Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время интенсивно развивается новое научное направление, бионика, включающее в себя фундаментальные и прикладные исследования на границе двух областей - электроники и биологии. Современная проблема бионики состоит в создании интерфейса между «живым и неживым», а именно в эффективном сопряжении биологических систем с электронным устройством. Примером успешной реализации автономного биоэлектронного устройства является кохлеарный имплантат («бионическое ухо») -сложное электронное устройство, имплантируемое в улитку внутреннего уха с целью стимуляции слуховых нервов.
Биокомпозитные материалы являются весьма перспективными для клеточной инженерии, электростимулирования роста нервных клеток, создания имплантатов для контролируемого введения лекарственных средств, био-/хемосенсоров и других устройств. Использование электропроводящих материалов, включая электропроводящие полимеры, такие как полианилин, полипиррол или полиэти-лендиокситиофен, позволяет получать композиты с различными биоматериалами с сохранением биологической активности последних, которую можно изменять воздействием электрического поля. Электропроводящие нано/микроматериалы позволяют электронно соединять в единые гибридные системы белки, ферменты, ДНК или живые клетки.
Использование нанобиокомпозитных материалов позволит повысить эффективность гибридных биоустройств за счет увеличения полезной площади при одинаковых геометрических размерах (создание так называемых трехмерных биоансамблей). Кроме того, переход к биосенсорам и биотопливным элементам (БТЭ) нано- и микроразмеров позволяет увеличивать диффузионный массопере-нос субстратов к поверхности электродов за счет перехода от планарной к полусферической диффузии, что в конечном счете приводит к увеличению удельной мощности БТЭ и снижению предела обнаружения биосенсоров.
В последние годы большое внимание уделяется разработке потенциально имплантируемых миниатюрных автономных источников электропитания (АИЭ), в том числе биотопливных элементов и суперконденсаторов. Безмембранные биотопливные элементы, использующие в качестве топлива глюкозу, а в качестве окислителя дикислород, растворенные в биологических жидкостях, имеют большой потенциал для обеспечения энергией различных имплантированных биомедицинских устройств. Использование нанобиокомпозитных катализаторов в БТЭ позволит повысить эффективность этих устройств. Биокомпозиты также
могут являться основой для создания суперконденсаторов, аккумулирующих энергию, вырабатываемую биотопливным элементом.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось получение нанобиокомпозитных материалов на основе редокс-ферментов и их использование для конструирования потенциально имплантируемых автономных источников электропитания, а именно биотопливных элементов и суперконденсаторов.
Для достижения данных целей были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать биохимические и кинетические параметры используемых в работе оксидоредуктаз (билирубиноксидазы и целлобиозодегидрогеназы).
-
Получить биокомпозиты на основе редокс-ферментов и электропроводящих наноматериалов и изучить их характеристики.
-
Разработать методику создания электродов (биоанода и биокатода) для автономного источника электропитания и изучить их биоэлектрохимические характеристики.
-
Создать лабораторный макет биотопливного элемента и провести его испытания.
-
Подобрать и оптимизировать условия ферментативного синтеза электропроводящего интерполимерного комплекса полианилин/ДНК, исследовать его физико-химические характеристики и определить удельную электрохимическую емкость полученного нанобиокомпозита.
Научная новизна работы. В работе впервые проведено комплексное исследование биокатализаторов (билирубиноксидазы Myrothecium verrucaria, лакказ Trametes hirsuta и Rhus vernicifera) реакции электровосстановления дикислорода на катоде автономного источника электропитания, изготовленного с использованием бумаги из ориентированных углеродных нанотрубок (buckypaper, БУНТ). Показано, что наилучшим биокатализатором этой реакции при физиологических условиях является билирубиноксидаза. Установлено, что материал электрода (БУНТ) позволяет достигать высоких плотностей тока за счет развитой поверхности электрода и увеличения массопереноса дикислорода. Впервые синтезирован электропроводящий интерполимерный комплекс на основе полианилина (ПАНИ) и ДНК с участием микропероксидазы-11 (МП). Показано, что полимеры, полученные с использованием МП и пероксидазы из корней хрена (ПХ), имеют противоположную оптическую активность.
Практическая значимость работы. Показано, что электропроводящие нанобиокомпозиты на основе БОД являются эффективными катодными катализаторами реакции электровосстановления дикислорода, функционирующими в физиологических условиях.
Иммобилизация биокатализаторов на новом электропроводящем материале -бумаге из ориентированных углеродных нанотрубок - позволяет достигать высоких плотностей тока.
БТЭ на основе биокомпозитных материалов перспективны для электропитания различных имплантированных биомедицинских устройств, таких как сенсоры, устройства для стимулирования нервных окончаний, системы контролируемого дозирования лекарств и др.
Биокомпозитный материал на основе ДНК и электропроводящего полианилина, полученный пероксидаза-катализируемым методом, обладает высокой удельной емкостью и может являться материалом для электродов имплантируемого суперконденсатора (устройства накопления и хранения энергии).
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: VIII национальная конференция «Рентгеновское, Синхротронное излучения. Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии» (Москва, Россия, 2011), школа-конференция молодых ученых «Фундаментальная наука для биотехнологии и медицины» (Москва, Россия, 2011).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ, и 2 тезисов докладов в материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 10 таблиц. Список цитируемой литературы включает 239 наименований.
Сокращения, принятые в тексте. АБТС - диаммониевая соль 2,2Л-азино-бис-(З-этилбензотиазолин-б-сульфоновой) кислоты, АИЭ - автономный источник электропитания, АСМ - атомно-силовая микроскопия, БОД - билирубиноксидаза, БТЭ - биотопливный элемент, БУНТ - бумага из ориентированных углеродных нанотрубок, КД - круговой дихроизм, МП - микропероксидаза-11, МУНТ -многостенные углеродные нанотрубки, фМУНТ - функционализированные МУНТ, НВЭ - нормальный водородный электрод, ПХ - пероксидаза из корней хрена, ФБ -фосфатный буферный раствор, ФСБ - фосфатно-солевой буферный раствор, ЦБ -цитратный буферный раствор, ЦДГ - целлобиозодегидрогеназа, FTIR - ИК-спектроскопия с преобразованием Фурье.
