Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Сохранение и выживаемость чистых культур микроорганизмов являются ключевыми факторами для успешной деятельности и получения достоверных результатов как в науке, так и в промышленности. Если культура микроорганизма не сохраняется должным образом, то это может привести к изменению свойств микроорганизма и, следовательно, к некорректным результатам исследования. Молочнокислые бактерии (МКБ) имеют ключевое значение в производстве ферментированных продуктов, но они чрезвычайно чувствительны к различным ингибиторам, включая антибиотики, которые могут полностью подавить их рост при концентрации свыше 0,01 МЕ/см3. Это отмечает необходимость контроля уровня антибиотиков и других ингибиторов роста в субстрате для обеспечения безопасности и качества пищевых продуктов. Среди чувствительных к антибиотикам МКБ можно выделить Streptococcus thermophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, Lactobacillus acidophilus и Lactobacillus plantarum и др. Обнаружение антибиотиков в молоке является важнейшей задачей в пищевой промышленности для обеспечения безопасности и качества ферментированных продуктов и сохранения микробной популяции. На текущий момент реализован электрохимический подход с применением машинного обучения для детекции антибиотиков в сложных субстратах. Многоэлектродный электрохимический датчик (на основе углерода, никеля и меди) помещается в молоко для регистрации циклической вольтамперометрии (ЦВ). Когда в молоке присутствует антибиотик, он взаимодействует с электродами и вызывает изменение в кривой ЦВ. Эти изменения записываются и анализируется для определения наличия и концентрации антибиотика в системе. Установлено, что молекулы антибиотиков такие, как тетрациклины, пенициллины, цефалоспорины и аминогликозиды, эффективно координируются с ионами меди (2+) и никеля (2+), образуя хелатные соединения за счет таких функциональных групп, как -OH, COO-, -NH2, -NH2, −NH– и −N=. Большинство комплексов термодинамически эффективны и стабильны, с константой устойчивости больше единицы. А для антибиотиков пенициллинового ряда координация в комплексе Ni (II) осуществляется через О-атомы бета-лактамной группы. Изучение твердых комплексов цефазолина с Ni(II) и Cu(II) привело к выводу, что Czl- координируется через карбоксилатные и амидные группы, атом O и атом N гетероциклической боковой цепи. (https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.3c12050). Культивирование и лиофилизация бактерий – сложная и многоступенчатая процедура, включающая несколько нелинейных уравнений. Для оптимизации этого процесса необходимо знать конечный параметр, например количество колониеобразующих единиц бактерий. Решив эти нелинейные уравнения, можно повысить эффективность процесса оптимизации, что возможно осуществить с помощью генетического алгоритма и алгоритмов машинного обучения. Разработан новый подход к решению функций нелинейных систем с измеримым вектором состояния. Этот метод предполагает разбиение потенциальной функции на бесконечный ряд степенных функций. Затем эти степенные функции оптимизируются с помощью алгоритма машинного обучения с применением генетического алгоритма (https://ntv.ifmo.ru/file/article/22359.pdf). Выявлены следующие композиции криопротекторов для молочнокислых бактерий для эффективной защиты бактерий от повреждений при замораживании и сохранения их жизнеспособности: 1. Композиция основана на сахарах и полисахаридах. Она содержит такие сахара, как сахароза, глюкоза, фруктоза, и полисахариды, такие как декстран и глюкан. Эта композиция обеспечивает защиту бактерий от механических повреждений при замораживании и сохраняет их жизнеспособность за счет улучшенной сольватации при низких температурах. Таким образом, криопротекторы на основе сахаров играют важную роль в сохранении молочнокислых бактерий при замораживании. Они позволяют снизить осмотическое давление внутри клеток и предотвратить образование льда, что способствует сохранению жизнеспособности бактерий и их использованию в дальнейшем. 2. Композиция основана на белках, таких как казеин, альбумин и коллагена. Они обеспечивают дополнительную белковую защитную оболочку для бактерий. Однако вопросы обеспечения стерильности при работе с белковой составляющей остается не до конца проработан. Так как применение холодной стерилизации (фильтрация через 0,22 мкм фильтр) затруднительно в промышленных масштабах. Также стоит отметить, данные вещества могут проникать в бактериальную клетку. Следовательно, необходимо проводить дополнительные исследования метаболитов, вырабатываемых в ходе ферментации и культивирования. 3. Композиция основана на фосфолипидах и глицериды. При добавлении данные вещества образуют мембрану вокруг клетки, а также проникают во внутрь клетки, предотвращая образование льда внутри клетки и сохраняет ее структуру. Выявлено, что данная композиция в большей степени обеспечивает сохранение бактериальной клетки при отрицательных температурах (криоконсервации). Одним из ключевых механизмов действия криопротекторов на основе липидов является их способность снижать осмотическое давление внутри бактериальных клеток. 4. Композиция основана на антиоксидантах, таких как витамин С и Е, бета-каротин и соли селена (селенит натрия). Они защищают бактерии от окислительного стресса, который может произойти во время замораживания, и сохраняют их жизнеспособность. Данная композиция также ограничена по методам стерилизации. Рекомендуется использовать холодную стерилизацию. Такая композиция сохраняет уровень осмотического давления внутри бактерий. Однако, данная композиция может способствовать разрушению целостности и выживаемости при замораживании и лиофилизации. Таким образом, все эти композиции могут быть использованы для подготовки бактерий в лиофилизации и сохранения молочнокислых бактерий. Они помогают защитить бактерии от повреждений и сохранить их жизнеспособность, что делает их полезными для использования в пищевой промышленности или в производства пробиотиков. Криопротекторные свойства непроникающих соединений зависят от их способности связывать молекулы воды, образуя при кристаллизации аморфную фазу в кристаллах воды. Этот процесс приводит к уменьшению количества острых граней во льду, что предотвращает повреждение мембраны бактерий. Таким образом, чем больше молекул воды входит в сольватационную оболочку и чем меньше свободная энергия Гиббса взаимодействия молекул криопротектора с молекулами воды, тем больше криопротекторный эффект. Реализован расчет свободной энергии Гиббса сольватации для следующих соединений: Сахароза, Фруктофураноза, Глюкоза, Фруктоза, Глицерин. Расчеты проводились в диапазоне температур, соответствующем экспериментальному (от 25 град. до минус 80 град). Значения свободной энергии сольватации можно объяснить двумя основными факторами: электростатическими межмолекулярными взаимодействиями и ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями. Электростатические взаимодействия возникают за счет кулоновского притяжения между частичными зарядами молекул растворителя и растворенного вещества, а Ван-Дер-Ваальсовы взаимодействия – за счет сил притяжения между неполярными областями молекул. Выявлено, увеличение количества молекул воды уменьшает свободную энергию Гиббса сольватации во всех случаях. Энергии также уменьшаются с понижением температуры. Наиболее подходящим соединением для криопротекторных функций является сахароза, поскольку ее свободная энергия Гиббса сольватации является самой низкой при самой низкой температуре (-366 кДж/моль при 193,0 К и 8 молекулах воды в сольватационной оболочке). В основном это связано с тем, что в молекуле сахарозы больше всего гидроксильных групп, благодаря которым образуются водородные связи с молекулами растворителя. Кроме того, изменение энергий между 298 и 193 К наименьшее для глицерина, что может указывать на меньшее изменение криопротекторных свойств при высокой температуре для глицерина по сравнению с другими исследуемыми молекулами.