Оренбургский государственный университет

Оценка биологических эффектов углеродных наноматериалов методами биолюминесцентного анализа

Руководитель проекта — д.м.н., профессор Д.Г. Дерябин

Цель работы: экспериментальное обоснование новых подходов к оценке биологических эффектов углеродных наноматериалов с использованием методов биолюминесцентного анализа.

Задачи проекта:

1. Токсикологическая характеристика различных соединений наноуглерода с использованием методов биолюминесцентного анализа.
2. Дифференциация биологических эффектов, определяемых собственно наноформами углерода и содержащимися в них технологическими примесями.
3. Выявление особенностей биолюминесцентного отклика бактериальных биосенсоров с различным строением поверхностных структур.
4. Определение связи биологических эффектов углеродных наноматериалов с их размерными характеристиками, морфологической организацией и характером функционализации.

Результаты выполнения проекта:

1. Разработан методический подход к биолюминесцентному биотестированию углеродных наноматериалов, сутью которого стали:
• специальная процедура подготовки анализируемых образцов углеродных наноматериалов, ориентированная на получение их высокодисперсных суспензий;
• использование специально отобранного сенсорного люминесцирующего микроорганизма, проявляющего наибольшую чувствительность к повреждающему действию наноуглерода;
• особый алгоритм учета и интерпретации результатов биолюминесцентного анализа, позволяющий исключить влияние собственных оптических свойств углеродных наноматериалов на результаты проводимого исследования.
2. С использованием разработанной технологии дана токсикологическая оценка 20 соединений наноуглерода, охарактеризованных значениями ЕС20 и ЕС50.
3. Дана характеристика исследуемых углеродных материалов по элементному составу с содержанием > 0,1%, на основании чего определена зависимость острой токсичности соединений наноуглерода от присутствия в них технологических примесей.
4. Выявлены зависимости реагирования различных природных и рекомбинантных люминесцирующих бактерий от особенностей организации их поверхностных клеточных структур, позволившие идентифицировать оптимальный биосенсор, демонстрирующий наиболее быстрый и выраженный отклик на воздействие наноуглерода.
5. Построены математические модели, описывающие направленность и выраженность токсических эффектов углеродных наноматериалов в зависимости от степени их очистки от технологических примесей, морфологической организации, физико-химических свойств и характера функционализации.

Полученные результаты положены в основу заявки на выдачу патента № 2010104575/13 "Способ определения биотоксичности наноуглерода" и поддерживающей данную технологию программы для ЭВМ "Определение интенсивности бактериальной биолюминесценции при исследовании окрашенных и мутных растворов" (свидетельство о государственной регистрации № 2010611423). По результатам исследований опубликованы 5 статей в журналах Luminescence, "Российские нанотехнологии", "Вестник Оренбургского государственного университета", "Вестник МОИП". Методические основы проведения биолюминесцентного анализа обобщены в монографии Д.Г. Дерябина "Бактериальная биолюминесценция: фундаментальные и прикладные аспекты" (М.: Наука, 2009). Результаты проекта доложены на 4 международных и всероссийских научных конференциях и составили основу экспоната "Технология биолюминесцентной оценки биотоксичности углеродных наноматериалов", представленного на III Международном форуме по нанотехнологиям (Москва, 1–3 ноября 2010 г.).

Рекомендации по внедрению

Основным направлением реализации результатов проекта является использование оригинальных биолюминесцентных методов для оценки интегральной токсичности углеродных наноматериалов и выявления механизмов их повреждающего действия в отношении бактериальных клеток-мишеней. Потребителями данной технологии являются производственные аналитические лаборатории, осуществляющие контроль качества и биологической безопасности производимой нанотехнологической продукции, а также учреждения Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. Другим важным направлением использования результатов проекта является модернизация образовательного процесса в учреждениях высшего профессионального образования, осуществляющих подготовку магистров и специалистов по микробиологии, экологии и токсикологии. В частности, сказанное предусматривает совершенствование преподавания по дисциплине "Экологический мониторинг" с разработкой оригинального лабораторного практикума по биолюминесцентному биотестированию наноуглерода.