Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.)

У доповіді наведено результати досліджень, що проводяться в Інституті молекулярної біології і генетики НАН України в галузі біосенсорики. Роботи за цим напрямом сконцентровані на вивченні фізико-хімічних та біохімічних процесів у біомембранах та електрохімічній комірці, розробленні теоретичних і т...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2023
Автор:	Дзядевич, С.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2023
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	З кафедри Президії НАН України
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192911
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.) / С.В. Дзядевич // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 2. — С. 50-54. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-192911
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1929112023-07-20T20:52:54Z Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.) Дзядевич, С.В. З кафедри Президії НАН України У доповіді наведено результати досліджень, що проводяться в Інституті молекулярної біології і генетики НАН України в галузі біосенсорики. Роботи за цим напрямом сконцентровані на вивченні фізико-хімічних та біохімічних процесів у біомембранах та електрохімічній комірці, розробленні теоретичних і технологічних засад аналітичного використання ензимів для створення біосенсорів, застосуванні сучасних електрохімічних методів та математичних підходів до дослідження складних біофізичних систем. Розроблено різні типи біосенсорів, які є вкрай необхідними для аналітичної практики та експресного аналізу в медицині, екології, хімічній та фармацевтичній промисловості тощо. The report presents the results of research conducted at the Institute of Molecular Biology and Genetics of the NAS of Ukraine in the field of biosensors. Work in this direction is focused on the study of physicochemical and biochemical processes in biomembranes and electrochemical cells, the development of theoretical and technological principles for the analytical use of enzymes for the creation of biosensors, the application of modern electrochemical methods and mathematical approaches to the study of complex biophysical systems. Various types of biosensors have been developed, which are essential for analytical practice and rapid analysis in medicine, ecology, chemical and pharmaceutical industry, etc. 2023 Article Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.) / С.В. Дзядевич // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 2. — С. 50-54. — укр. 0372-6436 DOI: doi.org/10.15407/visn2023.02.050 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192911 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України
spellingShingle	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України Дзядевич, С.В. Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.) Вісник НАН України
description	У доповіді наведено результати досліджень, що проводяться в Інституті молекулярної біології і генетики НАН України в галузі біосенсорики. Роботи за цим напрямом сконцентровані на вивченні фізико-хімічних та біохімічних процесів у біомембранах та електрохімічній комірці, розробленні теоретичних і технологічних засад аналітичного використання ензимів для створення біосенсорів, застосуванні сучасних електрохімічних методів та математичних підходів до дослідження складних біофізичних систем. Розроблено різні типи біосенсорів, які є вкрай необхідними для аналітичної практики та експресного аналізу в медицині, екології, хімічній та фармацевтичній промисловості тощо.
format	Article
author	Дзядевич, С.В.
author_facet	Дзядевич, С.В.
author_sort	Дзядевич, С.В.
title	Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.)
title_short	Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.)
title_full	Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.)
title_fullStr	Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.)
title_full_unstemmed	Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.)
title_sort	біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні президії нан україни 30 листопада 2022 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2023
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192911
citation_txt	Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.) / С.В. Дзядевич // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 2. — С. 50-54. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT dzâdevičsv bíosensorikasučasnijnaprâmanalítičnoíbíotehnologíístenogramadopovídínazasídanníprezidíínanukraíni30listopada2022r
first_indexed	2025-07-16T18:44:35Z
last_indexed	2025-07-16T18:44:35Z
_version_	1837830225263591424
