Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.)

У доповіді розглянуто найважливіші результати наукових досліджень в установах НАН України, пов'язаних зі створенням сучасних біоаналітичних засобів, наведено приклади оригінальних розробок українських учених у цій галузі, проаналізовано основні тенденції подальшого розвитку сенсорних технолог...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Вісник НАН України
Datum:2020
1. Verfasser: Солдаткін, О.П.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2020
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/169891
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.) / О.П. Солдаткін // Вісник Національної академії наук України. — 2020. — № 2. — С. 34-39. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-169891
record_format dspace
spelling Солдаткін, О.П.
2020-07-02T15:04:25Z
2020-07-02T15:04:25Z
2020
Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.) / О.П. Солдаткін // Вісник Національної академії наук України. — 2020. — № 2. — С. 34-39. — укр.
0372-6436
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/169891
У доповіді розглянуто найважливіші результати наукових досліджень в установах НАН України, пов'язаних зі створенням сучасних біоаналітичних засобів, наведено приклади оригінальних розробок українських учених у цій галузі, проаналізовано основні тенденції подальшого розвитку сенсорних технологій.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Вісник НАН України
З кафедри Президії НАН України
Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.)
Biosensors — a new generation of analytical devices (Transcript of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, December 18, 2019)
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.)
spellingShingle Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.)
Солдаткін, О.П.
З кафедри Президії НАН України
title_short Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.)
title_full Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.)
title_fullStr Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.)
title_full_unstemmed Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.)
title_sort біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні президії нан україни 18 грудня 2019 р.)
author Солдаткін, О.П.
author_facet Солдаткін, О.П.
topic З кафедри Президії НАН України
topic_facet З кафедри Президії НАН України
publishDate 2020
language Ukrainian
container_title Вісник НАН України
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format Article
title_alt Biosensors — a new generation of analytical devices (Transcript of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, December 18, 2019)
description У доповіді розглянуто найважливіші результати наукових досліджень в установах НАН України, пов'язаних зі створенням сучасних біоаналітичних засобів, наведено приклади оригінальних розробок українських учених у цій галузі, проаналізовано основні тенденції подальшого розвитку сенсорних технологій.
issn 0372-6436
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/169891
citation_txt Біосенсори — аналітичні прилади нового покоління (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 р.) / О.П. Солдаткін // Вісник Національної академії наук України. — 2020. — № 2. — С. 34-39. — укр.
work_keys_str_mv AT soldatkínop bíosensorianalítičnípriladinovogopokolínnâstenogramanaukovoídopovídínazasídanníprezidíínanukraíni18grudnâ2019r
AT soldatkínop biosensorsanewgenerationofanalyticaldevicestranscriptofscientificreportatthemeetingofthepresidiumofnasofukrainedecember182019
first_indexed 2025-11-25T22:13:41Z
last_indexed 2025-11-25T22:13:41Z
_version_ 1850561030005981184
