Сьогодні біосенсори стають все важливішими у багатьох галузях людської діяльності: у медицині (наприклад, для вимірювання рівня цукру та інших метаболітів в крові), сільському господарстві, харчовій промисловості тощо. У найближчому майбутньому вони стануть незамінними, зокрема, допоможуть у режимі реального часу моніторити всі важливі показники організму людини.
Розповісти про можливості біосенсорів та те, як просунулася на цьому напрямку українська наука, ми попросили завідувача відділу біомолекулярної електроніки Інституту молекулярної біології і генетики НАН України, академіка НАН України, Голову Наукової ради НФДУ секції біології, медицини і аграрних наук Олексія СОЛДАТКІНА. Олексій Петрович стояв біля витоків української біосенсорики, разом з членами наукового колективу сконструював десятки біосенсорних приладів, отримав майже півсотні патентів.
Зізнаємося: очікували побачити напівпорожні коридори (у країні війна, тому чимало вчених працюють дистанційно), але нас зустрів гурт молоді. Молоді вчені прагнули продемонструвати найцікавіші напрями роботи (і напрям кожного, звісно, був найважливішим), показували досліди, сенсори, розповідали, як і де все це можна застосувати на практиці (від мандрівки на Марс до щоденного побуту). Керівник відділу з гордістю дивився на запальних колег і, якщо ефектний дослід не спрацьовував, запитував, чи розуміють причину і радив повторити.
– Олексію Петровичу, сьогодні ви – один з найвідоміших учених у галузі біосенсорики, засновник української наукової школи біосенсорики, розробник низки біоаналітичних приладів. Скажіть, коли ви закінчили КНУ імені Тараса Шевченка і прийшли до інституту, про що ви мріяли? Що прагнули зробити?
– Ви трохи перебільшуєте мою роль в розвитку біосенсорики в Україні (усміхається, – авт.). Мені дуже пощастило з наставницею – академік НАН України Ганна Єльська читала лекції в університеті й запросила мене на роботу. Саме Ганна Валентинівна разом з професором Віталієм Стріхою ініціювали розробку біосенсорів в Україні. Одного разу Ганна Єльська викликала мене й сказала: «Якщо хочеш наукового зростання, починай працювати у новому напрямку». Я погодився й очолив групу з розробки біосенсорів.
Десятиліття, які минули з того дня, аж ніяк не були легкими. Але нині у моєму відділі чотири доктори наук, один член-кореспондент НАН України, 8 кандидатів наук і – багато молоді. Низка біосенсорних розробок нашої групи не мають аналогів у світі, а сам відділ є одним зі світових лідерів у галузі.
У студентські роки я навіть не мріяв про такі досягнення… В інституті почав працювати у 1977 році, кандидатську дисертацію захистив у 1985 році за спеціальністю «Молекулярна біологія». У 1999 році захистив докторську за спеціалізацією «Біотехнологія». Це була перша в Україні докторська дисертація з біосенсорики.
– Поясніть, будь ласка, максимально просто – що таке біосенсори?
– Біосенсори – це новітні аналітичні прилади, у яких є «живий» біологічний матеріал (який «впізнає» речовини та генерує біохімічний сигнал) та фізичний перетворювач (він приймає біохімічний сигнал та перетворює його в електричний). Саме електричний сигнал і є мірою концентрації речовини, яку аналізують. Найбільш відомим є біосенсор для визначення глюкози в крові, так званий глюкометр. Але, звісно, різні біосенсори можна використовувати майже у всіх галузях людської діяльності.
– Ваш відділ розробляє хемо- і біосенсори для різних потреб, зокрема, для моніторингу забруднення навколишнього середовища. Сьогодні, під час війни, це особливо важливо, адже ворог використовує отруйні речовини… Чи вдалося впровадити у виробництво прилади моніторингу забруднення довкілля у виробництво?
– Так, ми розробили біосенсори для інгібіторного визначення іонів важких металів (ртуті, свинцю, кадмію, міді тощо), органофосфорних сполук (деяких пестицидів і гербіцидів).
За допомогою цих сенсорів можна заміряти рівень гербіцидів та іонів важких металів у водоймах.
До речі, за кордоном нині створюють віртуальні карти, що показуватимуть дані сенсорів, які планують встановити поблизу берегів річок біля потенційно шкідливих виробництв. Після витоку отруйних речовин датчики просигналізують про небезпеку і на карті увімкнеться сигнал тривоги. До речі, наш відділ у свій час теж був залучений до такого проєкту.
Також ми беремо участь в одному з проєктів програми Горизонт Європа. За замовленням текстильного підприємства з Туреччини, яке хоче контролювати рівень важких металів під час фарбування тканин, розробляємо біосенсори для контролю якості води в замкнутому циклі.