fulltext	50 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (2) БІОСЕНСОРИКА — СУЧАСНИЙ НАПРЯМ АНАЛІТИЧНОЇ БІОТЕХНОЛОГІЇ Стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 року У доповіді наведено результати досліджень, що проводяться в Інституті молекулярної біології і генетики НАН України в галузі біосенсорики. Роботи за цим напрямом сконцентровані на вивченні фізико-хімічних та біохіміч- них процесів у біомембранах та електрохімічній комірці, розробленні те- оретичних і технологічних засад аналітичного використання ензимів для створення біосенсорів, застосуванні сучасних електрохімічних методів та математичних підходів до дослідження складних біофізичних систем. Розроблено різні типи біосенсорів, які є вкрай необхідними для аналітичної практики та експресного аналізу в медицині, екології, хімічній та фарма- цевтичній промисловості тощо. Шановний Анатолію Глібовичу! Шановні присутні! Біосенсорика — це сучасна галузь біотехнології, яка розвива- ється на стику багатьох наук: біології, фізики, хімії, матема- тики, інформатики, матеріалознавства, радіотехніки, електро- ніки, поєднує їх знання і дає яскраві приклади того, як високі технології втілюються в життя. Згідно з визначенням Міжнародного союзу теоретичної та прикладної хімії (IUPAC), біосенсором називають автономний інтегральний аналітичний пристрій, який забезпечує кількіс- ний чи напівкількісний аналіз з використанням біологічного розпізнавального елемента, що перебуває в безпосередньому контакті з фізичним перетворювачем. Біологічний елемент розпізнає відповідні речовини-аналіти, які потрібно детектува- ти, а фізичний перетворювач відповідає за перетворення біо- хімічного сигналу в електричний, який можна легко зареєстру- вати і обробити. Серед переваг біосенсорів порівняно з класичними методами вимірювання різноманітних біохімічних параметрів слід відзна- чити їх високу чутливість і селективність; швидкість аналізу та відсутність необхідності попередньої підготовки проби; просто- ДЗЯДЕВИЧ Сергій Вікторович — член-кореспондент НАН України, заступник директора з наукової роботи Інституту молекулярної біології і генетики НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2023.02.050 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 2 51 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ того, цей метод уможливив цілеспрямований пошук шляхів поліпшення основних аналітич- них характеристик біосенсорів. Було вирішено проблему нанесення різних ензимів на один мультисенсорний чип, коли кожна мембрана містить відповідний ензим чи суміш ензимів, які можуть функціонувати одночасно в одному середовищі. На прикладі створеного нами мультибіосенсора для селек- тивного визначення різних цукрів, таких як лактоза, мальтоза, сахароза та глюкоза (рис. 1), добре видно, що в разі додавання в середо- вище якоїсь одної з цих речовин спрацьовує лише той датчик, який є селективним до неї: глюкозний сенсор — фермент глюкозоокси- даза; лактозний сенсор — суміш ферментів β-галактозидаза-мутаротаза-глюкозооксидаза; сахарозний сенсор — суміш ферментів інвер- таза-мутаротаза-глюкозооксидаза; мальтозний сенсор — суміш ферментів α-глюкозидаза- мутаротаза-глюкозо оксидаза. З метою оптимізації аналітичних харак- теристик біосенсорів ми продемонстрували можливості використання додаткових штуч- них полімерних мембран для підвищення чутливості та селективності основної ензим- ної мембрани. Крім того, нанесення додатко- вих мембран дозволило створити дифузійний бар’єр і зменшити вплив на величину відгуку інтерферуючих речовин. На рис. 2 показано, як змінюється чутливість біосенсора для визна- чення сечовини в разі застосування додаткової мембрани. Останнім часом велику увагу в наших до- слідженнях ми приділяємо застосуванню на- номатеріалів різної природи для надчутливо- го визначення біологічних речовин. Завдяки унікальним оптичним, електронним, хімічним і механічним властивостям цих матеріалів вда- лося досягти значного підвищення чутливості біосенсорів, відтворюваності їхніх аналітич- них характеристик під час виробництва, ста- більності таких систем при зберіганні та функ- ціонуванні, поліпшення адгезії біоматеріалу до поверхні перетворювача. Так, було показано, що застосування наночастинок природного цеоліту кліноптилоліту приводить до поліп- ту використання; широкий діапазон речовин, які можна детектувати; здатність до мініатю- ризації і високого рівня інтеграції; можливість створення мультисенсорів; придатність до ви- користання в польових умовах; низьку собівар- тість у разі масового виробництва. Тому не дивно, що сфера застосування біо- сенсорів дуже широка і охоплює практично всі галузі, що забезпечують життєдіяльність суспільства. Це медична діагностика (лабора- торні аналізи, контроль інтенсивної терапії, аналізи у домашніх умовах тощо), моніторинг довкілля (визначення вмісту хімічних сполук, моніторинг якості води, повітря, аналіз ток- сичних і мутагенних матеріалів), біотехнології (конт роль процесу ферментації, визначення кінцевих продуктів ферментації тощо), сис- теми безпеки (криміналістика, детектування наркотичних, вибухових речовин), харчова промисловість (контроль виробництва, якості, концентрацій тих чи інших речовин, свіжості продукції), індустріальне виробництво, сіль- ське господарство, військова галузь. Аналіз світових фінансових інвестицій у розроблення біосенсорів свідчить про сталу позитивну динаміку розвитку цієї