Монография состоит из обзоров специалистов, имеющих публикации и научнопрактический опыт в исследованиях иммобилизованных клеток микроорганизмов, растений и животных, которые проводились ими в последние 10 лет. Основу обзоров составляют научные результаты самих авторов, а также актуальные данные по обсуждаемым вопросам, представленным в современной мировой литературе. В книге отражена информация о характеристиках иммобилизованных клеток, способах их регуляции, возможности длительного функционирования и хранения таких клеток, перспективах использования их в биомедицине, системах биодетекции, процессах синтеза биологически активных веществ и в решении экологических задач.

Издание предназначено для специалистов в области биотехнологии, гетерогенного катализа, зеленой химии, биохимии, биофизики, экологии, цитологии, биомедицины, для преподавателей, студентов и аспирантов естественнонаучных и технических факультетов высших учебных заведений, для всех, кто интересуется новыми результатами исследования свойств разных клеток и прикладными аспектами их возможного использования.

Содержание

90-летию
химического факультета
МГУ имени М.В. Ломоносова и

45-летию
кафедры химической энзимологии
химического факультета МГУ
посвящается

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

Традиционно любые юбилейные события дают повод для подведения определенных итогов, анализа полученных и накопленных результатов, формулировки новых текущих задач, осмысления возможности достижения новых стратегических целей. Эта книга стала своего рода предвестником грядущих в 2019 г. юбилейных событий на химическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова и на кафедре химической энзимологии, благодаря которым появилась возможность для многих исследователей, вовлеченных в проблемы изучения и применения иммобилизованных клеток, как мощных биокатализаторов различных процессов и составной части ряда биосенсорных систем, объединиться и, испытывая пиетет к указанным структурным подразделениям МГУ, поделиться результатами своей работы за последние 10 лет, проанализировать мировые достижения в осваиваемых научных направлениях, показать потенциал проводимых изысканий и выделить те точки, которые ожидаемо окажутся значимыми в ближайшем будущем для приложения знаний и усилий.

Именно акад. РАН Березиным И.В., являвшимся деканом Химического факультета МГУ, были инициированы первые разработки и исследования на кафедре химической энзимологии, основанной им в 1974 г., в области создания биокаталитических систем на основе иммобилизованных клеток и ферментов. Учебные и научные публикации по этим тематикам, в подготовке которых активное участие принимали сотрудники кафедры, сегодня хорошо известны, так как они внесли свой вклад в формирование общего научного базиса, которым пользовались и продолжают пользоваться многие исследователи, развивая в целом это междисциплинарное направление науки, связанное с исследованием различных иммобилизованных клеток как биокатализаторов с уникальными свойствами: «Введение в прикладную энзимологию» (под ред. И.В. Березина и К. Мартинека, 1982); «Биотехнология: Учеб. пособие для вузов» (в 8 кн., под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова. Кн. 8: Инженерная энзимология / И.В. Березин, А.А. Клёсов, В.К. Швядас и др., 1987); «Иммобилизованные клетки» (Синицын А.П., Райнина Е.И., Лозинский В.И., Спасов С.Д., 1994); «Химическая энзимология» (Варфоломеев С.Д., 2005), «Chemical and Biochemical Physics, Kinetics and Thermodynamics: New Perspectives» (Ed. Zaikov G.E., 2008), «Biotechnology: State of the Art and Prospects for Development" (Ed. Zaikov G.E., 2008), «Biocatalysis andBiocatalytic Technologies» (Ed. Zaikov G.E., 2006), «Modern Problems in Biochemical Physics: New Horizons (Biochemistry Research Trends)» (Eds. Zaikov G.E., Burlakova E.B., Varfolomeev S.D., Popov A.A., 2012.), «Химия биомассы: биотоплива и биопластики» (под ред. Варфоломеева С.Д., 2017).

