Биология

БИОСЕНСОРЫ

На 50-й, юбилейной Международной выставке изобретений и инноваций "Эврика-Брюссель" совместная разработка Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН (ИМБ, Москва), Института спектроскопии РАН (ИСАН, Троицк) и Института биохимии Университета города Мюнстера (ФРГ) - "Биоаналитическая система для определения биологически активных соединений" - была удостоена Диплома и золотой медали

. Об истории ее создания, научной и прикладной значимости нашему обозревателю А. К. Мальцеву рассказали руководители авторских коллективов с российской стороны - заведующий лабораторией ИМБ, доктор химических наук Ю.М. Евдокимов и заместитель директора ИСАН, доктор физико-математических наук О.Н. Компанец.

- Чем объясняется столь высокое признание созданной Вами системы, что она собой представляет и для чего предназначена?

- Ю.М. Евдокимов: Зачастую в медицинских, биохимических или экологических исследованиях необходимо установить, есть ли в организме человека или окружающей среде биологически активные или токсические соединения (антибиотики, тяжелые металлы, фосфорорганические и другие генотоксиканты, гепарин, общий белок и др.). Ныне для этого существует немало методов - жидкостная или газовая хроматография, масс-спектрометрия, спектроскопия и т.д., которые позволяют с высокой точностью определить наличие и концентрацию названных веществ. Однако подготовка пробы для анализа занимает много времени, необходимое оборудование стоит дорого, да и работать на нем должен высококвалифицированный персонал.

Наша система, выполняя те же функции (впрочем, они гораздо шире, о чем я еще скажу), полностью избавлена от перечисленных недостатков, поскольку она основана на принципе, еще не применяемом в мире. По существу речь идет об оптическом биосенсоре, состоящем из биодатчика на основе жидких кристаллов ДНК и портативного оптического аналитического устройства - дихрометра.

Важнейшая часть системы - биологический чувствительный элемент (биодатчик), представляющий собой ансамбль молекул ДНК, который "узнает" в анализируемой пробе соответствующие вещества и сообщает об этом путем выработки "первичного" сигнала. В качестве последнего может служить изменение массы и цвета пробы, ряд других ее параметров (оптических, электрических и т.д.). Биодатчики бывают специфические, позволяющие "узнавать" какое-то определенное соединение с очень высокой чувствительностью, достигающей нескольких тысяч молекул, и "группового определения", "вылавливающие" в пробе целый набор веществ (тяжелые металлы, пестициды и т.д.). А все собранные данные пользователю в очень удобной и наглядной форме выдает дихрометр.

Наша система позволяет получить ответ о свойствах исследуемой среды всего за 10-20 мин, причем проведение анализа не требует высококвалифицированного персонала, а сам он прост и дешев.

- Вы рассказали о "вершине айсберга", а как все-таки появился биодатчик и что такое дихрометр?

- Ю.М. Евдокимов: Я остановлюсь только на первой части вопроса, со второй Вас познакомит мой коллега.

Все началось с того, что руководимая мною группа ученых нашего института, в которую входили доктор биологических наук С.Г. Скуридин, кандидат химических наук В.И. Салянов и другие, в течение ряда лет изучала физико-химические и биологические свойства так называемого "конденсированного состояния" ДНК, характерного для головок некоторых вирусных частиц, спермиев и т.д., а также хромосом простейших. Результаты, имеющие фундаментальное значение, оказались весьма интересными с практической точки зрения. Мы обнаружили, что исследуемые молекулы находятся в жидкокристаллическом состоянии, т.е. с одной стороны им присуща подвижность, свойственная жидкости, а с другой - они пространственно упорядочены, как в кристаллах. Более того, было установлено: существуют как макроскопические жидкокристаллические фазы ДНК, так и их микрочастицы, причем с разным упорядочением молекул, и поэтому отличающиеся друг от друга своими свойствами, в частности, оптическими. Скажем, для пространственно закрученной (или, как говорят, холестерической) фазы ДНК характерна оптическая активность, в десятки и сотни раз превышающая таковую у единичных молекул и названная "аномальной".