галузі. Так, у 1996 р. обсяг капіталовкладень у розвиток біосенсорики становив 500 млн дол. США, у 2000 р. — 3 млрд, у 2010 р. — 8,5 млрд, у 2018 р. — 16,8 млрд, а в 2021 р. — 25,1 млрд дол. США. За прогнозами міжнародних експертів, очікується, що до 2028 р. світовий ринок біо- сенсорів зросте до 38 млрд дол. США. Далі я дуже стисло розповім, які досліджен- ня в галузі біосенсорики проводяться в Інсти- туті молекулярної біології і генетики НАН України. Насамперед ми вивчаємо фізико-хімічні про- цеси, що відбуваються в біомембранах та елек- трохімічній комірці. Нами було запропоновано моделювання цих процесів з використанням еквівалентних електричних схем. Так, при до- слідженні процесів у біомембрані ми вперше за- стосували метод імпедансної спектроскопії, що дозволило глибше зрозуміти перебіг фізико-хі- мічних процесів в ензимній мембрані, правиль- но підібрати якнайкращі перетворювачі. Крім 52 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (2) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ шення аналітичних характеристик уреазного біосенсора (рис. 3). Досліджено біохімічні параметри та роз- роблено математичну модель ензиматичних процесів у біосенсорах, яка дає хороший збіг розрахованих величин параметрів з експери- ментальними даними. Отримані результати є особливо актуальними для роботи з висо- ковартісними біологічними матеріалами або токсичними речовинами під час розроблення нових біосенсорів. За результатами проведених досліджень в Інституті молекулярної біології і генетики НАН України у співпраці з колегами з інших академічних установ розроблено близько 50 різних лабораторних прототипів біосенсорів з використанням іммобілізованих ензимів. Умовно їх можна поділити на такі категорії: • для медичної діагностики — сечовина (уре- аза), глюкоза (глюкозооксидаза), лактат (лак- татоксидаза), ацетилхолін (ацетилхолінесте- раза), холін (холіноксидаза), глутамат (глута- матоксидаза), креатинін (креатиніндеіміназа), піруват (піруватоксидаза); • для моніторингу довкілля — іони важких металів (уреаза), органофосфорні пестициди (холінестерази), хлорофенол (тирозиназа), формальдегід (алкогольоксидаза), карбаматні гербіциди (холінестерази), гіпохлорит (холі- нестерази), загальна токсичність (холінестера- зи), поверхнево активні речовини (ацетилхо- лінестераза); • для біотехнологій — глюкоза (глюкозо- оксидаза), формальдегід (алкогольоксидаза), гліцерин (гліцеролоксидаза), етанол (алко- гольоксидаза), метанол (алкогольоксидаза), молочна кислота (лактатоксидаза), пеніцилін (пеніциліназа); • для харчової промисловості — глюкоза (глюкозооксидаза), аргінін (аргіназа), етанол, метанол (алкогольоксидаза), молочна кислота (лактатоксидаза), лактоза (β-галактозидаза-му- таротаза-глюкозооксидаза), сахароза (інвертаза- мутаротаза-глюкозооксидаза), мальтоза (α-глю- козидаза-мутаротаза-глюко зо ок сидаза), фрук- тоза (фруктозодегідрогеназа), глікоалкалоїди (бутирилхолінестераза), афлатоксини (ацетил- холінестераза), патулін (уреаза). У співпраці з Інститутом фізики напівпро- відників імені В.Є. Лашкарьова НАН Украї- ни розроблено потенціометричний ензимний біосенсор для визначення в сільськогосподар- ських культурах (картопля, томати, баклажа- ни) глікоалкалоїдів, які є натуральними токси- Рис. 1. Мультибіосен- сор для одночасного се- лективного визначення різних цукрів 46 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 2 53 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ нами. Нам вдалося досягти високої відтворю- ваності отриманих результатів та операційної стабільності біосенсора. Одним біосенсором можна провести від 500 до 1000 вимірювань протягом 2—3 місяців. При цьому падіння рівня сигналу становило близько 1 % за добу. Порівняння з контрольним традиційним мето- дом HPLC засвідчило дуже високу кореляцію отриманих результатів (R = 0,93), але на одне вимірювання методом HPLC потрібно 10—24 год, тоді як час проведення аналізу за допомо- гою біосенсора становить 15 хв. Разом з науковцями Інституту фізики на- півпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України розроблено також ензимний мульти- біосенсор на основі рН-чутливих польових транзисторів для одночасного визначення глюкози, сечовини та креатиніну в сироватці та діалізаті крові людини. Спільно з колегами з Інституту електро- динаміки НАН України створено мультифер- ментну амперометричну біосенсорну систему для одночасного аналізу концентрацій АТФ, глюкози та активності креатинкінази, що дуже важливо для медичної діагностики. Порів- няння даних, отриманих у зразках сироватки крові за допомогою біосенсорної системи та конт рольного методу аналізу, показало високу кореляцію: для глюкози — 0,975, для АТФ — 0,912, для креатинкінази — 0,886. Інша наша спільна розробка з Інститутом фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьо- ва НАН України — це портативний прилад- сигналізатор на основі масиву ферментних рН-чутливих польових транзисторів для опе- ративного визначення загальної токсичності. Разом з Інститутом кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, Інститутом