Створення та дослідження полімерів-біоміметиків для сенсорної технології та твердофазової екстракції

Анотація

Сергеєва Т.А. Створення та дослідження полімерів-біоміметиків для сенсорної технології та твердофазової екстракції. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.20 - біотехнологія. - Інститут молекулярної біології і генетики НАН України, Київ, 2010.

В дисертаційній роботі розроблено нові принципи та універсальні методи синтезу аналогів рецепторних та каталітичних сайтів біомакромолекул у структурі полімерних мембран та тонких плівок. Створено лабораторні прототипи електрохімічних та оптичних біосенсорних пристроїв на основі молекулярно імпринтованих (МІП) мембран та тонких плівок як з рецепторними, так і каталітичними властивостями для визначення низки забруднювачів довкілля та харчових токсинів. Вони забезпечують високоселективне та високочутливе визначення відповідних аналітів (межі визначення 1-100 нМ), при цьому стабільність отриманих полімерів-біоміметиків істотно перевищує стабільність природних макромолекул. Вперше структуру рецепторних сайтів зв'язування токсичних молекул в МІП мембранах передбачено та оптимізовано за допомогою методів комп'ютерного моделювання, а також порівняно зі структурою їхніх природних аналогів. Проаналізовано підходи до підвищення чутливості створених біосенсорних пристроїв. Структуру та властивості полімерів-біоміметиків досліджено за допомогою сучасних фізико-хімічних методів. Доведено переваги застосування МІПів в сучасній аналітичній біотехнології у порівнянні з природними рецепторами.

Ключові слова: полімери-біоміметики, молекулярно імпринтовані полімери, біосенсори, екологічний моніторинг, твердофазова екстракція.

Аннотация

Сергеева Т.А. Создание и исследование полимеров-биомиметиков для сенсорной технологии и твердофазной экстракции. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук по специальности 03.00.20 - биотехнология. - Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины, Киев, 2010.

В диссертационной работе разработаны новые принципы и универсальные методы синтеза аналогов рецепторных и каталитических сайтов биологических макромолекул в структуре полимерных мембран и тонких пленок. Рассмотрены основные теоретические принципы, лежащие в основе синтеза полимеров-биомиметиков методом молекулярного импринтинга, и проанализированы возможности использования таких материалов в современной аналитической биотехнологии. Определены основные проблемы, возникающие при практическом использовании молекулярно импринтированных полимеров (МИП) в аналитической биотехнологии.

Впервые для решения этих задач разработаны универсальные методы создания высокостабильных аналогов рецепторных сайтов биомакромолекул, способных распознавать малые органические молекулы, в структуре МИП мембран и тонких пленок, полученных методами in situ и привитой полимеризации. Синтез высокостабильных аналогов рецепторных сайтов биомакромолекул в даной работе основан на детальном анализе способности различных функциональных мономеров образовывать рецепторные и каталитические сайты с предсказуемыми свойствами. Впервые структуру рецепторных сайтов связывания токсических молекул в МИП мембранах изучено и оптимизировано с помощью методов компьютерного моделирования, а также проведено сравнение со структурой их природных аналогов.

Впервые методы компьютерного моделирования использованы для получения МИП мембран с предсказуемыми свойствами (способностью к высокоселективному, либо групо-селективному распознаванию структурно-подобных молекул). Показано, что способность полимеров-биомиметиков селективно распознавать соответствующие аналиты определяется энергией взаимодействия “аналит-функциональный мономер”, в составе рецепторных сайтов связывания, а также количеством молекул или групп функционального мономера, которые принимают участие в распознавании аналита.

Разработаны лабораторные прототипы електрохимических и оптических биосенсоров на основе МИП мембран и тонких пленок для детекции ряда загрязнителей окружающей среды и пищевых токсинов. Они обеспечивают высокоселективное и высокочувствительное определение соответствующих аналитов (пределы обнаружения 1-100 нМ), при этом стабильность полимеров-биомиметиков существенно превышает стабильность природных макромолекул.

