Аналитическая система для оперативной оценки интегральной токсичности физиологических жидкостей, природных и промышленных вод на основе микрофлюидных технологий и методов ферментативного биотестирования

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 15-19-10041

НазваниеАналитическая система для оперативной оценки интегральной токсичности физиологических жидкостей, природных и промышленных вод на основе микрофлюидных технологий и методов ферментативного биотестирования

Руководитель Белобров Петр Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" , Красноярский край

Конкурс №7 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований с привлечением молодых исследователей»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-609 - Автоматизированные комплексы для биологии и медицины

Ключевые слова биотестирование, люцифераза, микрофлюидные аналитические системы, капельная микрофлюидика, биосенсор, экологический мониторинг, парамагнитные наночастицы, наноалмаз

Код ГРНТИ34.05.00, 34.05.25, 34.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема быстрого и качественного биотестирования сегодня является актуальной. Существуют традиционные методы биотестирования питьевой воды, промышленных стоков и биологических жидкостей, основанные на подопытных животных и простейших организмах. Однако их использование возможно лишь в лабораторных условиях. Эти методики сложно адаптировать к использованию в персональных устройствах биодиагностики. Также при таком биотестировании существует проблема высокой погрешности, связанной с индивидуальностью тестовых организмов. Одним из способов преодолеть эти проблемы является применение биотестирования на основе ферментативных методов, основанных на биолюминесцентной реакции, катализируемой люциферазой и NAD(P)H:FMN-оксидоредуктазой, выделенными из светящихся бактерий Vibrio harveyi. Через измерение каталитической активности чувствительных к загрязнителям ферментов, стало возможным делать выводы о степени загрязненности природных, промышленных вод и биологических жидкостей. По сравнению с традиционными методами анализа, во многих случаях, применение биолюминесцентных методов наряду с увеличением точности и чувствительности позволяет сократить стоимость анализов примерно на 70% и существенно сократить время их проведения. Однако на сегодняшний день отсутствует подходящий набор методик для автоматизации и внедрения ферментативного биолюминесцентного метода экспресс-тестирования природных, промышленных вод и биологических жидкостей. Методику ферментативного биотестирования необходимо автоматизировать и реализовать в виде одноразовых чипов с иммобилизованными компонентами тест-системы и в виде систем постоянной проточной диагностики на основе высокочастотных генераторов капель, в которых ферменты биолюминесцентной тест-системы будут связаны с наноалмазами, а реакции — осуществляться в изолированных нанолитровых объемах пробы. Данный проект направлен на создание автоматизированной высокочувствительной аналитической платформы для ферментативного биолюминесцентного тестирования природных, промышленных вод и биологических жидкостей с применением микрофлюидных технологий и функционализированных наночастиц. Люциферазная микрофлюидная платформа состоит из набора микрофлюидных компонентов (приводы, клапаны, смесители и пр.), биологического компонента и системы регистрации сигналов, которые легко сочетаются друг с другом в технологическом процессе производства миниатюрных биосенсоров. Наноалмазы станут важной частью системы регистрации сигналов в каплях, поскольку позволяют управлять активными веществами потоках жидкости в чипах. Научная новизна исследований заключается в теоретическом моделировании и проведении экспериментов, в которых сигнал формируется люциферазой и усиливается наночастицами в каплях, что позволяет создать новый метод экспресс-тестирования физиологических жидкостей и воды. Новизна инженерной разработки заключается в проектировании, изготовлении и отладке чипов на основе методов низкотемпературной герметизации чипов и иммобилизации белков позволяющих сохранить активность ферментов и солюбилизации наночастиц, позволяющих управлять этими белками в чипах. Технологическая новизна заключается в использовании коллективных эффектов взаимодействия наночастиц алмаза с молекулами белков в биомодуле в каплях-реакторах. При реализации этих подходов будет создано микрофлюидное устройство для аналитической оценки степени загрязненности исследуемых образцов и изучения ферментативных реакций в капле. Поскольку с биферментной люциферазной системой такой задачи автоматизации измерений ранее не проводилось, разработка такой платформы является принципиально новой задачей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. V. A. Kratasyuk, E. N. Esimbekova. Applications of luminous bacteria enzymes in toxicology Combinatorial Chemistry & High Throughput Screening, 18 (10), 952-959 (2015). (год публикации - 2015)

2. Белоусов К. И., Кухтевич И. В., Букатин А.С., Евстрапов А. А. Численное моделирование перемешивания веществ внутри капли в различных инжекторах микрофлюидного чипа Материалы XVI Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию. г. Красноярск, Россия. 28-30 октября 2015 г. - Новосибирск: ИВТ СО РАН, ИВТ СО РАН, 2015. — 112 стр, с. 24-25. (год публикации - 2015)

