Гидрогели на основе полиолатов кремния и титана — матрицы для иммобилизации бактериальных клеток
Гели на основе природных и синтетических полимеров широко используются для иммобилизации различных ферментов и клеток с целью получения ценных биокатализаторов. Они имеют трехмерную пористую структуру, которая не только позволяет удерживать биоматериалы, но и обеспечивает эффективный массоперенос, позволяя субстратам и продуктам реакции свободно диффундировать. Важным преимуществом является возможность точного контроля свойств гелевой матрицы, таких как пористость, механическая прочность и гидрофильность, для иммобилизации различных микроорганизмов.
Несмотря на биосовместимость, природные полимеры биоразлагаемы, и со временем их структура деформируется. Разработка гидрогелевых матриц, содержащих полиолаты кремния и титана, представляет значительный интерес для биотехнологических применений.
Инкапсуляция отдельных бактерий в такие матрицы ранее не изучалась систематически. Использование мягких условий золь-гель синтеза может позволить сохранить жизнеспособность бактерий, а также обеспечить эффективный массоперенос питательных веществ и продуктов метаболизма, что делает гидрогелевые матрицы перспективными для применения в биосенсорах, фармацевтике и технологиях устойчивой экологической очистки.
Данному исследованию посвящена работа коллектива ученых из Тульского государственного университета, Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, Института фундаментальных проблем биологии РАН, Институт биологического приборостроения с опытным производством РАН при участии сотрудников Института — аспирантки В.М. Фроловой и д.х.н. Т.Г. Хониной. Статья опубликована в журнале «Gels».
Авторами в результате одностадийного золь-гель синтеза получены гидрогели на основе полиолатов кремния и титана с полиэтиленгликолем (Si-PEG и Ti-PEG). Впервые они использованы для иммобилизации грамотрицательных (E. coli MG1655) и грамположительных (R. qingshengii X5) бактерий. Методами колебательной спектроскопии и термогравиметрического анализа подтверждено образование аморфных гибридных структур с преобладанием органических компонентов и металлооксидных решеток. Эффективность инкапсуляции составила более 70% для Si-PEG-гидрогеля и около 50% для Ti-PEG. Тесты на антимикробную активность показали, что Si-PEG нетоксичен, в то время как Ti-PEG снижает жизнеспособность клеток на 50%.
Впервые анализ морфологических свойств иммобилизованных клеток выявил образование тонкой оболочки из Si-PEG-гидрогеля вокруг каждой клетки и толстого полимерного слоя на поверхности бактерий при инкапсуляции внутри Ti-PEG.
Каталитическая активность биокатализаторов оставалась на уровне 84–93% для Si-PEG и снижалась до 5% для Ti-PEG-гидрогеля. Биокатализаторы на основе бактерий, инкапсулированных в Si-PEG, имеют высокую чувствительность и стабильность. Si-PEG-Гидрогель обладает высокой биосовместимостью, что делает его пригодным для эффективной инкапсуляции различных типов бактерий со структурой «клетка в оболочке».
Источник: Пресс –служба ИОС УрО РАН