Работы по изучению свойств различных иммобилизованных клеток, отличающих их от суспензионных культур и проявляемых ими в разнообразных биокаталитических процессах, сегодня проводятся многими учеными. География этих исследований очень широкая, как и палитра самих объектов исследования и реакций с их участием. Всё это отразилось на тематиках подготовленных обзоров и на составе авторского коллектива, представленного специалистами из разных стран, городов и организаций, многие из которых относятся к академическим. Так, в данной монографии отдельное внимание уделено обсуждению процессов получения и сохранения иммобилизованными клетками чужеродных молекул ДНК, а также представлен анализ «необычной» в сравнении с суспензионными клетками реакции на стресс у иммобилизованных клеток и их кворумныи ответ на увеличение собственной концентрации. Изложены основные ожидаемые тенденции развития исследований, связанных с иммобилизованными клетками. Описаны результаты получения гетерогенных биокатализаторов на основе целых клеток для одноферментных процессов конверсии различных субстратов, показаны универсальные подходы к созданию таких биокатализаторов на основе клеток разных микроорганизмов. Представлен анализ имеющейся информации по длительному хранению клеток различных микроорганизмов в иммобилизованном виде, показаны перспективы использования иммобилизации в качестве одного из возможных, действенных и природоподобных методов консервации клеток.

Отдельно обсуждаются оригинальные подходы, стратегии получения лиальных грибов для разных целей. Представлены результаты уникального комплексного исследования физиолого-биохимических особенностей иммобилизованных клеток разных лекарственных растений, культивированием которых обеспечивается экологическая чистота производимых лекарственных субстанций, а также полная независимость от географических и климатических факторов. Рассмотрены разнообразные подходы к использованию носителей (20-подложек и ЗО-матриксов) для иммобилизации животных клеток, включая стволовые, с целью обеспечения клеточной адгезии, роста, пролиферации, дифференцировки и регенерации тканей. Обсуждаются вопросы теоретических основ и практического применения иммобилизованных клеток как компонентов микробных биосенсоров и биотопливных элементов, показана возможность их использования для экомониторинга разных токсикантов в водных объектах, почве и воздушных средах. Продемонстрирована эффективность применения иммобилизованных клеток микроорганизмов в качестве биокатализаторов реакций трансформации и биосинтеза стероидных соединений с гарантией преодоления ряда сложностей, связанных с биотрансформацией стероидных субстратов. Показана перспективность использования высококонцентрированных клеточных популяций в иммобилизованном виде для получения разных микробных полисахаридов как источников новых биодеградируемых материалов с привлекательными свойствами. Представлены методы иммобилизации клеток нитрилгидролизующих микроорганизмов и примеры их использования в процессах трансформации нитрилов и амидов карбоновых кислот для целей биокатализа и биологической очистки загрязненных сред, показано влияние иммобилизации клеток на стереоселективность гидролитических реакций.

Проанализированы и обобщены преимущества использования иммобилизованных углеводородокисляющих клеток для решения вопросов нефтяной биоремедиации, обсуждены основные подходы к выбору носителей и созданию оптимальных условий иммобилизации клеток нефтедеструкторов. Рассмотрены способы иммобилизации консорциумов клеток, входящих в состав активных илов для анаэробной очистки стоков и получения биогаза, показаны приемы интенсификации этих процессов. Проведен анализ эффективного применения иммобилизованных клеток в процессах биодеградации различных токсичных веществ, изложены основные тенденции в развитии подходов к повышению концентраций биоразлагаемых токсикантов под действием иммобилизованных биокатализаторов, отдельно представлены достижения в области детоксификации нейротоксичных фосфорорганических соединений.

Эта монография не является учебным пособием, она состоит из обзоров специалистов, которые имеют публикации и научно-практический опыт в исследованиях по тем направлениям, которые проводились ими в последние годы с использованием единого объекта исследований — иммобилизованных клеток разных живых объектов: микроорганизмов, животных, растений. Именно собственные научные результаты членов авторского коллектива составили основу представленного материала, в которых сами авторы делятся своим опытом, знаниями и обобщающими выводами. Они отмечают, что происходит постоянное накопление новой информации, сопоставление которой позволяет уточнить или даже пересмотреть определенные представления о том, на что способны иммобилизованные клетки, и главное — какие механизмы управляют этими «способностями». Эти знания становятся важным рычагом управления такими биокаталитическими системами. Хочется надеяться, что появление этой монографии будет способствовать лучшему пониманию принципов и результатов функционирования иммобилизованных клеток, а также активному и широкому их применению на практике.

Всем членам сложившегося авторского коллектива как своим единомышленникам я хочу выразить большую благодарность за проявленное уважение к идее написания этой монографии, отзывчивость, научный интерес, поддержку, желание делиться своими результатами и знаниями, а также уверенность в том, что такие исследования нужны и актуальны.

профессор Ефременко Е.Н.