fulltext 34 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2020. (2) БІОСЕНСОРИ — АНАЛІТИЧНІ ПРИЛАДИ НОВОГО ПОКОЛІННЯ Стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 18 грудня 2019 року У доповіді розглянуто найважливіші результати наукових досліджень в установах НАН України, пов’язаних зі створенням сучасних біоаналітич- них засобів, наведено приклади оригінальних розробок українських учених у цій галузі, проаналізовано основні тенденції подальшого розвитку сенсор- них технологій. Шановний Борисе Євгеновичу! Шановні члени Президії НАН України! Шановні колеги! Біосенсорика — це новітній перспективний науковий напрям сучасної аналітичної біохімії, спрямований на розроблення аналітичних засобів сучасної медицини, біотехнологій та охо- рони навколишнього природного середовища. Це завдання сьогодні є вкрай важливим як з наукової, так і з прикладної точки зору. Зазначений напрям виник і розвивається на стику кількох наук — біології, фізики, хімії, математики, інформа- тики, матеріалознавства, радіотехніки й електроніки, а отже, дослідження в цій сфері є міждисциплінарними і потребують поєднання зусиль і знань фахівців з усіх цих наукових галузей. Біосенсор — це гібридний аналітичний прилад, який склада- ється з біоселективного елемента і фізичного перетворювача, що трансформує біохімічний сигнал в електричний. Залежно від типу біоселективного елемента біосенсори поділяються на каталітичні і некаталітичні. До перших належать біосенсори на основі клітин, тканин та ферментів, а до некаталітичних (їх ще називають афінними) — сенсори на основі антитіл, рецепторів, нуклеїнових кислот, біоміметиків. Відповідно до типу фізично- го перетворювача біосенсори поділяються на оптичні, акустич- ні, колориметричні, термічні, електрохімічні тощо. З перелічених типів біосенсорів в Інституті молекулярної біології і генетики НАН України розробляють каталітичні на основі ферментів; афінні на основі антитіл, нуклеїнових кис- лот, біоміметиків; оптичні та електрохімічні. СОЛДАТКІН Олексій Петрович — академік НАН України, завідувач відділу біомолекулярної електроніки Інституту молекулярної біології і генетики НАН України ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2020, № 2 35 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ льових транзисторів (ІСПТ) для діагностики дисфункції нирок і контролю за процесом ге- модіалізу. Розроблено конструкції, електронні схеми та програмні засоби і створено лабора- торний прототип (рис. 2) для одночасного ви- значення концентрацій основних метаболітів (сечовина, креатинін, глюкоза) у сироватці та діалізаті крові людини. В основі роботи цього мультисенсора лежать реакції, які каталізу- ються такими ферментами, як уреаза, креа- тиніндеіміназа та глюкозооксидаза, і супро- воджуються накопиченням або поглинанням протонів, що зумовлює зміну рH. Показано, Серед переваг біосенсорів слід відзначити їхню високу чутливість і селективність; швид- кість аналізу та відсутність необхідності попе- редньої підготовки проби; простоту викорис- тання; досить широкий діапазон речовин, які можуть бути детектовані; можливість мініатю- ризації і високий рівень інтеграції; можливість створення мультисенсорів; придатність для використання в польових умовах; порівняно низьку собівартість за умови масового вироб- ництва. Аналіз світових фінансових інвестицій у розроблення біосенсорів за останню чверть століття переконливо свідчить про сталу по- зитивну динаміку розвитку цієї галузі (рис. 1). У 1996 р. капіталовкладення в розвиток біо- сенсорики становили 500 млн дол. США, у 2000 р. — 3 млрд, у 2010 р. — 8,5 млрд, а в 2018 р. — 16,8 млрд дол. США. Останнім часом середньорічне зростання інвестицій у цей на- прям становить порядку 10–15 %. За прогноза- ми міжнародних експертів, у 2020 р. обсяг рин- ку біосенсорів очікується на рівні 20,8 млрд дол. США. Сфера застосування біосенсорів дуже широ- ка. Це і медична діагностика (лабораторні ана- лізи, контроль інтенсивної терапії, аналізи у домашніх умовах тощо), і моніторинг довкілля (визначення вмісту хімічних сполук, тестуван- ня якості води, повітря, аналіз токсичних і му- тагенних матеріалів), і біотехнології (конт роль процесу ферментації, визначення кінцевих продуктів ферментації тощо), і системи безпе- ки (криміналістика, детектування наркотич- них, вибухових речовин), і харчова промисло- вість (контроль виробництва, якості, свіжості продукції), і індустріальне виробництво, і сіль- ське господарство, і військова галузь. Далі я дуже коротко розповім про окремі біосенсори, розроблені в установах НАН Укра- їни. По-перше, це біосенсорні системи біомедич- ного призначення. Так, співробітники Інсти- туту молекулярної біології і генетики НАН України та Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України створили мультисенсор на основі іон-селективних