Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук
(ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН)

Лаборатория биохимии и биотехнологии

О Лаборатории биохимии и биотехнологии

История

25 февраля 1992 г. – создание группы прикладной биохимии растений
1 ноября 1992 г. – создана лаборатория биоорганической химии
2000 г. – переименована в лабораторию биохимии и биотехнологии растений
2005 г. – переименована в лабораторию биохимии и биотехнологии

Основные направления исследований подразделения

  • Состав и содержание биологически активных соединений в растениях европейского Северо-Востока;
  • Исследование культур клеток редких лекарственных растений;
  • Методы получения фармакологических фитопрепаратов и ценных веществ из растительного сырья и клеточных культур;
  • Биотехнологические методы рекультивации нефтезагрязненных земель;
  • Биоконверсия целлюлозосодержащих промышленных и сельскохозяйственных отходов.

 

Врио заведующего

Щемелинина Татьяна Николаевна, к.б.н., с.н.с.
e-mail: shemelinina@ib.komisc.ru, тел.: 8 (8212) 21-67-14

Сведения о сотрудниках лаборатории

Важнейшие достижения

Важнейшие результаты фундаментальных исследований

  • В соответствии с программой научно-исследовательских работ, нацеленной на понимание молекулярных механизмов устойчивости экосистем, роли вторичных метаболитов растений во взаимоотношениях с другими организмами и создание биотехнологических подходов по получению нового типа биорегуляторов развития насекомых, лекарственных препаратов и функциональных пищевых добавок в 2006-2010 гг. проводился скрининг флоры на содержание важнейших классов биологически активных веществ и углубленное фитохимическое, эколого-биологическое и фармакологическое изучение перспективных видов. Впервые на основании сравнения последовательностей внутренних транскрибируемых спейсеров (ITS1 и ITS2) яРНК реконструирована молекулярная филогения трибы Cardueae семейства Asteraceae (рис.1). Выявлены связи между распространением фитоэкдистероидов, структурных аналогов гормонов линьки насекомых, и филогенетической классификацией растений представителей трибы Cardueae. Установлено, что виды с высоким содержанием экдистероидов образуют кладу, включающую в себя филогенетически близкие рода Rhaponticum, Serratula, Acroptilon, Amberboa и некоторых представителей Centaurea. Выявленные закономерности служат основой для понимания функций данных соединений и использованы при составлении хемотаксономического прогноза их обнаружения экдистероидов в растениях
  • Исследовано влияние светового режима на физиолого-биохимические реакции растений серпухи пятилистной Serratula quinquefolia Bieb. Ex Willd. (растение-интродуцент из флоры Северного Кавказа, произрастающее под пологом горных лесов). Установлено, что при интродукции на Севере в условиях длинного светового дня происходят резкие изменения в составе экдистероидов в листьях, в которых вместо 20-гидроксиэкдизона накапливается его структурный изомер 25S-инокостерон. Полученные данные позволяют рассматривать уровень освещенности в качестве фактора управления биосинтезом вторичных метаболитов в растениях серпухи пятилистной с целью получения инокостерона, обладающего более выраженным, чем 20-гидроксиэкдизон, антиоксидантным и анаболическим действием.
  • В пади тли Uroleucon jaceae, питающейся клеточным соком экдистероидсодежащих растений Serratula coronata L. (интродуцент на европейском северо-востоке России), впервые обнаружены экдистероиды, качественный состав которых идентичен растению-хозяину. Полученные данные представляют интерес с позиций понимания биохимических механизмов устойчивости тли по отношению к экзогенным экдистероидам, являющихся гормонами линьки, а также позволяют поставить вопрос о возможном участии экдистероидов растений в опосредованных тлей ближних и дальних экологических связях с другими организмами (хищные насекомые, муравьи, опылители). Изучены консортивные связи серпухи венценосной с насекомыми в условиях интродукции этого вида в подзоне средней тайги.
  • С помощью метода фиксации мембранного потенциала исследованы изменения трансмембранных калиевых, кальциевых и натриевых ионных токов изолированных нейронов моллюска Lymnaea stagnalis под влиянием экдистероидсодержащей субстанции Серпистен, выделенной из надземной части растения серпухи венценосной Serratula coronata L. в концентрациях 0.01–1000 мкг/мл. Впервые установлено, что Серпистен неизбирательно активирует ионные токи, увеличивая их амплитуду на 2–15%, а также снижает неспецифические токи утечки мембраны. Наблюдаемые эффекты обратимы.
  • Впервые предложена и экспериментально доказана гипотеза соответствия фитоэкдистероидов, структурных аналогов гормонов линьки насекомых, критериям адаптогенов, как участников реакции стрессового ответа, путем активации процессов свободно-радикального окисления и индукции биосинтеза белков теплового шока Hsc70, запускающих на клеточном уровне процессы срочной и долговременной адаптации, а также включения экдистероидов в центральные механизмы гормональной регуляции путем повышения чувствительности гипоталамуса к гормональному взрыву при стрессе и последующего снижения кортикостероидов в крови. Согласно теории интегральной медицины В.М. Дильмана обнаруженные эффекты Серпистена открывают перспективу использования фитоэкдистероидов в качестве эффективных стресс- и геропротекторных средств
