Лаборатория полимеров для биологии
Руководитель: Зубов Виталий Павлович, д. х. н., профессор
Решение о создании лаборатории «Полимеры для биологии» было принято после нескольких встреч В. П. Зубова (в то время зав. лабораторией кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ ) и академика Ю. А. Овчинникова (в то время директора Института химии природных соединений АН СССР, вице-президента Академии наук) на симпозиумах и конференциях. На этих встречах речь шла о роли материаловедения в развитии современной физико-химической биологии, о полной зависимости этой области науки от поставок необходимых реактивов и материалов из-за рубежа, а также об отсутствии в стране специализированных исследовательских подразделений по разработке и выпуску новых материалов для биологии и биотехнологии. Лаборатория «Полимеры для биологии» была создана в 1979 году, и работа велась по следующим направлениям:
- композиционные сорбенты для биосепарации;
- модельные мембраны на основе монослоев и липосом;
- дисперсные иммунодиагностикумы;
- системы для микрокапсулирования ферментов и клеток;
- системы для гибридизационного анализа.
Практически все эти направления доказали свою жизнеспособность, и до сих пор работа по ним продолжается. Таким образом, в ИБХ РАН была создана первая в стране лаборатория «Полимеры для биологии», где успешно развивается новая область материаловедения, лежащая на стыке химии полимеров, биотехнологии и медицины.
Направления исследований
В настоящее время работа в лаборатории «Полимеры для биологии», возглавляемой В. П. Зубовым , проводится по следующим направлениям:
1. Разработка новых полимерных и полимерсодержащих композиционных наноматериалов на основе пористых и непористых матриц для биосепарации и биоанализа, а также биосовместимых нанопокрытий (в том числе, для модификации свойств имплантов). Работа проводится в сотрудничестве с рядом университетов и компаний России, Германии, Израиля, Италии и других стран в рамках отечественных и международных проектов.
Наиболее важные исследования (проводимые под руководством с.н.с. к.х.н. Д.В. Капустина и с.н.с. к.х.н. А.Н. Генераловой) посвящены, в частности разработке:
- методов прямого синтеза нанокомпозитов с усовершенствованной морфологией (рис. 1), обеспечивающих локализацию процесса полимеризации в поверхностных слоях носителей и введение дополнительных функциональных групп (в том числе, биолигандов) в получаемые материалы;

Рис. 1. Морфология композиционных сорбентов.
- универсальных сорбентов (на основе дисперсных носителей, а также капилляров, мембран, монолитов, кремниевых чипов и т. д.), модифицированных фторполимерами и/или полианилинами для одностадийного выделения и очистки биополимеров (нуклеиновых кислот, белков и пептидов) (рис. 2). Получаемые сорбенты используются при разработке наборов и протоколов для эффективной диагностики патогенов человека, в частности, методом ПЦР, а также в качестве эффективных носителей при проведении масс-спектрометрии;

Рис. 2. Одностадийное выделение биополимеров
- универсальных гетерогенных инициаторов на основе неорганических носителей, обработанных озоном, для получения композиционных сорбентов, модифицированных полимерами различной химической природы;
- биокатализаторов на основе композиционных матриц, модифицированных smart-полимерами с иммобилизованными биолигандами (ферментами), эффективных в водных и органических средах (рис. 3);

Рис. 3.Зависимость ферментативной активности липазы иммобилизованной на поверхности кремнезема от температуры
- биосовместимых материалов на основе природных и синтетических полимеров для создания биодеградируемых имплантов (в частности, интраваскулярных стентов);
- методов синтеза окрашенных и флуоресцентных полиакролеиновых и сополимерных микросфер для получения новых биоаналитических реагентов для высокочувствительного экспресс-анализва белков, гаптенов и нуклеиновых кислот;
- композитных сополимерных микросфер, содержащих флуоресцентные CdSe/ZnS нанокристаллы в непосредственной близости к поверхности, что позволяет регистрировать изменения флуоресценции при незначительном изменении условий окружения, таких как рН, ионная сила, температура и т.д., и использовать их в качестве оптических сенсоров (рис.4).