по- Рис. 2. Мультисенсор на основі ІСПТ для визначен- ня функціональних порушень роботи нирок та якості процесу гемодіалізу Рис. 1. Обсяги світових фінансових інвестицій у роз- виток біосенсорики 36 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2020. (2) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ що кореляція даних, отриманих мультибіо- сенсорним і контрольними методами аналізу, характеризується коефіцієнтами — 0,98 для сечовини і 0,97 для креатиніну. Науковці нашого Інституту спільно з коле- гами з Інституту електродинаміки НАН Укра- їни розробили мультиферментну ампероме- тричну біосенсорну систему для одночасного аналізу концентрацій АТФ, глюкози і актив- ності креатинкінази. В основі роботи цього біосенсора лежать дві ферментативні реакції, в яких ферменти конкурують за глюкозу — суб- страт глюкозооксидази. При цьому визначати можна як глюкозу, так і АТФ. Схему такого біосенсора наведено на рис. 3. Аналіз концен- трацій АТФ, глюкози та активності креатинкі- нази у зразках сироватки крові, отриманих за допомогою розробленої біосенсорної системи і контрольних методів аналізу, засвідчив, що коефіцієнти кореляції становлять: 0,975 — для глюкози; 0,912 — для АТФ; 0,886 — для визна- чення активності креатинкінази. Результатом співробітництва нашого Інсти- туту з Університетом Клода Бернара (Ліон, Франція) стало створення мікробіосенсорів для аналізу in vivo деяких метаболітів та ней- ромедіаторів. При цьому використовували мікробіосенсори з карбонового волокна або з платинового дроту (рис. 4) завтовшки 25 мкм, що зіставно з товщиною людської волосини. Тестування розробленого біферментного біосенсора на основі коіммобілізованих глу- та мат оксидази і аскорбатоксидази (ГлОД/ АОД) проводили як in vitro на культурі клітин, так і in vivo. На рис. 5 наведено відгук глута- матного сенсора на викид глутамату в куль- турі клітин астроцитів. Можна бачити, що контрольний сенсор, який не містив фермент, відгуку при цьому не давав, що свідчить про специфічність розробленого мікробіосенсора. Дослідження in vivo проводили на щурах, ви- вчаючи дію створених нами біосенсорів різ- ної специфічності: на глюкозу, лактат, холін, ацетилхолін, L-глутамат, D-серин, АТФ. Діа- пазон визначення цих біосенсорів охоплював увесь спектр концентрацій відповідних аналі- тів у мозку щурів. Рис. 3. Схема біосенсорної системи для аналізу кон- центрацій АТФ, глюкози та активності креатинкіна- зи: 1 — скляна трубка; 2 — платиновий дріт; 3 — сплав Вуда; 4 — мідний дріт; 5 — захисне покриття; 6 — епок- сидна смола; 7 — контактна площадка; 8 — чутлива зона біосенсора Рис. 4. Схема і розміри мікробіосенсора для in vivo аналізу деяких метаболітів та нейромедіаторів Рис. 5. Порівняння дії специфічного до L-глутамату мікробіосенсора на основі коіммобілізованих ГлОД/ АОД (І) і контрольного сенсора (ІІ) в дослідженні in vitro на культурі клітин астроцитів ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2020, № 2 37 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Крім того, в Інституті розроблено біосенсори на основі поверхневого плазмонного резонан- су для детектування Ph-позитивних лейкемій та виявлення резистентних форм туберкульо- зу. Такі сенсори дозволяють без застосування молекулярних міток у режимі реального часу виявляти і розрізняти нативні гени та різнома- нітні варіанти гібридних і мутованих генів, що викликають відповідну патологію. Другим напрямом біосенсорики, який роз- вивається в НАН України, є створення біосен- сорних систем для контролю якості харчових продуктів. Разом з колегами з Інституту електродина- міки НАН України ми створили кондуктоме- тричний мультибіосенсор для селективного визначення різних цукрів у харчових продук- тах (рис. 6). Такі дисахариди, як сахароза, лак- тоза, мальтоза, розщеплюються відповідними ферментами до моносахаридів, але ці продукти не є електроактивними і їх не можна детекту- вати біосенсорними методами. Тому до систе- ми вводили фермент мутаротазу, який пере- творює α-D-глюкозу на β-D-глюкозу, а потім за допомогою глюкозооксидази β-D-глюкозу перетворювали на електроактивні продукти, що давало змогу кондуктометричним методом визначити концентрації вихідних цукрів. У співпраці з Інститутом фізики