  • Впервые из растения Allium schoenoprasum L. выделены стероидные гликозиды спиростаноловой и фуростаноловой природы (дельтонин, сапонин А, дельтозид и протодиосцин). Впервые установлена высокая аккумулирующая способность луков, произрастающих на Приполярном и Северном Урале, Тимане и Вычегодско-Мезенской равнине: Allium schoenoprasum, A. strictum и A. angulosum в отношении макро- и микроэлементов, превосходящая в несколько раз способность к накоплению этих нутриентов традиционно-употребляемого в пищу A. cepa. Растения Allium schoenoprasum и A. angulosum могут служить источником восполнения дефицита селена в рационе питания жителей для регионов с низким селеновым статусом почв.
  • Впервые изучен химический состав эфирных масел трех эндемичных видов тимьянов из их реликтовых местонахождений на территории европейского северо-востока России: тимьян опушенный (Thymus hirticaulis Klok. = T. Talijevii Klok. et. Schost. f. hirticaulis (Klok.) P. Schmidt), тимьян Талиева (T. talijevii Klok. et. Schost. subsp. talijevii), тимьян малолистный (T. paucifolius/ Klok. = T. talijevii Klok. et. Schost. subsp. paucifolius (Klok.) P. Schmidt). В тимьяне Талиева и тимьяне малолистном определено содержание фенольных соединений и флавоноидов. Антиоксидантаная активность тимьянов из природных популяций сравнима с активностью интродуцированных растений T. serpyllum. Показано, что качественный состав гликозидов флавонов и флаванонов видоспецифичен и может быть использован при исследовании степени родства видов и внутривидовой дифференциации.
  • Определена фитоценотическая приуроченность алкалоидсодержащего вида аконита северного (Aconitum septentrionale), исследовано состояние и продуктивность ценопопуляций, изменчивость морфологических признаков на внутри- и межпопуляционном уровнях. Разработана методика оценки плотности ценопопуляций и запасов фитомассы полезных растений на территориях большой протяженности на основе данных полевых исследований и анализа спектрозональных спутниковых изображений высокого разрешения Landsat. Создана карта прогноза плотности запаса сырья алкалоидсодержащего растения Aconitum septentrionale для некоторых участков территории Приполярного Урала.
  • Получены и депонированы в НИИ ККМ (п. Кольцово Новосибирской обл.) штаммы дрожжей Rhodotorula glutinis, способные преимущественно трансформировать тяжелые парафины линейного строения, гетероциклические соединения в составе нефти или сложных полиароматичесих ксенобиотиков.
  • Научно обоснована разработка иммобилизованных ферментов на органических носителях для эффективной очистки нефтезагрязненных почв при высоких начальных концентрациях загрязнения.
  • Выявлены закономерности изменения ферментативной активности тундровых нефтезагрязненных почв в процессе самовосстановления и рекультивации. Экспериментально установлено, что длительность процессов восстановления микробоценозов для торфяных и торфяно-глеевых почв Севера при уровне нефтяной нагрузки до 10 мг/г составляет 5-8 лет; при уровнях загрязнения до 50 мг/г – 12-15 лет; при концентрации нефти 50-100 мг/г – 20-30 лет; при содержании нефти в почвах от 200 мг/г и выше – более 30 лет. Использование биотехнологических методов и биопрепаратов нефтеокисляющего действия позволяет уменьшить длительность восстановления нефтезагрязненных почв в 5-10 раз без изменения характера протекающих в них сукцессионных и биохимических.
  • Изучены кинетические характеристики процесса образования глюкозы и фруктозы при ферментативном гидролизе биомассы клубней топинамбура. Максимальное увеличение скорости реакций ферментативного гидролиза, выхода сахаров (до 70%) и степени биоконверсии (до 94 %) достигается за счет предварительной обработки сырой биомассы с помощью твердофазной ферментации измельченных клубней топинамбура дрожжевой культурой Saccharomyces cerevisiae. Разработана мультиэнзимная композиция для комплексной переработки биомассы клубней топинамбура в сахаросодержащие сиропы, состоящая из целлюло- и пектинолитических ферментных препаратов, с добавками препарата мацерирующего действия. Определен состав питательной среды для получения биотоплива из гидролизатов клубней топинамбура сахаромицетами Saccharomyces cerevisiae.
  • Впервые показано, что введение в реакционную среду модифицированных полисахаридов (хитозан, карбоксиметилхитозан, сульфат хитозана, дезоксиаминобутилцеллюлоза) при ферментативном гидролизе крахмала, в наибольшей мере ингибирует действие эндо- и экзоамилаз за счет полисахаридов с положительно и отрицательно заряженной цепью, соответственно. Обнаруженные эффекты могут быть использованы для создания композитных материалов на основе крахмала, хитозана, целлюлозы и их производных, а так же регулирование их устойчивости к биодеструкции.