Почему это важно? При взаимодействии азотистых оснований - структурных элементов ДНК, находящихся в обычном (не жидкокристаллическом) состоянии, с рядом химических или биологически активных соединений (антибиотики, противоопухолевые средства и т.п.) образуются комплексы, обладающие рядом специфических свойств, в том числе аномальной оптической активностью. Значит, с помощью азотистых оснований можно определить наличие некоторых групп веществ, а их самих рассматривать как своеобразные чувствительные элементы.

Оптическая активность - свойство некоторых веществ вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света.

Как было сказано, речь шла об обычном состоянии ДНК. А что произойдет, если его перевести в жидкокристаллическое? Опыты показали: способность к "узнаванию" соответствующих групп соединений и в этом случае не исчезает. В результате дальнейшего поиска мы обнаружили, что каждая частица жидкокристаллической холестерической фазы ДНК представляет собой миниатюрный (размером 0,5 мк) оптический датчик, меняющий свои характеристики при появлении биологически активных соединений в исследуемой среде. Мало того, используя упорядоченность молекул ДНК в данной фазе, мы научились "встраивать" между ними дополнительные чувствительные элементы, способные определять в исследуемой среде конкретные химические соединения. Это стало пионерским открытием.

В принципе, получив столь значимые результаты, мы вполне могли удовлетвориться, продолжать уточнять нюансы, готовить теоретические обоснования достигнутого и т.д., т.е. заниматься чистой наукой. Однако способность разных биологически активных соединений при взаимодействии с молекулами ДНК вызывать неодинаковые изменения оптических свойств их жидкокристаллических частиц подтолкнула нас к мысли использовать этот факт для "узнавания" присутствующих веществ. Но для его практического применения необходим был прибор, способный регистрировать изменения состояния биодатчика (длина волны, амплитуда и знак аномальной оптической активности) и выдавать нужную информацию в удобной для пользователя форме. Однако этот вопрос выходил за рамки нашей научной компетенции.

- И как же его решили?

- Ю.М. Евдокимов: За советом мы обратились в Министерство науки и технологий РФ (тогда оно так называлось) и нам подсказали привлечь к созданию необходимого устройства Институт спектроскопии РАН, хорошо известный разработками оптико-спектральных приборов.

- И как на это предложение отреагировали в подмосковном Троицке?

- О.Н. Компанец: Оно не застало нас врасплох. Предыдущий опыт ИСАН давал надежду на удачу. По существу предстояло разработать спектрометр, способный регистрировать сигнал оптического кругового дихроизма (о чем идет речь, скажу ниже), поступающий от биодатчика, т.е. дихрометр.

Как ни сложен данный прибор, состоит он из нескольких "простых", каждый из которых выполняет одну конкретную функцию. Рассмотрим принцип и последовательность их действия.

Все начинается с источника излучения, испускающего весь спектр видимого и ультрафиолетового света. Его луч сначала попадает в монохроматор - при помощи дифракционной решетки он выделяет одну длину волны; затем - в поляризатор, откуда выходит плоскополяризованным; наконец - в фотоэластический модулятор, вращающий плоскость его поляризации по кругу то влево, то вправо. "Подготовленный" таким образом луч пропускают через исследуемую пробу, содержащую неизвестное биологически активное соединение, но уже прореагировавшее с жидкокристаллической дисперсией ДНК (биодатчиком) и изменившее ее оптические свойства. Здесь-то и происходит частичное поглощение света, причем для левой и правой "закрутки" плоскости поляризации оно неодинаково. Разницу между ними и называют оптическим круговым дихроизмом - его четко фиксирует стоящий в конце цепочки исследовательских приборов фотодетектор. Он преобразует оптический сигнал в электрический, а потом, с помощью персонального компьютера, информация выводится в удобной для пользователя форме на дисплей.