Рис. 4. Включение флуоресцентных CdSe/ZnS нанокристаллов в полимерные микросферы и их применение в биоанализе.
2. Разработка различных полимерных носителей (нано- и микрокапсул, наночастиц, пленок и т.д.) для инкапсулирования клеток животных и включения биологически активных молекул (белков, пептидов, ДНК и т.д.). Такие системы могут использоваться в биомедицинской области, например, при создании новых систем контролированной доставки лекарств, при разработке in vitro 3-D моделей на основе инкапсулированных опухолевых клеток, при разработке инкапсулированных вакцин и т.д. Исследования проводятся в рамках различных проектов и программ совместно с лабораториями университетов Польши, Германии, Бельгии, Франции и других стран под руководством в.н.с. д.х.н. Е.А. Марквичевой. В частности, в данном направлении разрабатываются:
- Методы культивирования в полимерных микрокапсулах раковых клеток с целью создания новых 3-D моделей in vitro на основе мультиклеточных опухолевых сфероидов (рис. 7) для исследования механизмов противораковой терапии (например, химиотерапии, фотодинамичекой терапии и др.) и скрининга новых лекарств. Об этом направлении наших исследований писал научно-популярный журнал "Химия и жизнь" (www.hij.ru);

Рис. 7. Получение мультиклеточных опухолевых сфероидов (аденокарцинома молочной железы человека MCF-7) в альгинат-хитозановых микрокапсулах.
-
Методы микро- и нанокапсулирования различных биоактивных молекул (например, ранозаживляющих и стресс-протективных пептидов, биофлавоноидов и др.) для создания систем доставки в клетку и контролируемого высвобождения лекарственных средств (рис. 8);

Рис. 8. Совместное капсулирование ДНК и проназы в полипептидные микрокапсулы, полученные методом послойной адсорбции полиэлектролитов, и контролируемое высвобождение ДНК из самодеградирующих микрокапсул (проназа разрушает оболочку микрокапсул).
- Био- и гемосовместимые иммуносорбенты на основе микрочастиц/микрокапсул с иммобилизованными в них антигенами для лечения аутоиммунных заболеваний.
- Микрокапсулированные новые ДНК-вакцины на основе ДНК плазмид, включенных в нано- и микрокапсулы из природных и биосовместимых синтетических полимеров (полисахаридов, полипептидов и др.);
- Биодеградируемые микроносители для роста клеток, содержащие биоактивные молекулы (например, биоактивные пептиды, ускоряющие процесс репарации тканей) для тканевой инженерии.
Основные достижения
Наиболее важные результаты исследований, проводимых специалистами лаборатории, можно кратко суммировать, принимая во внимание сущность решаемых научно-практических задач.
Так, потребность в высокочистых концентрированных препаратах биологически активных соединений, в первую очередь, биополимеров (нуклеиновых кислот и белков), привела к созданию ряда эффективных сорбционных композиционных материалов (сорбентов), объединяющих превосходные механические качества жесткого нерастворимого носителя с уникальными сорбционными свойствами полимерных модификаторов (в первую очередь, фторполимеров и полианилинов). Как известно, в силу определенных свойств (таких, например, как набухаемость, мягкость, низкая растворимость или, наоборот, нестабильность и т.д.) большинство синтетических полимерных материалов непригодны для непосредственного использования их в качестве «хороших» сорбентов. Поэтому с практической точки зрения применение полимерных модификаторов при получении композиционных материалов представляется оптимальным вариантом.
При разработке технологий получения таких сорбентов учитывали ряд условий.
Во-первых, для обеспечения бездефектной морфологии получаемых материалов применяли принцип локализации процесса полимеризации в поверхностных слоях носителя. С этой целью был разработан ряд подходов, позволяющих активировать поверхность носителя с помощью различных физико-химических методов, включающих радиолиз поверхности кремнеземных носителей, модификацию поверхности носителя низкомолекулярными или высокомолекулярными агентами, активацию поверхности озоном, применение СВЧ- и ультразвукового воздействия и пр.