напівпро- відників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України розроблено потенціометричний біосенсор для інгібіторного ферментного аналізу глікоалка- лоїдів в овочах. Глікоалкалоїди — це природні нейротоксичні сполуки. Вони мають власти- вість інгібувати фермент бутирилхолінестера- зу, завдяки чому можна визначати їх концен- трацію (рис. 7). Цей процес відбувається в два етапи: спочатку сенсор дає відгук на субстрат (А0), а потім вносять зразок, який містить ток- сичну речовину, що приводить до зниження відгуку до Аі. За величиною цього спаду мож- на встановити інгібувальну активність, а отже, і концентрацію глікоалкалоїдів. Порівняння з контрольним традиційним методом HPLC за- свідчило хорошу кореляцію (R = 0,93). Апро- бацію розробленого біосенсора було проведе- но при визначенні сумарного вмісту глікоалка- Рис. 7. Схема інгібіторного аналізу, що лежить в осно- ві мультибіосенсора для селективного визначення різ- них цукрів у харчових продуктах Рис. 6. Кондуктометричний мультибіосенсор для се- лективного визначення різних цукрів у харчових про- дуктах лоїдів у різних сортах картоплі французького походження. Загалом ми перевірили близько 60 французьких сортів картоплі і кілька десят- ків українських. Слід зазначити, що вітчизняні сорти виявилися кращими з точки зору допус- тимих концентрацій глікоалкалоїдів. Спільно з фахівцями з Інституту мікробіо- логії і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України ми розробили кондуктометричний біосенсор для інгібіторного визначення афла- токсинів, зокрема найнебезпечнішого афла- токсину В1. Ці гепатоканцерогенні токсичні речовини є природними продуктами життєді- 38 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2020. (2) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ яльності різних видів грибів роду Aspergillus, що найчастіше вражають рис, кукурудзу, пше- ницю, овес, горіхи та інші поширені культури. Для визначення мікотоксинів разом зі спів- робітниками Інституту хімії високомолеку- лярних сполук НАН України створено також оптичні сенсорні системи на основі смартфо- нів та «розумних» полімерів — біоміметиків. За їх допомогою з водних розчинів можна ви- значати афлатоксин B1 у діапазоні концентра- цій 5–500 нг/мл, а інший мікотоксин зеарале- нон — у діапазоні 1–25 мкг/мл. Третій напрям біосенсорики, в якому пра- цюють вчені нашої Академії, — це біосенсор- ні системи для екологічного моніторингу. Так, співробітниками Інституту молекулярної біології і генетики НАН України, Інституту електродинаміки НАН України та Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України створено біосенсорні системи для визначення загальної токсичності стічних вод, природних водоймищ та концентрацій окремих розчинних токсичних речовин, таких як іони важких металів, органо-фосфорні пес- тициди, хлорофенол, формальдегід, карбамат- ні гербіциди, гіпохлорити тощо. Розроблено та виготовлено експериментальні зразки муль- тибіосенсорів на основі уніфікованих ІСПТ- сенсорних елементів і планарних кондукто- метричних гребінчастих золотих електродів, у тому числі механічні конструкції, електронні перетворювачі, інтерфейси та програмне за- безпечення для цих приладів. Крім того, вчені НАН України докладають значних зусиль для опрацювання нових підхо- дів до поліпшення аналітичних характеристик біосенсорів: підвищення їх чутливості, селек- тивності, розширення лінійного діапазону ви- значення, поліпшення відтворюваності у про- цесі виготовлення, підвищення стабільності роботи (зокрема, операційної стабільності та стабільності при зберіганні), скорочення часу аналізу та ін. Серед запропонованих підходів слід відзначити використання нанорозмір- них матеріалів, застосування рекомбінантних ферментів, оптимізацію структури біоселек- тивного елемента біосенсора та процедури біосенсорного аналізу. Завдяки досить швид- кому прогресу в галузі синтезу наночастинок із заданими властивостями, такими як розмір частинок, їхня питома поверхня, пористість матеріалу, гідрофільність або гідрофобність, електропровідність чи інертність, поверхневий заряд, можливість модифікації різними функ- ціональними групами тощо, відкриваються нові можливості для оптимізації біосенсорів. У наших роботах ми використовуємо на- номатеріали різної природи: нано- і мікро- розмірні цеоліти; вуглецеві наноматеріали (одношарові і багатошарові нанотрубки, на- ноалмази, графен), наночастинки благородних металів (золото, платина, срібло), каліксаре- ни, нанорозмірні плівки (поліфенілендіамін, Nafion та ін.). Наприклад, було показано, що застосування наночастинок природного цео- літу кліноптилоліту приводить до поліпшення аналітичних характеристик уреазного кондук- тометричного біосенсора, а модифікація на- ночастинками золота комплементарних олі- гонуклеотидів — до селективного підвищення (у понад 1000 разів!) чутливості ДНК-сенсора. З метою оптимізації аналітичних характерис- тик біосенсорів ми використовували й додат- кові полімерні мембрани, які дають змогу ніве- лювати вплив концентрації буфера на роботу Рис. 8. Калібрувальні криві, отримані для біосенсора на основі уреази з бобів сої (1) та рекомбінантної уреа- зи з E. coli (Oriental Yeast Co.) (2) ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2020, № 2 39 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ потенціометричних та кондуктометричних сенсорів. Крім того, застосування додаткових мембран поліпшує чутливість, стабільність і відтворюваність сигналів. Для досягнення по- трібних характеристик біосенсорів використо- вувалися також рекомбінантні ферменти. Так, уреазний біосенсор на основі ферменту уреаза з бобів сої був високочутливим, але мав дуже вузький діапазон визначення. Завдяки засто- суванню рекомбінантної уреази, отриманої з E. coli (Oriental Yeast Co.), з однією заміною амінокислоти в активному центрі ферменту нам вдалося значно розширити діапазон біо- сенсорного визначення (рис. 8). Отже, по-перше, в результаті проведених досліджень розроблено низку моно- і муль- тибіосенсорів для визначення концентрацій основних метаболітів у сироватці та діалізаті крові людини; діагностики окремих форм лей- козу та резистентних штамів Mycobacterium tuberculosis на основі афінних взаємодій одно- ланцюгових молекул ДНК; аналізу низки ме- таболітів і нейромедіаторів у мозку ссавців; інгібіторного визначення фосфорорганічних пестицидів, фенолів, іонів важких металів, сте- роїдних глікоалкалоїдів, гіпохлориту та інших токсикантів у харчових продуктах і зразках на- вколишнього середовища. По-друге, створено низку лабораторних прототипів розроблених нами біосенсорів та апробовано їх при аналізі реальних зразків, проведено верифікацію з ви- користанням традиційних методів аналізу. За- значені прототипи зараз проходять стадію ме- трології. Всі одержані результати опублікова- но у рейтингових фахових журналах, а також отримано близько 20 патентів України. Дуже коротко зупинюся на основних тен- денціях подальшого розвитку перспективних сенсорних технологій в ІМБГ НАН України. На нашу думку, це: • розширення переліку аналітів і розроблен- ня мультисенсорів та сенсорних масивів, а та- кож математичного апарату аналізу масивів 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, але відрізняються від них більшою стабільністю та можливістю використання в агресивних сере- до вищах; • створення «розумних біосенсорних сис- тем» із заданими аналітичними характерис- тиками (з використанням різноманітних на- номатеріалів, рекомбінантних біоселективних молекул, біоміметиків та ін.). Разом з тим, слабкою ланкою залишається впровадження нових розробок, оскільки це потребує значних фінансових інвестицій, на- багато більших, ніж на етапі розроблення. До того ж в Україні практично немає державних систем впровадження інноваційних продуктів. Насамкінець хочу зазначити, що всі дослі- дження, про які я сьогодні говорив, виконува- лися за фінансової підтримки НАН України в рамках бюджетного фінансування та за про- грамами «Сенсорні системи для медико-еко- логічних і промислово-технологічних потреб: метрологічне забезпечення та дослідна екс- плуатація» і «Розумні» сенсорні прилади но- вого покоління на основі сучасних матеріалів та технологій» (керівник програми — академік НАН України Г.В. Єльська, керівник робочої групи — професор С.В. Дзядевич). Крім того, ми виконували 3 проєкти 7-ї рамкової програ- ми ЄС; кілька проєктів NATO і УНТЦ, а та- кож отримали білатеральні гранти з ученими Франції, Греції та Індії. Дякую за увагу! За матеріалами засідання підготувала О.О. Мележик