Разработка имплантируемых флуоресцентных биосенсоров

Разработка имплантируемых флуоресцентных биосенсоров

Февраль – Декабрь 2019 

Снижение антропогенной нагрузки на Байкал является важной задачей для Фонда «Озеро Байкал». В связи с промышленной деятельностью на Байкальской природной территории содержание тяжелых металлов в водоеме сильно повысилось, что приводит к непосредственной гибели представителей фауны озера. Для борьбы с экологическими проблемами водоема необходимо выявить уровень загрязнения воды, провести анализ и мониторинг содержания тяжелых металлов в озере, а также проследить влияние вредных химических элементов на благосостояние и жизнедеятельность микроорганизмов Байкала. Благодаря проекту по разработке имплантируемых флуоресцентных биосенсоров Фонд «Озеро Байкал» стал на шаг ближе к своей цели. 

Под руководством Антона Гуркова, победителя конкурса «Байкальская инициатива», были изучены и внедрены новые пути мониторинга экологического состояния Байкала и его обитателей. В рамках исследования был разработан новый инструмент, который позволил быстро отслеживать содержание тяжелых металлов непосредственно в тканях живого организма. Имплантируемый оптический микросенсор дал возможность увидеть реакцию амфипод на загрязнение Байкала, что в бедующем позволит добиться корректировки существующих стандартов качества воды в водоёмах. 

Цель:

  • разработка нового типа имплантируемых оптических биосенсоров на основе живых клеток дрожжей, применимых для отслеживания содержания ионов меди непосредственно в кровеносной системе байкальских эндемических амфипод. 

Задачи:

  • оказать грантовую поддержку Иркутскому государственному университету (ФГБОУ ВО «ИГУ») на реализацию соответствующего проекта;
  • в рамках грантовой поддержки провести следующие работы в феврале-декабре 2019 года:

1. Подобрать покрытия, одновременно снижающие иммунный ответ ракообразных на микросенсоры и исключающие распространение дрожжей в организм амфипод.

2. Получить генетически модифицированный штамм дрожжей, позволяющий по спектру их флуоресценции определять концентрацию меди в среде.

3. Отработать методики использования дрожжей в гемоцеле амфипод. 

Что было сделано:

  • Размер выделенного Фондом гранта в 2019 году составил 400 тысяч рублей.
  • Общий бюджет проекта составил 500 тысяч рублей.  
  • Средства гранта израсходованы на выполнение заявленных задач, зарплаты сотрудникам проекта. 

Результаты работы: 

1. Была применена методика послойного нанесения противоположно заряженных полимеров. Данная методика обеспечила снижение скорости развития иммунного ответа амфипод, однако не позволила полностью его исключить. 

2. Иммобилизация дрожжей в нитях гидрогеля оказалась более успешным подходом. Было выявлено, что гидрогель не вызывает развитие клеточной иммунной реакции в течение не менее, чем нескольких дней, а также обеспечивает возможность концентрации большого числа клеток дрожжей с сохранением их жизнеспособности в течение длительного времени. 

3. Для определения концентрации меди изначально был получен трансгенный штамм дрожжей. Однако одновременное воздействие таких факторов, как низкая температура, высокая концентрация клеток дрожжей в геле и низкая питательная ценность составляющих гемолимфы ракообразных привело к неработоспособности этой генетической системы. 

4. Было установлено, что из-за снижения способности к синтезу защитных белков внутри геля, дрожжи демонстрируют повышенную чувствительность к меди. Данный эффект позволил использовать в качестве функционального компонента микросенсоров штамм дрожжей, синтезирующий желтый флуоресцентный белок, который количественно реагирует на появление меди в среде. 

5. Проведенные эксперименты invivo позволили подтвердить функциональность разработанных биосенсоров для оценки повышения содержания меди в гемолимфе байкальских эндемических амфипод. 

Вывод ученых: 

Полученные результаты и разработанные методики имеют существенный потенциал применения и в перспективе могут быть использованы при разработке эффективных процедур экологического мониторинга состояния сообществ озера Байкал. 

Публикации:

Application of PEG-Covered Non-Biodegradable Polyelectrolyte Microcapsules in the Crustacean Circulatory System on the Example of the Amphipod Eulimnogammarus verrucosus  — MPDI, 27.07.2019

Имплантируемые полиэлектролитные микросенсоры как инструмент для прижизненной динамической диагностики физиологического состояния ракообразных и оценка их влияния на организм – МАКС Пресс, 2019

«Об умных микролампочках в байкальских рачках» — Вести-Иркутск 9.06.2019

Три проекта молодых ученых получили гранты фонда «Озеро Байкал» — IRK.ru21.02.2019

Проекты по исследованию и спасению эндемиков поддержал фонд «Озеро Байкал» — Агентство Социальной информации – Иркутск 12.03.2019

Сюжет НИИ биологии ИГУ «Умные микролампочки в байкальских рачках 1/3: В сетях иммунной системы» 26.05.2019

Байкальская инициатива: будущее великого озера в руках молодых ученых – Экология и жизнь 20.02.2019



Сохранение водных ресурсов