В результатебыли получены высокоэффективные биосовместимые (т.е. исключающие необратимую денатурацию биополимеров) хроматографические материалы, отличающиеся химической стойкостью, низким уровнем неспецифической сорбции, высокой селективностью в процессах разделения биополимеров. В качестве примеров таких материалов можно привести разработанные в лаборатории сорбенты на основе объемно-пористых кремнеземов, модифицированных политетрафторэтиленом, политрифторстиролом, поли-п-нитрофенилакрилатом, полианилином и их производными.
Во-вторых, современные тенденции к миниатюризации, автоматизации и сокращению временных затрат как при проведении анализа, так и при решении препаративных задач, потребовали создания более простых, дешевых (по сравнению с традиционными колоночными хроматографическими системами и устройствами для твердофазной экстракции) инструментов для биосепарации и пробоподготовки. В результате были разработаны эффективные протоколы выделения и очистки биополимеров с использованием биосепарирующих элементов на основе компактных картриджей, содержащих 60 – 100 мг сорбента. Уникальные сорбционные свойства полимерных модификаторов, входящих в состав разработанных композитов, позволили реализовать концепцию одностадийного разделения нуклеиновых кислот и белков. При этом нуклеиновая кислота проходит через картридж в исключенном объеме, в то время как белки, пептиды и сопутствующие примеси удерживаются сорбентом. Более того, при необходимости тот же сорбционный материал может быть использован для разделения компонентов удержанной белковой фракции. В качестве примеров практического использования данного принципа можно привести протоколы выделения ДНК из лизатов бактериальных культур, растительных тканей, крови и т.д. Полученные очищенные препараты ДНК пригодны для непосредственного использования в ПЦР-анализе. Наиболее эффективными оказались сорбенты на основе пористых кремнеземов и синтетических мембран, модифицированных полианилином и сополимерами анилина с 3-аминобензойной кислотой. Указанные материалы с успехом применяли в процедурах экспресс-пробоподготовки при проведении ПЦР-диагностики вируса гепатита С, а также ряда бактериальных и грибковых урогенитальных инфекций.
Функциональные свойства рассмотренных материалов делают их перспективными для использования в автоматизированных биосепарационных системах как в области геномики, так и в области протеомики. Однако этим области применения указанных материалов не ограничиваются. Введение дополнительной функциональности в полианилиновые модификаторы позволяет получать новые эффективные биосовместимые материалы, например, носители для биоаналитического применения.Так, была разработана и запатентована (совместно с компанией RoyalPhilipsElectronics) новая эффективная биоаналитическая система на основе кремниевого носителя для проведения масс-спектрометрии, в которой использована способность полианилинсодержащих покрытий разделять белки (пептиды) в зависимости от значения pIиндивидуальных компонентов, а также накапливать энергию излучения лазера.
Разработанные синтетические подходы были также с успехом применены для создания эффективных биокатализаторов на основе кремнезема, модифицированного термочувствительным сополимером N-винилкапролактама с 2-гидкроксиэтилметакрилатом. На полученный материал иммобилизовали липазу из Pseudomonasfluorescence.Полученный таким образом биокатализатор отличался повышенной ферментативной активностью по сравнению с препаратами нативной липазы. При этом ферментативная активность сохранялась как в водных, так и в органических средах.
Придание дополнительной функциональности фторполимерам также расширяет области их применения. Использование частично фторированных полимеров для модифицирования носителей позволяет не только улучшать их смачиваемость, что повышает эффективную емкость таких материалов, но также дает возможность иммобилизации различных биолигандов. В лаборатории разработан способ получения стабильного фторполимерсодержащего носителя для твердофазного синтеза олигонуклеотидов на основе пористого кремнезема, предварительно модифицированного фторсополимером, содержащим активные эфирные группы. После соответствующей химической модификации нуклеозидом полученный материал был успешно применен в качестве носителя при твердофазном синтезе олигонуклеотидов.
