проводить разные типы
хроматографий. Надо отметить, что такой универсальностью не обладает ни один
из сорбентов, выпускаемых ведущими фирмами.
К преимуществам применения алмазных наноматериалов
сорбентов при объемных методах выделения белков относятся:
как
•Быстрота — при наличии исходного экстракта вся процедура занимает не более 3060 минут;
•Простота — из процесса исключено специализированное хроматографическое
оборудование;
•Эффективность — выход высокоочищенных и гомогенных целевых продуктов
составляет от 35 до 60%;
•Возможность многократного использования НА для очистки белка;
•Возможность параллельно выделению белка проводить его концентрирование.

9.

Не менее
перспективным
и многообещающим
является
применение наночастиц в создании
индикаторных
и диагностических
тест-систем (прототипов биочипов)
для
биологии
и медицины.
Установлено,
что
ферменты,
адсорбированные
на частицах
НА, могут
сохранять
свою
каталитическую
функцию.
Это
явилось предпосылкой для создания
плоскостных индикаторных тестсистем,
в которых
сенсорным
элементом
являются
частицы
НА, несущие на своей поверхности
адсорбированные маркерные белки.
В качестве
примера
приведен
светоизлучающий белок обелин.

10.

Приведенные данные свидетельствуют о перспективах применения
детонационных НА в различных областях биологии. В то же время
весьма велика вероятность, что частицы НА могут найти
применение и в области медицины. Например, использоваться как
адсорбенты для выведения из организма (или удаления с его
поверхности) нежелательных и токсичных соединений (продукты
метаболизма, тяжелые металлы, радионуклиды, ксенобиотики), как
носители препаратов, применяемых в лечебных целях (лекарства,
ферменты, изотопы и т.д.).
МНА позволили получать золи с точной концентрацией частиц,
проводить их стерилизацию и применять в медико-биологических
экспериментах.

11. Полимеризация

Это метод нанотехнологий, в основе которого лежит
получение наноматериалов в виде полимеров из
исходных
мономеров
с помощью
реакций
полимеризации или поликонденсации.
Для его осуществления применяют так называемые
генные
машины,
позволяющие
синтезировать
различные
фрагменты
ДНК
(их
называют
олигонуклеотидами
от
греч.
«оligos» – немного,
незначительно, в отличие от полинуклеотида – целой
ДНК). Затем из этих фрагментов с помощью все тех же
генных машин конструируют матрицы, необходимые
для производства того или иного вещества.
Синтезированные шаблоны ДНК вводятся в ДНК
бактерий, которые затем производят множество копий
нужного белка.
Это позволяет эффективно строить белковые фабрики
для получения практически любого выбранного
протеина. Примером практического применения
данного метода нанотехнологий является получение
инсулина для лечения диабета.

12.

Спасибо за внимание.