Основные результаты прикладных исследований

Важнейшие разработки, реализуемые или реализованные в практике

  • В 2008 г. в Федеральной службе Роспотребнадзора ( г. Москва) осуществлена процедура государственной регистрирации растительного сырья для получения БАД «Серпухи венценосной листья» (№ гос/рег. 77.99.23.3.У.1922.3.08), субстанции БАД «Серпистен» (№ гос.рег. 77.99.23.3.У.1923.3.08. ТУ 9369-002-15092611-2008 и трех капсулированных форм экдистероидсодержащих БАДов на основе субстанции Серпистен (Кардистен - противоишемического, № гос/рег. 77.99.23.3.У.11136.12.08; Диастен – сахароснижающего, № гос/рег. 77.99.23.3.У.11135.12.08 и Адастен, № гос/рег. 77.99.23.3.У.11137.12.08 – адаптогенного и иммуностимулирующего действия). Осуществлялись работы внедрению инновационного проекта по созданию производства экдистероидсодержащей субстанции Серпистен и капсулированных форм БАД на ее основе.
  • Разработан биологически-активный сорбент на основе гидрофобизированного торфа и биопрепарата нефтеокисляющего действия «Универсал» (ИБ Коми НЦ УрО РАН). В лабораторном опыте определены эффективность и скорость сорбции нефти на гидрофобном сорбенте и скорость самоочищения отработанного сорбента в почвенных и водных субстратах. Получено положительное заключение государственной экологической экспертизы на новую технологию очистки почв и вод с сорбентом. Разработаны нормативы ПДК и ПДВ для микроорганизмов-алканотрофов в составе биопрепарата нефтеокисляющего действия «Универсал».
  • Разработан способ очистки поверхности водных объектов от плавающей нефти с помощью гидрофобизированного сорбента с поверхностно-активными и деструктивными в отношении нефтяных углеводородов свойствами. Поверхностно-активные свойства сорбирующему материалу придают биосуфрактанты микробного происхождения, которые определяют усиление сорбции вязких углеводородов в холодных водах. Микробная масса на сорбенте на основе психрофильных нефтедеструкторов отвечает за обезвреживание углеводородов в водной толще и в донных отложениях. Способ позволяет подвергать очистки акватории после разлива нефтепродуктов на воде в высоких широтах.
  • На основе отходов растениеводства и трудноусвояемых зерновых культур с использованием ферментативных биотехнологий разработана новая белково-углеводная кормовая добавка для птицеводства. Технология получения продукта заключается в оптимальной дозировке трудноусваиваемых компонентов, их ферментативном осахаривании, сгущении и выпарке прогидролизованной смеси в присутствии сои, обогащающей конечный продукт рядом незаменимых аминокислот и жиров. По данным биохимического анализа продукт содержит до 30% легкоусваиваемых углеводов; характеризуется оптимальным составом незаменимых аминокислот, близких к идеальному белку FAO и практически не содержит ?-глюкана и других антипитательных веществ, содержащихся в исходном субстрате (Патент № 2367194, № 2368234).
  • Разработан способ ферментативной деструкции порошковых целлюлоз (ПЦ), который дает возможность получения новых наноматериалов, обладающих повышенной устойчивостью к биодеструкции.