Первый вариант прибора был собран из подручных средств - находившихся в нашей лаборатории различных стандартных блоков. Он выглядел неказисто и громоздко, но давал правильные результаты. На создание портативного макета нашего детища потребовался один год, в течение которого все входящие в него узлы были разработаны заново. Контрольная проверка системы - "жидкокристаллический биодатчик - портативный дихрометр" для определения одного из противоопухолевых соединений в плазме крови - подтвердила высокую эффективность. В дальнейшем совместные эксперименты с учеными ИМБ показали: биосенсор способен обнаруживать разные соединения - от солей тяжелых металлов до антибиотиков и белков. Причем чувствительность системы зависит от природы и свойств соответствующего вещества и лежит в пределах 10 -7 - 10 -14 моль. Учитывая перечисленные характеристики, можно предположить, что наш биосенсор будет востребован в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицины, экологии, т.е. там, где требуется быстрое определение низких концентраций генотоксикантов - веществ, влияющих на генетический аппарат клетки.

Даже несовершенный макет позволял сделать вывод: нам удалось разработать абсолютно новую биоаналитическую систему, представляющую большую практическую значимость. Все технические решения, включая биодатчики на основе жидкокристаллической дисперсии ДНК и дихрометр, получили патенты РФ на изобретения в 1998 г. с приоритетом с 1996г.

- Признание в России Вы получили, а как к данной разработке отнеслись зарубежные коллеги?

- О.Н. Компанец: Они быстро оценили ее значимость и стали проявлять живой интерес. Перед нами встал вопрос о защите российского приоритета, для чего необходимо было запатентовать наш биосенсор за рубежом. Эта процедура дорогостоящая и нашим институтам оказалась не под силу, но на помощь пришла Комиссия РАН по зарубежному патентованию, возглавляемая академиком Е.М. Диановым. Зарегистрировав наше изобретение в США, Германии, Италии, Англии, мы, казалось бы, могли спокойно доводить макетный образец до опытного, затем - и до промышленного варианта, но здесь опять возник "проклятый" вопрос о финансировании работ.

- Ю.М. Евдокимов: В конце концов нас выручило то, что тогда еще функционировал международный проект "Биосенсоры". В его рамках был подписан совместный договор между нашими институтами и Университетом города Мюнстера на разработку новой модели системы. Он предусматривал не только участие немецких ученых, но и привлечение денежных средств Министерства науки ФРГ

С 1997 по 1999 г. нам удалось сделать многое. В частности, мы разработали различные типы новых биодатчиков, некоторые в соавторстве с учеными Германии, Италии, Англии.

- О.Н. Компанец: Кроме того, нам удалось создать новую более совершенную модель прибора и увеличить чувствительность и экспрессность анализа. И это еще не все. Оказалось, дихрометр можно использовать как самостоятельный прибор в различных исследованиях. Его масса, стоимость и эксплуатационные расходы почти на порядок ниже схожих характеристик зарубежных аналогов.

- Это был окончательный вариант системы, представленной Вами в Брюсселе?

- О.Н. Компанец: В 1999 г. договор о сотрудничестве трех институтов закончился, и мы опять оказались "на мели". Но на рубеже 2000-2001 гг. к нашим разработкам проявила интерес российская инвестиционная компания "Лидинг". Он был основан не только на полученных нами к тому времени патентах, но и на выявленных широчайших возможностях системы, позволяющих использовать ее в клинической биохимии, фармацевтической промышленности, биотехнологии, экологии и др. При финансовой поддержке этой фирмы в 2001 г. было образовано ООО "Биоаналитические технологии", здесь мы довели прибор "до кондиции" и выставили на Международной выставке "Эврика- Брюссель", где получили Диплом и золотую медаль.

Хочу добавить: в 2002 г. на Экспериментальном заводе научного приборостроения РАН (подмосковная Черноголовка) планируется выпуск установочной партии биосенсорных дихрометров в количестве 20 экземпляров.

Принципиальная конструктивная схема биосенсоров
Принципиальная конструктивная схема биосенсоров


Евдокимов Ю. М., Компанец О. Н.

Лестницы на металлокаркасе готовые работы лестниц. . https://iset-shop.ru где купить ключи для велосипеда.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD