Лаборатория методов и приборов для исследования микроорганизмов (№ 11)
И.о. заведующего лабораторией - Сивашева Татьяна Николаевна
Актуальные публикации и патенты
1. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ В МИТОХОНДРИЯХ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК / С.П.Моисеева, Г.В.Котельников, О. И. Грабельных, Т. П. Побежимова, В. К. Войников // НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ.- 2018.- Т.28.- № 3.
2. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ В МИТОХОНДРИЯХ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК / Моисеева С.П., Котельников Г.В., Грабельных О.И., Побежимова Т.П., Войников В.К. // II Всероссийская научно-практическая конференция «Научное приборостроение – современное состояние и перспективы развития». Сборник материалов.- Казань, 4-7 июня 2018 года.- с. 212-215.
3. Котельников Г.В., Моисеева С.П. Капиллярный титрационный калориметр для исследования митохондрий. Патент РФ № 2 610 853, 16.02.2017 Бюл. № 5.
4. Котельников Г.В., Моисеева С.П., Ласуков Ю.И. Капиллярный титрационный калориметр для исследования митохондрий. Патент РФ № 2 618 670, 05.05.2017 Бюл. № 13.
5. Котельников Г.В., Моисеева С.П. НАНОКАЛОРИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ В МИТОХОНДРИЯХ // Научное приборостроение.- 2016.- Т.26.-№3. -с.3-9.
Деятельность лаборатории
Лаборатория организована в 1965 г. в Специальном конструкторском бюро биологического приборостроения АН СССР (в настоящее время Институт биологического приборостроения РАН). До 2020 года лабораторию возглавлял кандидат технических наук по специальности "биотехнология", лауреат Международной премии за работу в области научного приборостроения и автоматизации научных исследований, Григорий Владимирович Котельников.
Лаборатория начала свою научно-техническую деятельность с разработки под научным руководством академика Н. Д. Иерусалимского аппарата для непрерывного культивирования микроорганизмов АНКУМ-1 и к концу 80-х годов по разработкам лаборатории Опытным Производством ИБП РАН было выпущено 123 аппарата АНКУМ-2 и АНКУМ-2М, более 100 аппаратов АК-203 / 210, десятки ферментационных аппаратов других типов (АНКУМ-1, АНКУМ-203, АНКУМ-210, КНКМ, АФК-101, аппарат с металлическим ферментером емкостью 25 л, АНКУМ-2М – ПЭВМ, КПК-201, АК-3, АК-10, КСАФУ, ферментер для мониторинга культур микроорганизмов, комплекс «Ферментер-ПЭВМ» на базе аппаратов АК-203/210). С 70-х годов по настоящее время в ферментационном зале ИБФМ РАН активно используются аппараты типа АНКУМ при проведении научных и прикладных биотехнологических процессов. В дальнейшем по Программе международного сотрудничества по разработке лабораторных ферментеров, выполнявшейся под руководством академика Г.К. Скрябина, была разработана концепция создания автоматизированных проблемно-ориентированных комплексов для культивирования микроорганизмов, состоящих из отдельных автономных приборов. По результатам данного сотрудничества были созданы автономные приборы: Прибор регулирования частоты вращения вала мешалки; Прибор регулирования температуры; Прибор стерильного отбора проб; Прибор многоканальный для стерилизации среды и аппаратуры; Прибор пеногашения; Прибор регулирования рО2; Датчик оптической плотности; Прибор регулирования рН; Прибор дозирования жидкостей. На базе указанных приборов был создан опытный образец проблемно-ориентированного комплекса, послужившего в дальнейшем прототипом для построения ряда специализированных комплексов. По данному направлению работ также были разработаны и изготовлены датчики рО2, датчики оптической плотности, датчики температуры, датчики пены, датчики оборотов, тепловые датчики уровня, тепловые насосы, пневматические насосы, малоинерционные нагревательные элементы, магнито-жидкостное уплотнения, калориметрический измеритель массы культуральной жидкости.
Лаборатория обеспечена необходимыми средствами автоматизации для разработки конструкторской документации при создании новых экспериментальных образцов наукоемких приборов.