Универсальность фторполимер- и полианилин-модифицированных композиционных материалов проявляется не только в широте их применения для решения различных хроматографических и диагностических задач, но также и с технологической точки зрения, поскольку особенности их химической структуры и свойств позволяют получать композиты, эффективно сочетающие в одном материале свойства обоих полимерных модификаторов. В подтверждение сказанному можно привести в пример новую разработанную в лаборатории «Полимеры для биологии» технологию, основанную на применении кремнеземных матриц, обработанных озоном, представляющих собой универсальные гетерогенные инициаторы, эффективно инициирующие полимеризацию таких химически различных соединений, как фтормономеры и анилин.
Преимущества использования композиционных материалов с наноструктурными элементами были также реализованы при создании биоаналитических систем на основе полимерных частиц, содержащих различные метки (флуоресцентные, хромофорные). Разработанные в лаборатории «Полимеры для биологии» способы получения дисперсий полимерных частиц на основе полиакролеина позволили создать целый ряд окрашенных биоаналитических реагентов для постановки реакции латекс-агглютинации с целью определения различных аналитов, таких как дифтерийный токсин, ферритин, гербициды (2,4-D, атразин, симазин), антитела к липополисахаридам клеточной стенки условно-патогенных бактерий, тиреоглобулин, пероксидаза щитовидной железы, антитела кмикобактерии туберкулеза и др. Работа проводилась совместно с широким кругом научных организаций (НИИ вакцин и сывороток им. И.И. Мечникова РАМН, НПЦ «Медицинская иммунология», НИИ глазных болезней им. Гельмгольца и др.).
В последнее время в качестве перспективных флуорофоров большое внимание привлекают полупроводниковые нанокристаллы CdSe/ZnS, также известные как квантовые точки (QDs). Набор коллоидно-стабильных полимерных флуоресцентных частиц различного диаметра (0.15 - 0.52 мкм) получен путем введения QDsв предварительно синтезированные частицы на основе сополимеров акролеина и стирола.Полученные частицы конъюгировали с моноклональными антителами к антигену Yersinia pestis и использовали в реакции пассивной агглютинации как в режиме экспресс-анализа, проводимого на стекле, так и в виде наиболее простого и чувствительного полуколичественного метода иммуноанализа – в планшете. На примере конъюгатов флуоресцентных полимерных частиц с антителами 4D5scFvпродемонстрирована возможность специфического маркирования рецептора HER2/neuна поверхности мембраны клеток аденокарциномы яичника человека SKOV-3 in vitro. Работа проводилась совместно с лабораториями молекулярной биофизики и молекулярной иммунологии ИБХ РАН.
На большую часть разработок (фторполимер- и полианилинсодержащие сорбенты для одностадийного выделения ДНК, биосепарирующие элементы для пробоподготовки в ПЦР-анализе, модифицированные сополимерами анилина кремниевые чипы для SELDI-TOFMSанализа и т. д.) получены международные и отечественные патенты.
| Ф.И.О. | Должность | Эл. почта | Акасов Роман Александрович | асп. | ZoolCat@yandex.ru | Вихров Александр Анатольевич, к. х. н. | н.с. | Генералова Алла Николаевна, к. х. н. | с.н.с. | Дроздова Мария Георгиевна | асп. | drozdovamg@gmail.com | Жигис Лариса Стефановна, к. х. н. | н.с. | zhigis@ibch.ru | Зайцева-Зотова Дарья Сергеевна, к. х. н. | м.н.с. | Dariaz.z@gmail.com | Зуева Вера Сергеевна, к. б. н. | н.с. | Капустин Дмитрий Валерьевич, к. х. н. | с.н.с. | kapustin@ibch.ru | Марквичева Елена Арнольдовна, д. х. н. | в.н.с. | lemark@ibch.ru | Простякова Анна Игоревна | м.н.с. | profan@list.ru | Разгуляева Ольга Алексеевна | инж.-иссл. | Селина Оксана Евгеньевна | м.н.с. | Сизова Светлана Викторовна, к. х. н. | м.н.с. | sv.sizova@gmail.com | Ягудаева Елена Юрьевна, к. х. н. | н.с. | elena-yagudaeva@yandex.ru |
|---|