Ми розробили десятки біосенсорів. Створено лабораторні макети, їх ефективність випробувано на реальних зразках. Розроблено та затверджено методики застосування біосенсорних приладів у ДП «Укрметртестстандарт». Але у виробництво ці розробки поки що не впроваджено. Для того, щоб це зробити, потрібні значні інвестиції в ліцензування, налагодження лінії виробництва тощо.
І в нас, і у світі впровадження розробок є складною і дорогою справою. Якщо порівняти час і фінансову підтримку, необхідні для розробки та впровадження біосенсора, то це співвідношення – 10 і 90 відсотків. На жаль, в Україні поки що повністю відсутня система впровадження наукових досліджень.
– Один з напрямів роботи вашого відділу – визначення токсинів у харчових продуктах і контроль якості харчових продуктів. Розкажіть, будь ласка, детальніше про ці розробки.
– З початком повномасштабного вторгнення російських військ в Україну особливо гостро постало питання продовольчої безпеки у світі, – адже саме Україна забезпечувала зерном чимало країн. Виробництво й постачання зерна, своєю чергою, пов’язано з контролем його якості. Аналіз зерна потрібно проводити швидко й надійно, і на місці виробництва, і під час зберігання та транспортування.
Сьогодні глобальною проблемою є забруднення зернових, харчових продуктів і кормів мікотоксинами – токсичними та канцерогенними метаболітами нижчих грибів Aspergillus та Fusarium, які «супроводжують» зернові під час вирощування, зберігання та реалізації. Споживання ж заражених продуктів людьми чи тваринами може мати суттєві наслідки для здоров’я, і, відповідно, економічні збитки.
Науковці нашого відділу розробили низку сучасних біосенсорних методів для виявлення найбільш поширених і токсичних мікотоксинів у зернових – афлатоксинів групи B та зеараленону. Ці методи дозволяють виявляти токсини у найменших кількостях.
Також ми запропонували новий підхід до створення біосенсорів, а саме синтез високостабільних штучних аналогів біологічних рецепторів (полімерів-біоміметиків). І розробили сенсори нового покоління, у яких детекторами та аналізаторами сенсорних сигналів можуть бути смартфони.
Також ми оптимізували склад мікотоксин-специфічних полімерів. Використовуємо методи комп’ютерного моделювання (молекулярну динаміку, квантово-хімічні методи), що дає можливість отримати матеріали з передбачуваними властивостями. Ці матеріали «зв’язують» цільові мікотоксини, генерують оптичні сенсорні сигнали, які, своєю чергою, легко «ловить» камера смартфона. А мобільний застосунок для системи Android 6+ ці сигнали аналізує.
Процедура аналізу нескладна, застосунок на смартфон встановлюється «одним кліком». Встановив – і прилад для масового аналізу зразків зернових поза лабораторією – готовий.
Ще один дуже цікавий розроблений нами пристрій – біосенсор для аналізу глікоалкалоїдів в овочах (картоплі, помідорах, баклажанах). Аналіз простий, не потребує складної підготовки зразків, виконується за 15-20 хвилин. Для традиційного ж аналізу за допомогою високоефективної рідинної хроматографії потрібно десятки годин готувати зразки, мати складне обладнання та кваліфікований персонал.
– Піонерською розробкою вчених вашого відділу є біосенсор для кількісного визначення аргініну в харчових продуктах. Які переваги цього сенсору порівняно з традиційними способами визначення аргініну?
– Аргінін – незамінна амінокислота, яка є однією з ключових поживних біологічно активних речовин. Він допомагає відновити чимало функцій організму, і все частіше використовується з терапевтичною та реабілітаційною метою. Участь аргініну в синтезі оксиду азоту (необхідного для регулювання тиску крові, хорошої пам’яті тощо) дуже важлива, тому в медичній практиці використовують підвищені дози аргініну для лікування та профілактики захворювань, викликаних недостатністю оксиду азоту. Аргінінотерапію застосовують при лікуванні атеросклерозу, гіпертензії, захворюваннях печінки тощо.
Одним зі способів коригування харчової недостатності цієї речовини є використання спеціальних харчових продуктів, які мають високий вміст L-аргініну. Сьогодні на ринку таких продуктів – сотні, і споживачі мають знати, наскільки вони ефективні та безпечні. Контроль якості дієтичних добавок та спеціальних харчових продуктів на вміст аргініну є завданням для незалежних експертиз.
Визначити кількість і якість аргініну в продуктах можна традиційними способами (у лабораторній практиці їх чимало), однак усі ці способи недосконалі. Деякі потребують великої кількості матеріалу для аналізу і недостатньо чутливі. Більш точні та селективні методи потребують тривалої підготовки проб і надто дорогі для рутинного використання.
Саме тому створення біосенсорів для визначення аргініну, адаптованих для використання і в централізованих лабораторіях, і в «польових» умовах, дуже важливе для контролю якості продукції, призначеної для підтримки здоров’я або задоволення гострої потреби організму в аргініні.