На базе лаборатории осуществляется подготовка магистрантов ПущГЕНИ по программе «Биомедицинские измерительные информационные системы и технологии». Это также позволяет готовить молодые кадры для лаборатории. В 2014 году магистрант ПущГЕНИ Худякова А.Ю. защитила магистерскую диссертацию «Разработка системы сбора и анализа данных, полученных методом замедленной флуоресценции хлорофилла, и исследование механизмов действия стрессоров различной природы на фотосинтетический аппарат» под научным руководством с.н.с., доц. Сивашевой Т.Н.. В 2015 в лаборатории осуществлялась подготовка магистранта ПущГЕНИ А.В. Мучника.
Лаборатория активно поддерживает связь с рядом ведущих научных институтов РАН: ИТЭБ РАН, ИНЭОС РАН, ИФПБ РАН, а также с МГУ, МГУПИ и другими организациями. Выполнены работы по грантам РФФИ: 06-08-01237-а, 10-08-00063-а, 13-08-00933-а. (По этим грантам: Грантополучатель - Котельников Г. В., Организация – ИБП РАН).
С начала 2000-х годов лаборатория активно занимается разработкой новых методов для исследований в области биологии и медицины:
-
Способ разработан в лаборатории. Защищен патентом РФ. Калориметрия дополняет применяемые электрохимические и оптические методы, являясь неспецифическим, неинвазивным и высокочувствительным методом. Указанные новые технические решения позволяют сделать заключение относительно скорости роста, возникновения лимитирующих условий и дать информацию об образовании метаболитов, что делает перспективным использование указанного метода в ферментационных аппаратах, создаваемых вновь.
-
В настоящее время известно, что патогенные бактерии вырабатывают широкий спектр веществ, как непосредственно повреждающих или убивающих клетки макро- и микроорганизмов, так и способствующие проникновению бактерий в организм хозяина. Результаты успешного изучения механизма взаимодействия порообразующего токсина Sticholysin с липидными мембранами методом титрационной калориметрии опубликованы J.Alegre-Cebollada и сотр. (J. Mol. Biol. 2008, 382, 920-930).
-
Метод высокочувствительной модуляционной калориметрии
Метод позволяет изучать необратимую кинетически контролируемую денатурацию белков, обеспечивая определение кинетических параметров процесса в одном эксперименте с хорошей точностью. Высокочувствительная модуляционная калориметрия позволяет качественно разграничить различные механизмы термической денатурации белка, что открывает перспективы применения данного метода при изучении конформационной энергетики белков.
-
Метод измерения тепловых процессов при трансформации и диссипации энергии в митохондриях
Метод позволяет исследовать кинетику и параметры экзотермических и эндотермических процессов, протекающих в «энергетических станциях клетки», что до настоящего времени относилось к экспериментально не решаемым проблемам. Такое состояние проблемы количественной оценки диссипации и поглощения тепла в функционирующих митохондриях обусловлено тем, что до настоящего времени не было возможности количественно регистрировать кинетику этих реакций на живом микрообъекте, каковыми являются выделенные митохондрии, быстро теряющие свою жизнеспособность в отсутствии кислорода в замкнутой системе. Это важно для решения фундаментальных вопросов митохондриальной термодинамики и имеет прикладное значение для понимания и контроля процессов аккумуляции и диссипации энергии при потреблении кислорода, и в анализе роли различных превращений при несократительном термогенезе. Калориметрические измерения теплопродукции в митохондриях растительных клеток используются в изучении адаптивных возможностей растений и их устойчивости к неблагоприятным воздействиям окружающей среды.
Модуляционный дифференциальный капиллярный титрационный калориметр
Прибор позволяет изучать необратимую кинетически контролируемую денатурацию белков, обеспечивая определение кинетических параметров процесса в одном эксперименте с хорошей точностью. Подробнее
Биотехнические испытания экспериментального образца капиллярного нанокалориметра для изучения термогенезиса в клетках короткоживущих объектов
В ИБП РАН в лаб.11 в поисковых работах впервые выполнены прецизионные измерения термогенезиса в короткоживущих объектах, что определяет лидерство России в этой области. Результаты получены при исследованиях термогенезиса в митохондриях растительных клеток и показаны в работе [1]. В основу экспериментального образца капиллярного нанокалориметра положены теоретические работы [4-9].