3. PI Belobrov, IA Denisov, КA Lukyanenko, AS Yakimov, EN Esimbekova, KI Belousov, AS Bukatin, IV Kukhtevich, VV Sorokin, AA Evstrapov. Microfluidic bioassay based on bacterial luciferase and NADH:FMN-oxidoreductase NanoBioMed2015, Barcelona, Spain, 18-20 November 2015 (год публикации - 2015)

4. И. В. Кухтевич, Я. С. Посмитная, К. И. Белоусов, А. С. Букатин, А. А. Евстрапов Принципы, технологии и устройства "капельной" микрофлюидики. Ч. 2 (Обзор) Научное приборостроение, № 3, том 25, c. 94–109 (год публикации - 2015)

5. К.И. Белоусов, А.С. Букатин, И.А. Денисов, А.А. Евстрапов, Е.Н. Есимбекова, И.В. Кухтевич, К.А. Лукьяненко, В.В. Сорокин, А.С. Якимов, П.И. Белобров Микрофлюидные технологии создания сторожков и лабочипов для биомедицинских исследований Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины. Материалы VI Междунар. науч.-практ. конф.; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону, ISBN 978-5-9275-1664-3, стр.124-125. (год публикации - 2015)

6. И. В. Кухтевич, Я. С. Посмитная, К. И. Белоусов, А. С. Букатин, А. А. Евстрапов Принципы, технологии и устройства "капельной" микрофлюидики. Ч. 1 (Обзор) Научное приборостроение, № 3, том 25, c. 65–85 (год публикации - 2015)

7. А. А. Евстрапов, А. Л. Буляница Нанотехнологии в биологии и медицине. Микрофлюидика : курс лекций Красноярск, БИК СФУ, Красноярск : СФУ, 2015. - 133 c. (год публикации - 2015)

Публикации

1. Белоусов К.И., Денисов И.А., Лукьяненко К.А., Якимов А.С., Букатин А.С., Кухтевич И.В., Сорокин В.В., Есимбекова Е.Н., Белобров П.И., Евстрапов А.А. Dissolution and mixing of flavin mononucleotide in microfluidic chips for bioassay Book of abstracts. 3rd International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2016" (год публикации - 2016)

2. Филатов Н.А, Белоусов К.И., Букатин А.С., Кухтевич И.В., Евстрапов А.А. The study of mixing of reagents within a droplet in various designs of microfluidic chip Journal of Physics: Conference Series, Volume 741, Number 1, 012052 (год публикации - 2016)
10.1088/1742-6596/741/1/012052

3. Филатов Н.А., Белоусов К.И., Букатин А.С., Кухтевич И.В., Евстрапов А.А. The study of mixing of reagents within a droplet in various designs of microfluidic chip Book of abstracts. 3rd International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2016" (год публикации - 2016)

4. Лукьяненко К.А., Денисов И.А., Якимов А.С., Есимбекова Е.Н., Белоусов К.И., Букатин А.С., Кухтевич И.В., Сорокин В.В., Евстрапов А.А., Белобров П.И. Аналитические и ферментативные реакции в микрофлюидных чипах Биотехнология, Т.32, №5, 69-76, 2016 (год публикации - 2016)
10.1016/0234-2758-2016-32-5-69-76

5. Денисов И.А., Якимов А.С., Лукьяненко К.А., Букатин А.С., Кухтевич И.В., Есимбекова Е.Н., Белоусов К.И., Евстрапов А.А., Белобров П.И. Luciferase-based disposable bioassay chips for point-of-care devices Book of abstracts, Microfluidics, EMBL 2016 (год публикации - 2016)

6. Букатин А.С., Мухин И.С., Малышев Е.И., Кухтевич И.В., Евстрапов А.А., Дубина М.В. Fabrication of high-aspect-ratio microstructures in polymer microfluid chips for in vitro single-cell analysis Technical Physics, V.61, I.10, pp. 1566-1571 (год публикации - 2016)
10.1134/S106378421610008X

7. Есимбекова Е.Н., Кратасюк В.А. Конструирование новых методов и реагентов для биолюминесцентного ферментативного анализа Научные труды V Съезда физиологов СНГ, V Съезда биохимиков России, Конференции ADFLIM, ACTA NATURAE, спецвыпуск Том 2. Под ред. А.И. Григорьева, Ю.В. Наточина, Р.И. Сепиашвили, А.Г. Габибова, В.Т. Иванова, А.П. Савицкого — 2016. — 254 с. (год публикации - 2016)