 

Важнейшие законченные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (разработки), которые готовы к практическому применению

  • Получен штамм CIII 1.2. каллусной культуры клеток растений Serratula coronata, селективно продуцирующий инокостерон, обладающий активностью гормона линьки насекомых и высокой антиоксидантой и анаболической активностью у млекопитающих. Указанный штамм представляет интерес для биотехнологического получения инокостерона, получение которого из интактных растений Serratula coronata в индивидуальном виде затруднительно из-за низкого содержания и совместного присутствия с 20-гидроксиэкдизоном с близкими хроматографическими характеристиками (Получен патент № 2296155 «Штамм культивируемых клеток растений Serratula coronata L.).
  • На территории Южно-Хыльчуюсского нефтяного месторождения Ненецкого автономного округа апробирован новый способ очистки водоемов, суть которого заключается в активации процессов десорбции нефти из донного грунта путем увеличения в субстрате концентрации кислорода и использования биоПАВ- образующих биопрепаратов с последующим внесением нефтеокисляющих микроорганизмов в составе биопрепаратов для активации разложения растворенных углеводородов Предложенный способ запатентован. (Патент РФ № 2322400).
  • Разработан способ получения ферментного препарата с дегидрогеназной активностью в иммобилизованной форме для биотрансформации нефтяных соединений. По сравнению с микробиологическими препаратами, содержащих живые нефтеокисляющие бактерии, ферментный препарат в иммобилизованной форме активно разрушает углеводороды в более широком интервале концентраций углеводородов нефти и температуры окружающей среды. Способ получения иммобилизованного фермента находится в стадии патентования, отрабатываются режимы использования препарата в водных и почвенных средах для обоснования способа его применения.
  • Изучены особенности совместного ферментативного гидролиза целлюлозы и крахмала. Выявлено уменьшение активности амилаз в присутствии целлюлозы, причем по сравнению с ?- и ?-амилазой ингибирование ?-амилазы более выражено. Экспериментально доказана способность мальтозы (продукта действия ?-амилазы) к ингибированию ферментов целлюлазного комплекса. Предложен режим ферментативного гидролиза лиственной беленой целлюлозы в присутствии крахмала, позволяющий увеличить выход восстанавливающих сахаров за счет гидролиза целлюлозы на 17% по сравнению с ожидаемым выходом сахаров из крахмала и получить порошковые целлюлозы (ПЦ) со степенью полимеризации 240 и индексом кристалличности 0.8, что удовлетворяет требованиям для коммерческих образцов ПЦ. Показано, что характеристики получаемой ПЦ в значительной мере определяются вязкостью среды, задаваемой концентрацией крахмала в исходной реакционной смеси.