Указанные выше измерения могут быть использованы для определения теплопродукции в короткоживущих объектах в исследованиях по актуальной проблеме «повышения продуктивности и расширения ареала возделывания культурных растений путем поиска механизмов и соединений, снижающих неблагоприятное воздействие экстремальных факторов природной среды».
В работе [1] также обосновывается необходимость и перспективность обеспечения в капиллярном нанокалориметре для изучения термогенезиса в клетках короткоживущих объектов возможности введения в течение всего эксперимента 6-7-ми добавок, включая субстраты дыхания, АДФ, ингибиторы и разобщители [10]. При этом калориметрические измерения тепловых процессов, вызванных этими добавками, позволяют провести анализ функционирования митохондриальных энергорассеивающих систем на качественно новом уровне. В настоящее время в мировой практике нет калориметров, которые могут обеспечить аналогичные исследования, т.к. в них невозможно выполнить необходимые работы с короткоживущими объектами.
На основании вышесказанного целесообразно в установленном порядке рассмотреть вопрос о подготовке к выпуску в России капиллярного нанокалориметра для изучения термогенезиса в клетках короткоживущих объектов, базой для создания которого является указанный экспериментальный образец капиллярного нанокалориметра.
Литература
1. Моисеева С.П., Котельников Г.В., О. И. Грабельных, Т. П. Побежимова, В. К. Войников КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ В МИТОХОНДРИЯХ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК // Научное приборостроение .- 2018 .- Т.28 .-№ 3.- С. 59-62.
2. Войников В.К. Митохондрии растений при температурном стрессе .- Новосибирск: Академическое издательство ГЕО, 2011.-163с.
3. Nakamura T., Matsuoka I. Calorimetric studies of heat of respiration of mitochondria // Journal of Biochemistry.1978. Vol. 84, no. 1. P. 39–46.
4. G.V.Kotelnikov, S.P.Moiseyeva, E.V.Mezhburd and V.P.Krayev METHOD OF SEPARATING THE SENSITIVE VOLUME OF CALORIMETRIC CELLS IN A DIFFERENTIAL TITRATION CALORIMETER Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2000, vol. 62, 39-50 (теория теплового шунтирования для капиллярных калориметрических камер).
5. G.V.Kotelnikov, S.P.Moiseyeva, E.V.Mezhburd and V.P.Krayev NEW ISOTHERMAL TITRATION CALORIMETER FOR INVESTIGATIONS ON VERY SMALL SAMPLES Theoretical and experimental studies Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2002, vol. 68, 803–818 (теория перемешивания реагентов в капиллярных калориметрических камерах).
6. STUDYING DISPERSOID SYSTEMS Method of introducing an injecting needle into calorimetric chamber of capillary titration calorimeter / G.V.Kotelnikov, Sophia P. Moiseyeva, E. V. Mezhburd, E. I. Maevsky and Elena V. Grishina // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 81 (2005) 255–259 (теория введения добавки в капиллярные калориметрические камеры).
7. Войников В.К. Митохондрии растений при температурном стрессе .- Новосибирск: Академическое издательство ГЕО, 2011.-163с. ( научная значимость исследований МХ)
8. Nakamura T., Matsuoka I. Calorimetric studies of heat of respiration of mitochondria // Journal of Biochemistry.1978. Vol. 84, no. 1. P. 39–46.) (впервые измерена ТП).
9. Zhou P.-J., Zhou H.-T., Liu Y., Qu S.-S., Zhu Y.-G., Wu Z.-B. Studies on the energy release of rice mitochondria under different conditions by means of microcalorimetry // Journal of Biochemical and Biophysical Methods. 2001. Vol. 48. P. 1–11. (суть теплового процесса в МХ).
10. Грабельных О.И., Боровик О.А., Таусон Е.Л., Побежимова Т.П., Катышев А.И., Павловская Н.С., Королева Н.А., Любушкина И.В., Башмаков В.Ю., Попов В.Н., Боровский Г.Б., Войников В.К. Митохондриальные энергорассеивающие системы (альтернативная оксидаза, разобщающие белки и «внешняя» NADH-дегидрогеназа) вовлечены в развитие морозоустойчивости проростков озимой пшеницы // Биохимия. – 2014. – Т. 79, вып. 6. – С. 647-662.