Що спільного між ранньою діагностикою онкологічних захворювань, перевіркою якості продуктів та моніторингом чистоти річок? Усі ці процеси можна здійснювати за допомогою ензимів – природних біокаталізаторів, здатних розпізнавати речовини на молекулярному рівні. Саме ензиматичні методи аналізу сьогодні є основою найсучасніших біосенсорних систем.
Однак ензими (ферменти) еволюційно пристосовані функціонувати лише в живих клітинах, а поза ними швидко втрачають свої властивості. Команда дослідників з Інституту біології клітини НАН України під керівництвом завідувача відділу аналітичної біотехнології, члена-кореспондента НАН України Михайла Гончара знайшла спосіб «перехитрити» природу, створивши стабільні штучні аналоги ензимів.
Завдяки грантовому фінансуванню Національного фонду досліджень України вчені успішно реалізували проєкт «Створення нових нанозимів як каталітичних елементів для ензиматичних наборів та хемо-/біосенсорів».
Еволюція за 24 години
У чому ж суть розробки? Якщо говорити просто, дослідники навчилися створювати штучні аналоги природних ензимів – нанозими.
«По суті, нанозими – це аналоги первісних каталізаторів, з яких колись почалося життя на Землі, – пояснює Михайло Гончар. – Природа витратила мільярди років еволюції, щоб перетворити їх на сучасні складні ензими. Ми ж у лабораторії запускаємо своєрідну прискорену машину часу: синтезуємо нанозими у пробірці всього за один день. Вони мають значно простішу неорганічну структуру, але функціонують навіть за екстремальних умов і є надзвичайно стабільними».
Втім, синтезувати матеріал – лише половина справи. Оскільки вихідні речовини підбираються емпіричним шляхом, вчені виконали значний обсяг рутинної роботи: протестували сотні отриманих наноматеріалів, щоб знайти ті, що ідеально відтворюють роботу «живого» ензиму.
Від йогурту до онкомаркерів: практична цінність розробки
Львівські біотехнологи зосередилися на створенні штучної «нанопероксидази» (у природі – це ензим, який отримують із кореня хрону). Синтезувавши низку металевих нанозимів та поєднавши їх із природними ензимами мікроорганізмів, науковці сконструювали унікальні лабораторні прототипи приладів – амперометричні біонаносенсори. Нові пристрої та методи аналізу орієнтовані на практичне застосування в різних галузях.
Насамперед учені детально дослідили лабораторний прототип одного з найефективніших біонаносенсорів для аналізу глюкози. Цей прилад має високу чутливість і здатний ефективно працювати як із біологічними рідинами людини в клінічній діагностиці, так і з фруктовими соками у виробництві.
Після офіційного завершення проєкту команда подала патентну заявку на новий ензиматично-фотометричний метод аналізу кінцевого метаболіту гормону серотоніну (5-гідроксиіндолоцтової кислоти). Це надзвичайно важливий крок для медицини: підвищений вміст цієї речовини в організмі є чітким біомаркером нейроендокринних злоякісних пухлин, а знижений – може вказувати на посттравматичний стресовий розлад (ПТСР).
Паралельно розроблені сенсори відкривають нові можливості для швидкого аналізу лактату (молочної кислоти) та етанолу в харчовій промисловості. Новинки вже успішно протестували на реальних зразках комерційних йогуртів, виноматеріалів та вин. Наприклад, пристрій для визначення алкоголю дає чітку відповідь усього за 10 секунд і має рекордно низьку межу виявлення серед усіх відомих у світі аналогів. Інакше кажучи, це один із найчутливіших приладів у світі у своєму класі.
Ще одна патентна заявка львів’ян стосується нанозимно-фотометричного методу аналізу вмісту пероксиду водню в антисептиках. Завдяки цьому контроль якості та безпечності дезінфекційних засобів у побуті чи на виробництві стає простішим і швидшим.
Випробування війною
Виконання проєкту припало на найскладніші часи. Повномасштабне вторгнення російських військ в Україну у 2022 році поставило дослідження під загрозу: фінансування від НФДУ було призупинено, а частина співробітників тимчасово виїхала за кордон.
Проте роботу не зупинили. Після відновлення фінансування команда завершила дослідження і нині продовжує активно розвивати напрям нанозимів.
Що потрібно для того, аби ці технології з’явилися на українському ринку? Михайло Гончар дивиться на речі реалістично: «Головна перешкода сьогодні – це війна та загальний низький інноваційний клімат у країні. Щоб такі розробки виходили у виробництво, Україні потрібна розвинена інфраструктура малих компаній. За підтримки інвестицій чи грантів вони могли б запускати малосерійне пробне виробництво інноваційних продуктів для тестування ринку, а далі – масштабувати його».
Наука – це шлях наполегливості
За кожним науковим результатом завжди стоять люди. Михайло Гончар переконаний: його команда, без перебільшення, чудова – у ній кожен завжди готовий допомогти колезі. У мультидисциплінарному колективі над проєктом працювали біологи, хіміки та фізики.
Наприклад, кандидат біологічних наук Андрій Закальський клонував гени і конструював надпродуценти ензимів, провідна інженерка Оксана Закальська оптимізувала ріст мікроорганізмів, а кандидатка хімічних наук Галина Гайда забезпечувала виділення, очищення та характеристику ензимів. Над синтезом і характеристикою нанозимів, а також безпосереднім конструюванням біосенсорів працювали докторка біологічних наук Наталія Стасюк, кандидати біологічних наук Ольга Демків і Тетяна Прокопів, а також інженер Роман Серкіз.
Важливу технічну допомогу колективу надала інженерка Марія Гореча, а студентка Ольга Смик поєднувала навчання у Львівському національному університеті імені Івана Франка з освоєнням експериментів у галузі біо- та нанотехнологій.
«Колегам, які лише планують брати участь у конкурсах НФДУ, я раджу не боятися, – підсумовує Михайло Васильович. – Головне – мати потужну ідею, яка відповідає сучасним викликам і має потенціал для практичного застосування, а також сильну команду. Перемогу забезпечує увага до кожної деталі в заявці. Навіть якщо перша спроба невдала, наука – це шлях наполегливості. Не зупиняйтеся, вдосконалюйтеся і вірте у свою команду та свій проєкт».
Інтерв’юєр – Світлана ГАЛАТА