Впервые с использованием метода молекулярного импринтинга синтезированы высокостабильные аналоги фермента тирозиназы (КФ 1.14.18.1), способные высокоселективно каталитически расщеплять о-гидроксифенолы. С использованием метода полимеризации in situ в структуре тонких, гибких и пористых полимерных мембран получены сайты, подобные активному центру тирозиназы грибов. На основе молекулярно импринтированных полимеров и полимерных мембран со сформированными в их структуре каталитическими сайтами разработаны портативные биосенсорные устройства для высокоселективного определения о-гидроксифенолов, исследованы и оптимизированы их рабочие характеристики. Разработанные биосенсоры являються недорогими, портативними и простыми в использовании. В то же время они превосходят аналогичные биосенсоры на основе природних ферментов по стабильности.

Разработаны подходы к увеличению чувствительности созданных биосенсоров. С этой целью рецепторные сайты для селективного связывания триазиновых гербицидов и афлатоксинов, полученные методами полимеризации in situ и привитой полимеризации, синтезированы в структуре пористых полимерных мембран и использованы как стационарная фаза в твердофазной экстракции этих веществ. Впервые сформулирована концепция создания рецепторных сайтов связывания молекул токсинов в структуре пористых полимерных мембран, синтезированных in situ, основанная на комбинации технологии молекулярного импринтинга с принципом синтеза взаимопроникающих полимерных сеток.

Разработаны универсальные методы синтеза высокоселективных рецепторных сайтов связывания малых органических молекул в структуре высокопродуктивных композитных МИП мембран, полученных методом привитой полимеризации. Синтезированы полимеры-биомиметики, способные распознавать атразин, десметрин, тербуметон, афлатоксин В1, а также рецепторы, способные к групо-селективному распознаванию микотоксинов группы афлатоксинов и гербицидов группы триазиновых. Использование пористых МИП мембран в твердофазной экстракции обеспечило снижение предела обнаружения токсических молекул до 100 раз.

Структура и морфология полимеров-биомиметиков на основе МИП мембран, полученных методами полимеризации in situ, исследованы с помощью методов сканирующей электронной микроскопии, Брунауэра-Еммета-Теллера, динамического механического термоаназиза, а также широкоуглового и малоуглового рассеяния рентгеновских лучей. Показано, что сшитая молекулярно импринтированная сетка, представляющая собой сополимер триетиленгликольдиметакрилата и олигоуретанакрилата, является сегрегированной системой с развитой межфазовой областью, микрофазовое разделение в которой обусловлено термодинамической несовместимостью исходных компонентов. Формирование системы пор в МИП мембранах на основе полу-взаимопроникающих полимерных сеток (полу-ВПС) - сложный процесс, на который влияет природа и молекулярная масса линейного компонента полу-ВПС, а также его термодинамическая совместимость с молекулярно импринтированной сеткой. Доказаны преимущества использования МИПов в современной аналитической биотехнологии по сравнению с природными рецепторами и ферментами.

Ключевые слова: полимеры-биомиметики, молекулярно импринтированные полимеры, биосенсоры, экологический мониторинг, твердофазная экстракция.

Annotation

Sergeyeva T.A. Development and investigation of polymers-biomimics for sensor technology and solid-phase extraction. - Manuscript.

Thesis for Doctor of Science degree by speciality 03.00.20 - biotechnology. Institute of Molecular Biology and Generics, National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2010.

The new principles and universal methods of synthesis of counterparts of both receptor and catalytic sites of biomolecules in the structure of polymer membranes and thin films were developed. The laboratory prototypes of electrochemical and optical biosensor devices based on molecularly imprinted polymer (MIP) membranes and thin films with both receptor and catalytic properties were developed for the detection of environmental pollutants and food toxins. The sensors provide highly-selective and sensitive detection of corresponding analytes (detection limits 1-100 nM), similar to that of enzyme-linked immunosorbent assay and immunosensors. Stability of the synthesized polymers-biomimics is significantly higher than stability of biological macromolecules. For the first time the structure of receptor binding sites in the MIP membranes was investigated and optimized using the methods of computational modeling. The structure was compared with that of their natural analogues. The approaches to the increase in the sensitivity of the developed sensor- and test-systems were developed. The structure of polymers-biomimics was investigated using modern physico-chemical methods. Advantages of MIP application in modern analytical biotechnology as compared to their natural counterparts were proven.

Keywords: polymers-biomimics, molecularly imprinted polymers, biosensors, environmental monitoring, solid-phase extraction.

Размещено на Allbest.ru