біології клітини НАН України та Інститутом електродинаміки НАН України розроблено амперометричний ензимний мультибіосенсор для аналізу якості вина та винопродуктів у ви- норобстві з визначенням у них концентрацій глюкози, етанолу, лактату та гліцеролу. Кондуктометричний ензимний біосенсор для одночасного визначення лактози, мальто- зи, сахарози та глюкози у харчових продуктах було створено у співпраці з Інститутом елек- тродинаміки НАН України. Найменша грани- ця визначення субстратів становить від 1 мкМ, час відгуку — 1—2 хв. Роботи з розроблення кондуктометричного біосенсора для визначення аргініну в продук- тах харчування та дієтичних добавках на осно- ві природної сировини проводилися спільно з Інститутом органічної хімії НАН України, Ін- ститутом біології клітини НАН України та Ін- ститутом електродинаміки НАН України. Як Рис. 3. Підвищення чутливості і стабільності роботи уреазного біосенсора:  — уреаза; — кліноптилоліт Рис. 2. Чутливість біосенсора для визначення сечови- ни: 1 — без додаткової мембрани; 2 — із застосуванням додаткової мембрани 54 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (2) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ чутливі елементи в цьому біосенсорі викорис- товували як ензими, так і каліксарени. Прилад має високу чутливість і хорошу селективність до аргініну, засвідчено також високу кореля- цію даних з визначення L-аргініну порівняно з контрольним методом аналізу (R = 0,959). Ферментний біосенсор для інгібіторного ви- значення афлатоксинів було створено разом з колегами з Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України, Інституту фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьо- ва НАН України та Інституту електродинамі- ки НАН України. Афлатоксини — це токсичні речовини, які утворюються в зернових продук- тах при зараженні їх цвіллю. Слід наголосити, що для всіх експеримен- тальних зразків розроблених нами приладів у тісному контакті з ДП «Укрметртестстандарт» постійно виконуються також метрологічні до- слідження. Дуже коротко зупинюся на найголовніших тенденціях подальшого розвитку біосенсорних технологій у світі, в руслі яких ми намагаємося перебувати. Це такі напрями: • розширення спектру аналітів та розро- блення мультисенсорів і сенсорних масивів, у тому числі математичного апарату аналізу ма- сивів даних; • розроблення ДНК-сенсорів, що уможлив- лює експресний аналіз генетичних і ракових захворювань, визначення мікробних та вірус- них інфекцій; • створення нових технологій синтезу над- молекулярних структур (біоміметиків), що імітують активність біологічних молекул, про- те відрізняються від них більшою стабільністю та можливістю використання в агресивних се- редовищах; • розроблення «розумних» біосенсорних систем із заданими аналітичними характерис- тиками з використанням різноманітних на- номатеріалів, рекомбінантних біоселективних молекул, біоміметиків та ін.; • створення сенсорів, що можуть функціо- нувати безпосередньо в живому організмі про- тягом тривалого часу, та поєднання їх з мікро- системами автоматичного введення ліків; • розроблення нанобіосенсорів. Роботи, про які йшлося в доповіді, викону- ються за фінансової підтримки НАН України (проєкти цільової програми наукових дослі- джень «Розумні» сенсорні прилади нового по- коління на основі сучасних матеріалів та тех- нологій»), Національного фонду досліджень України (2 проєкти), ЄС (2 проєкти за програ- мою Horizon). Раніше ми виконували 2 про- єкти за державним замовленням, що фінансу- валися Міністерством освіти і науки України, та 2 проєкти, профінансовані ЄС у межах 7-ї рамкової програми. Дякую за увагу! За матеріалами засідання підготувала О.О. Мележик Sergei V. Dzyadevych Institute of Molecular Biology and Genetics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2915-716X BIOSENSORICS — A MODERN DIRECTION OF ANALYTICAL BIOTECHNOLOGY Transcript of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, November 30, 2022 The report presents the results of research conducted at the Institute of Molecular Biology and Genetics of the NAS of Ukraine in the field of biosensors. Work in this direction is focused on the study of physicochemical and biochemical processes in biomembranes and electrochemical cells, the development of theoretical and technological principles for the analytical use of enzymes for the creation of biosensors, the application of modern electrochemical methods and mathe- matical approaches to the study of complex biophysical systems. Various types of biosensors have been developed, which are essential for analytical practice and rapid analysis in medicine, ecology, chemical and pharmaceutical industry, etc. Cite this article: Dzyadevych S.V. Biosensorics — a modern direction of analytical biotechnology. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2023. (2): 50—54. https://doi.org/10.15407/visn2023.02.050

Біосенсорика — сучасний напрям аналітичної біотехнології (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 30 листопада 2022 р.)

Репозитарії

Схожі ресурси