В Липецке разрабатывают сенсоры, распознающие вещества на молекулярном уровне

 

Ученые из Липецкого государственного технологического университета (ЛГТУ) создали биосенсоры, которые распознают чужеродные вещества на наноуровне. С их помощью можно, в частности, определять наличие антибиотиков и пестицидов в пище. При этом по некоторым параметрам приборы дают более точные сведения о составе препаратов, чем немецкие и голландские аналоги. О том, как устроена разработка и в каких еще областях она может быть применена, «Русской планете» рассказала доктор химических наук, профессор ЛГТУ Татьяна Ермолаева.

Сенсорами профессор «заболела» в докторантуре, где она руководила научной работой студенток из Югославии. Они-то и познакомили ее с исследованиями профессора Любинки Роякович, занимавшейся разработкой газовых сенсоров. По словам Татьяны Ермолаевой, это стало первым толчком в выборе направления на долгие годы:

— Потом я поняла, что работа с газовыми средами не очень перспективна, актуальнее проводить определение биологически активных веществ в жидкости. И вот уже 15 лет это является предметом моих исследований. Теперь мы можем предложить сенсоры для определения разнообразных веществ: тех же антибиотиков, пестицидов в продуктах. В медицинской диагностике можно использовать наши сенсоры для выявления биомаркеров различных заболеваний. Это очень важно для ранней клинической диагностики. Самое главное, что определение широкого круга соединений можно осуществлять на одном и том же приборе, заменив только сенсор.

Интересно, что базовый прибор, улавливающий колебания сенсоров и передающий их на компьютер, уникален. В ЛГТУ этот прибор называют ласково: «наша консервная банка». Его сконструировал в буквальном смысле из подручных средств один из аспирантов кафедры автоматической системы управления. Пока этот прибор никому не удалось превзойти. Сейчас в Липецке на апробации установка, созданная в Москве. Местные ученые считают, что она требует дальнейшей доработки, поскольку регистрируемый аналитический сигнал не всегда стабилен.

Распознавать чужеродные вещества

— Наш сенсор состоит из монокристалла кварца, вырезанного под определенным углом. Этот слой кварца чувствителен к увеличению массы на поверхности. Поэтому мы можем взвесить любое вещество, которое на нее «упало» — присоединилось к кристаллу, — поясняет Татьяна Ермолаева. — Чтобы определить вещество в сложных соединениях, нужно правильно подобрать реагент, который будет работать именно с ним. Самые хорошие реагенты, обладающие высокой специфичностью, — антитела к этому соединению. К сожалению, в промышленных масштабах в России они не производятся.

По словам профессора, самое сложное, над чем постоянно работают ученые, — закрепление антител на поверхности сенсора. Они должны быть прочно закреплены на кристалле. Это позволяет использовать их многократно на одном сенсоре. На сегодняшний день предел — 30 измерений.

Липецкая разработка помещается на одном пальце, а ее стоимость с учетом золотого покрытия электродов составляет 760 рублей. По сравнению с американским аналогом — копейки, к тому же «американец» больше, не так точен и не так надежен, как липецкий.

— У нашего прибора сигнал более устойчивый, поэтому можно с большей точностью проводить исследование. Американский хорош, если нужно снять большие показатели. Но если нужно определить низкие концентрации, наш выигрышнее. К тому же работа на нашем сенсоре экономичнее, — говорит Ермолаева.

Антитела против антибиотиков

Антибиотиками Ермолаева и ее аспиранты занимаются уже шесть лет. По словам профессора, к этой теме их подтолкнула сама жизнь. Из-за нарушений норм производства в продуктах появилось много вредных для человека препаратов.

— Без лекарств для лечения животных обойтись невозможно. Если применять их по всем правилам, то антибиотиков в мясе будет минимальное количество, поскольку они разлагаются и выводятся из организма. Но нормы их использования постоянно нарушаются. Например, замороженная продукция лучше хранится, если она нашпигована лекарствами. Доходит до того, что животным на скотобойне в артерию вводят большие дозы антибиотиков и только после этого забивают. Даже сады уже опрыскивают антибиотиками. Правда, в нашей стране этого пока не делают.

Некоторые антибиотики, например тетрациклины, способствуют наращиванию мышечной массы.

— Мы проводили исследования коммерческих продуктов, оказалось, что самое большое количество тетрациклина обнаруживается в королевских креветках. Потому что при их разведении требуется обеззараженная вода. Производителям проще добавить антибиотик: креветки не болеют и быстрее набирают массу. А вот в птицеводстве чаще всего используются сульфапрепараты. Мы установили парадоксальную вещь — огромное количество сульфапрепаратов присутствует в курином помете. Наши садоводы, привозя подобное удобрение на свои участки, даже не знают, что для земли это не очень полезный продукт.

Покупая постное мясо, надо иметь в виду, что недобросовестные животноводы добавляют в корма препараты, которые применяются при лечении астмы, бета-агонисты. Они сдвигают биохимические процессы в организме: вместо жира идет наращивание постного мяса. Это запрещено в России, в ЕС, но разрешено в США, Бразилии. По словам Ермолаевой, китайцы сейчас очень хотят получать продукты из России: зерно, мясо, молоко. Ведь Китай уже слишком много внес антибиотиков и пестицидов в свои земли и сильно их заразил.

— Сейчас мы занимаемся разработкой сенсоров для выявления фторхинолонов — ципрофлоксацина и левофлоксацина. Антитела к ним нам прислали из Китая. Фторхинолоны — это бактерицидные препараты, позволяющие бороться со множеством бактерий. Китайцы их обнаружили в своем молоке. Но их там не должно быть, — говорит ученый.

Космические перспективы

— Конечно, нам бы хотелось, чтобы обычный покупатель мог проверить продукцию, насколько она безопасна, — рассказывает Татьяна Ермолаева. — С подобным предложением к нам уже обращалась одна фирма, которая работает при МИФИ. Она хотела создать подобные сенсоры для населения. Но пока это малоперспективно. Иммунореагенты очень капризны. Они получены из живых организмов, их нужно хранить в холодильнике. И сенсоры нужно хранить в холодильнике. Но выпуск анализаторов все равно интересует бизнесменов. К нам обращалась корейская фирма с предложением создать для них сенсоры для стиральных машин. Они будут их устанавливать в бытовую технику, чтобы сенсоры сигнализировали о появлении вредных соединений в воде при стирке.

Одной из успешных разработок своей лаборатории профессора называет сотрудничество с московской фармацевтической компанией, которая производит препараты для лечения и профилактики гриппа, в частности «Анаферон». Липчане разработали методику для контроля качества лекарства. По словам Ермолаевой, наши сенсоры дали более точные сведения о составе препаратов, чем немецкие и голландские аналоги. Сейчас липецкая методика проверки качества лекарств внедряется на предприятии.

— Получили мы предложение и по сотрудничеству с Главкосмосом. Космонавты на космической станции делают смывы с поверхностей внутри помещений и отправляют их на Землю для анализа. Результаты позволяют составлять график обеззараживания помещений. Мы рассматриваем возможность создания сенсоров, которые бы обеспечивали анализ непосредственно на станции, что позволяло бы проводить бактерицидную обработку помещений по мере необходимости. Но до всего руки не доходят. Главное — это обучение студентов. Ведь в большей степени научные успехи связаны с работой аспирантов. К сожалению, в университете непостоянный научный коллектив, в отличие от любой лаборатории в академическом институте. К тому же мы химики, а для того чтобы создать прибор для анализа, нам нужны еще хорошие электронщики.