8. Лукьяненко К.А., Белоусов К.И., Денисов И.А., Якимов А.С., Есимбекова Е.Н., Букатин А.С., Евстрапов А.А., Белобров П.И. Active mixing of immobilized enzymatic system in microfluidic chip (на рецензии) Micro&nano letters (год публикации - 2017)

9. Денисов И.А., Якимов А.С., Лукьяненко К.А., Есимбекова Е.Н., Сорокин В.В, Белобров П.И. Платформа для разработки портативных диагностических устройств на примере люциферазных чипов для биотестирования Вторая ежегодная конференция Ассоциированной Российско-Канадской лаборатории биомолекулярных и медицинских технологий, Красноярский государственный медицинский университет им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого (год публикации - 2016)

10. Лукьяненко К.А., Денисов И.А., Якимов А.С., Есимбекова Е.Н., Белоусов К.И., Букатин А.С., Кухтевич И.В., Сорокин В.В., Евстрапов А.А., Белобров П.И. Disposable microfluidic chips for bioluminescent bioassay Book of Abstracts, 19th International Symposium on Bioluminescence & Chemiluminescence 2016 (год публикации - 2016)

11. Белобров П.И., Денисов И.А., Зимин А.А, Гордеев С.К. Graphene and Graphane Flakes into Nanodiamond – Pyrocarbon Composites Conference Abstract Book. 2nd Annual World Congress of Smart Materials - 2016 (год публикации - 2016)

12. Белобров П.И., Якисов А.С., Денисов И.А., Лукьяненко К.А., Есимбекова Е.Н., Евстрапов А.А. Luciferase-Based Microfluidic Platform for Point of Care Testing and Nanomedicine Applications Conference Abstract Book. 6th Annual Annual World Congress of Nano Science & Technology – 2016 (год публикации - 2016)

13. Денисов И.А. Luciferase-based bioassay for rapid pollutants detection and classification by means of multilayer artificial neural networks Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 242, April 2017, Pages 653–657 (год публикации - 2017)
10.1016/j.snb.2016.11.071

14. Белоусов К.И., Денисов И.А., Лукьяненко К.А., Якимов А.С., Букатин А.С., Кухтевич И.В., Сорокин В.В., Есимбекова Е.Н., Белобров П.И., Евстрапов А.А. Dissolution and mixing of flavin mononucleotide in microfluidic chips for bioassay Journal of Physics: Conference Series, Volume 741, Number 1, 012058 (год публикации - 2016)
10.1088/1742-6596/741/1/012058

Публикации

1. Буляница А.Л., Белоусов К.И., Евстрапов А.А. Applicability of submerged jet model to describe the liquid sample load into measuring chamber of micron and submillimeter sizes Journal of Physics: Conference Series, 917 (2017) 042021 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/917/4/042021

2. Денисов И.А. Luciferase-based bioassay for rapid pollutants detection and classification by means of multilayer artificial neural networks (перезалито Q1) Sensors and Actuators, B: Chemical, V. 242, 2017, Pp. 653-657 (год публикации - 2017)
10.1016/j.snb.2016.11.071

3. Ноздрюхин Д.В., Белоусов К.И., Филатов Н.А., Букатин А.С. The study of monodisperse water-in-oil macroemulsion dynamics in a microfluidic chip Journal of Physics: Conference Series, 917 (2017) 042015 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/917/4/042015

4. Евстрапов А.А., Белобров П. И., Буляница А. Л., Белоусов К. И., Букатин А. С., Денисов И. А., Есимбекова Е. Н., Кухтевич И. В., Лукьяненко К. А., Посмитная Я.С., Сорокин В. В., Якимов А.С. Микрофлюидные технологии биологического анализа природных и промышленных вод Издательство СО РАН (год публикации - 2017)

5. Денисов И.А., Лукьяненко К.А., Якимов А.С., Кухтевич И.В., Есимбекова Е.Н., Белобров П.И. Disposable luciferase-based microfluidic chip for rapid assay of water pollution (на рецензии) Luminescence (год публикации - 2018)

6. Лукьяненко К.А., Денисов И.А., Якимов А.С., Есимбекова Е.Н., Белоусов К.И., Букатин А.С., Кухтевич И.В., Сорокин В.В., Евстрапов А.А., Белобров П.И. Analytical Enzymatic Reactions In Microfluidic Chips (перевод из журнала Биотехнология за 2016 г.) Applied Biochemistry and Microbiology (год публикации - 2017)

7. Лукьяненко К.А., Белоусов К.И., Денисов И.А., Якимов А.С., Есимбекова Е.Н., Букатин А.С., Евстрапов А.А., Белобров П.И. Active mixing of immobilised enzymatic system in microfluidic chip (обновлены выходные данные) Micro and Nano Letters, 12(6), p. 377-381 (год публикации - 2017)
10.1049/mnl.2016.0646