Награды сотрудников

  • Разработка «Экдистероидсодержащие фармакологические препараты и биологически активные добавки» награждена Золотой медалью VI Московского международного салона инноваций и инвестиций (февраль 2006 г.)
  • Разработка «Комплексная очистка нефтезагрязненных субстратов (почв, вод, нефтешламов) с использованием биопрепаратов и биостимуляторов» награждена Серебряной медалью VI Московского международного салона инноваций и инвестиций (февраль 2006 г.)
  • Разработка «Комплексная малоотходная технология биоконверсии целлюлозосодержащих материалов лесоперерабатывающих и сельскохозяйственных предприятий» награждена Бронзовой медалью VI Московского международного салона инноваций и инвестиций (февраль 2006 г.)
  • Золотая медаль международного Института промышленной собственности «Золотой Архимед» за разработку Комплексная технология глубокой очистки от нефти и нефтепродуктов водоемов, заболоченных территорий, вод, амбаров и сточных вод (автор с.н.с., к.б.н. М.Ю. Маркарова).
  • Присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники за 2008 год за работу «Разработка и внедрение комплекса биотехнологий и систем восстановления нарушенных и загрязненных углеводородами тундровых и северо-таежных биогеоценозов) (к.б.н. Маркарова М.Ю., к.б.н. Таскаев А.И.)
  • Присуждена премия Правительства РК в области научных исследований за 2009 год (зав. лабораторией профессор, д.б.н. Володин В.В.;. к.б.н., с.н.с. Володина С.О., к.б.н., с.н.с. Чадин И.Ф, д.б.н., в.н.с. Мартыненко В.А).
  • Золотая медаль XIII Международного Московского салона изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД» (к.б.н., м.н.с. Д.В. Тарабукин)
  • Серебряная медаль XIII Международного Московского салона изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД» (зав. лабораторией д.б.н., профессор В.В. Володин, , к.б.н, с.н.с.. С.О. Володина)

Сведения о выигранных грантах

  • Международный проект INTAS «Вторичные метаболиты растений и отношения между насекомыми и растениями: распространение и идентификация экдистероидных агонистов и антагонистов в двух географически удаленных флорах» (проект 96-1291);
  • Целевая программа поддержки междисциплинарных проектов, выполняемых в содружестве с учеными Уральского, Сибирского и Дальневосточного отделений РАН. Проект N 48а. «Сравнительное исследование экдистероидсодержащих растений географически удаленных флор (Урал, Дальний Восток)» (совместно с ТИБОХ ДвО РАН).
  • Программа Президиума РАН «Фундаментальные науки – медицине Урала»
  • Тема: «Разработка методов повышения адаптационных возможностей организма у жителей Крайнего Севера» (Научный руководитель к.б.н. А.И.Таскаев)
  • Раздел «Разработка экдистероидсодержащих биологически активных добавок и лекарственных препаратов для профилактики и лечения заболеваний у жителей Крайнего Севера» (отв. исп. д.б.н. В.В. Володин)
  • Международная программа Barents-Secretariat. Проект: «Barentsherbs: Растения Баренц-региона – природный источник для улучшения здоровья и развития бизнеса» (№ 632009)
  • Программа ОБН РАН «Биологические ресурсы России, оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга», проект «Состояние ресурсов полезных растений европейского Северо-Востока России: мониторинг и разработка биотехнологических подходов по рациональному использованию и воспроизводству».
  • Программа Президиума РАН № 21 «Фундаментальные науки – медицине», проект «Молекулярно-клеточные механизмы стресс-устойчивости и оценка возможности фитофармакологической коррекции адаптивных реакций организма в неблагоприятных условиях окружающей среды, высоких физических и психо-эмоциональных нагрузок».