Гетерогенные биокатализаторы на основе иммобилизованных в кремнийорганические золь-гель матрицы микроорганизмов

• Автор: Каманина, Ольга Александровна
• Шифр специальности: 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 106 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Золь - гель метод и его применение

1.2. Механизм и условия формирования кремнийсодержащих золь-гель матриц

1.2.1. Формирование мономодальных и бимодальных золь-гель матриц

1.2.1.1. Формирование мономодальных золь-гель матриц

1.2.1.2. Формирование бимодальных золь-гель матриц

1.3. Преимущества золь-гель матриц

1.4. Методы изучения состава и структуры кремнийорганических матриц

1.4.1. Инфракрасная-спектроскопия
1.4.2. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
1.4.3. Световая микроскопия
1.5. Золь-гель процесс как метод иммобилизации биоматериала..
1.5.1. Золь-гель процесс как метод иммобилизации ферментов.
1.5.2. Золь-гель процесс как метод иммобилизации целых клеток микроорганизмов
1.5.3. Биосенсоры на основе иммобилизованных в золь-гель матрицы клеток и ферментов
1.5.3.1. Оптические биосенсоры
1.5.3.2. Электрохимические биосенсоры
1.5.4. Применение золь-гель технологии в хроматографии
1.6. Заключение
2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Реактивы
2.2. Культивирование клеток микроорганизмов
2.3. Иммобилизация биоматериала и формирование электрода
2.4. Биосенсорные измерения
2.4.1. Влияние ионов тяжелых металлов на дыхательную активность иммобилизованных микроорганизмов
2.4.2. Влияние УФ на дыхательную активность иммобилизованных микроорганизмов
2.5. ИК-спектроскопия
2.6. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
2.7. Оптическая микроскопия
2.8. Моделирование процесса спиртового брожения
2.9. Хроматографические измерения
2.10. Статический режим деградации метанола
2.11. Динамический режим деградации метанола
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1 Динамика формирования кремнийорганических золь-гель структур
3.2. Изучение структуры кремнийорганических матриц методом СЭМ
3.2.1. Изучение мономодальных и бимодальных матриц
3.2.2. Иммобилизация аисопоЪа^ег охус!ат в кремнийорганические матрицы различного состава
3.2.3. Иммобилизация Р1сЫа апуих1а в кремнийорганические матрицы различного состава

3.3. Влияние соотношения силановых прекурсоров ТЭОС/МТЭС на характеристики биорецептора
3.3.1. Разработка макета биосенсора, на основе иммобилизованного в бимодальные кремнийорганические золь-гель матрицы фермента глюкозооксидазы
3.3.2. Разработка макета биосенсора на основе иммобилизованных микроорганизмов в бимодальные кремнийорганические золь-гель матрицы
3.3.2.1 Субстратная специфичность иммобилизованных уксуснокислых бактерий и метилотрофных дрожжей
3.3.2.2 Чувствительность биосенсоров на основе разработанных рецепторных элементов
3.3.2.2 Операционная стабильность биосенсора на основе разработанных биорецепторных элементов
3.3.2.4 Долговременная стабильность биосенсоров на основе разработанных биорецепторных элементов
3.3.2.5 pH среды
3.4. Преимущества золь-гель капсулы для защиты клеток от вредных факторов
3.4.2. Защита от токсического действия ионов тяжелых металлов
3.4.3. Защита от УФ-облучения
3.5. Апробация полученного гетерогенного биокатализатора на основе инкапсулированных в золь-гель матрицу метилотрофных дрожжей
3.5.1. Биосенсор для анализа бродильных масс на содержание этанола и сточных вод на содержание метанола
3.5.2. Статический и динамический режим утилизации метанолсодержащих стоков
3.5.2.1 Статический режим деградации метанола
3.5.2.2 Динамический режим пропускания
которые будут иметь ценное приложение как универсальная платформа для быстрого и параллельного синтеза белков-мишеней в различные конфигурации, включая микрочипы.
Интенсивно изучали иммобилизацию в золь-гель матрицы такие микроорганизмов как Escherichia coli, Serratia marcescens, В. subtilis и Bacillus sphaericus. В отличие от дрожжей, выделяющиеся при фомировании золь-гель матриц спирты (метанол, этанол) воздействуют негативно на бактерии. Поэтому, чтобы не снижалась активность биоматериала, необходимо изменять процедуру получения золь-гель матрицы [71]. Так, бактерии E.coli были успешно инкапсулированы в кремнийорганические матрицы [2]. Бактерии по-прежнему поддерживали ферментативную активность по отношению к некоторым субстратам (например, В-галактозидазы). Тем не менее, даже если образование геля проводилось в около физиологических условиях (температура бактерий, pH, ионная сила), выживаемость бактерий была низкой (всего 10% через 1 месяц). В целях повышения жизнеспособности бактерий, авторы предложили добавлять различные органические соединения в ходе формирование матрицы (поливиниловый спирт, желатин, глицерин) [35]. Глицерин позволил сохранить метаболическую активность почти 50% бактерий через 1 месяц.
В работе [72] авторы оценивали потенциал кремниевых золь-гель матриц как альтернативу для долгосрочного хранения клубеньковых бактерий рода Rhyzobium при комнатной температуре. Для этого были использованы в качестве экспериментальной системы клетки Mesorhizobium SPP.. В качестве основы матрицы был выбран силикат натрия. В развитии исследования [35] в качестве добавки использовали глицерин. Иммобилизованные в золь-гель матрицу бактерии сохраняли свою жизнеспособность и метаболическую активность до 360 дней хранения при комнатной температуре. Кроме того, было показано, что кремниевая матрица имеют способность защищать бактерии от воздействия кислоты.
Поскольку цианобактерии обитают почти в каждой экосистеме на земле, они могут использоваться в качестве модельных организмов для фундаментальных исследований в процессе фотосинтеза. Кроме того, они имеют важное значение в биотехнологии при производстве пищевых добавок, пищевых и фармацевтических соединений и пигментов, а также в производстве биотоплива и других продуктов. Инкапсулирование живых цианобактерий в пористую силикатную матрицу является