Сенсор, який ми розробили, поки що не універсальний. Він може виміряти рівень амінокислоти у продуктах, контролювати якість фармацевтичних зразків.
Виміряти рівень аргініну в організмі ми поки що не можемо, але – наполегливо працюємо в цьому напрямку. Також хочемо покращити характеристики біосенсора за допомогою каліксаренів, штучних рецепторів, створених в Інституті органічної хімії НАН України (керівник – академік Віталій Іванович Кальченко). Плануємо створити прилад, який допоможе виміряти показники аргініну (та й не тільки цієї амінокислоти) в крові людини.
– Ваш відділ розробляє прилад для діагностики важкості стану пацієнтів з політравмою. Перед пандемією на розробку цієї системи вчені ІМБГ НАН України отримали державне замовлення. Чи було виділено кошти? Чи вдалося закінчити дослідження?
– Так, наш відділ справді розробляє такий прилад і переоцінити його значення неможливо. Коли людину з політравмою забирає карета швидкої, дуже часто її стан потрібно оцінити негайно, дорогою до лікарні. Наш прилад допоможе це зробити, його можуть використати і бойові медики, і лікарі екстрених служб, і лікарі стаціонарних відділень прямо біля ліжка хворого.
В основі роботи приладу – нескладна методологія визначення співвідношення лактату та пірувату в сироватці крові. Ця біосенсорна система може бути впроваджена не тільки в Україні, але і в інших країнах. Вона допоможе зменшити час встановлення діагнозу і значно покращить ефективність лікування пацієнтів.
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України у 2020 році справді отримав державне замовлення на розробку та впровадження цієї системи, але, на жаль фінансування ми так і не отримали (завадила пандемія коронавірусу та урядове рішення, яке забороняло попередню оплату та дозволяло виділяти кошти лише за вже виконані роботи).
Нині ми вирішили скористатись другим шансом для розробки та впровадження важливого та економічно перспективного біосенсорного приладу для визначення співвідношення лактат/піруват у повсякденній клінічній діагностиці. Співробітники відділу подали проєкт на конкурс НФДУ «Наука для відбудови України у воєнний та повоєнний періоди».
– Науковці вашого відділу створюють також нові біосенсори на основі наноматеріалів. Чому це важливо?
– Використовуючи наноматеріали, ми можемо адаптувати такі характеристики сенсорів, які потрібні для наших цілей.
За допомогою наночастинок різної природи можна контрольовано та цілеспрямовано впливати на важливі аналітичні характеристики сенсорів. Мова йде про такі характеристики, як стабільність (операційна та при зберіганні), час аналізу, чутливість та лінійний діапазон роботи тощо. Завдяки цьому підходу ми можемо керувати робочими характеристиками біосенсорів, підлаштовувати їх під відповідні умови використання. Якщо говорити просто, змінюється вся структура дослідження. Раніше ми перевіряли різні матеріали і знаходили перспективні для створення біосенсорів, нині ж з використанням наноматеріалів ми з самого початку задаємо необхідні характеристики біосенсорам та диктуємо відповідні умови аналізів.
Також ми використовуємо генетично модифіковані ензими. Активний центр такого ензиму може бути модифікований відповідно до конкретної потреби. Наприклад, використання рекомбінантної уреази дало змогу розширити діапазон визначення сечовини в крові пацієнта в десятки разів (охоплює і норму, і патології).
До речі, ми хочемо розширити ряд сполук, які можна визначити біосенсорними методами. Тому працюємо зі складними мультиензимними системами. Вони дають можливість розширити спектр визначення речовин-аналітів.
– Як вплинула на ваші наукові плани війна? Над чим працюєте сьогодні?
– Звісно, війна сильно вплинула на нашу роботу. Кілька талановитих молодих співробітниць відділу тимчасово виїхали за межі країни. Дуже сподіваємося, що вони повернуться. Колектив відділу створювався роками, у підготовку молодих науковців вкладено багато зусиль. Дуже не хочу, щоб повторилася ситуація дев’яностих, коли молодь (з різних причин) пішла з науки…
Також я читаю лекції в Інституті високих технологій КНУ імені Тараса Шевченка. Співробітники відділу читають курси в Києво-Могилянській академії, Київському політехнічному інституті імені Ігоря Сікорського. Я радий, що у ЗВО навчається багато талановитої молоді. Сподіваюся, випускники цих університетів прийдуть в аспірантуру до нашого інституту. У нас дуже хороший і фаховий колектив і надзвичайно перспективні дослідження.
У майбутньому біосенсори будуть незамінними в усіх сферах життя, можливо, навіть зубні щітки будуть з датчиками (усміхається – авт.). Бути долученими до процесу їх розробки – велика наукова удача.
Світлана ГАЛАТА
