Ученые Института химии и химической технологии СО РАН и Института биофизики СО РАН на основе магнитных микросфер, полученных из летучих зол угля, создали эффективные многоразовые сорбенты для выделения биологических молекул. Результаты исследований опубликованы в журнале DALTON TRANSACTIONS.

Стадии модификации магнитных микросфер. a ...

Стадии модификации магнитных микросфер. a — исходное состояние суспензии микросфер, b, с — распределение атомов железа и алюминия (красный и синий цвета) на поверхности гладкой микрочастицы в исходном состоянии и после модификации ее поверхности, d — распределение атомов никеля (фиолетовый цвет) на поверхности модифицированной частицы. Рисунки из статьи Dalton Trans., 2016, 45, 1582–1592

Очень часто в современных биомедицинских или биотехнологических исследованиях перед учеными стоит задача извлечь нужные биологические молекулы из раствора. В научных изысканиях это могут быть вещества, которые нужны для дальнейших анализов. В медицинской практике — соединения, которые используются для диагностики того или иного заболевания. Для выделения белков обычно используют различные сорбенты — материалы, избирательно поглощающие из окружающей среды определенные соединения.

В последнее время для выделения рекомбинантных белков из раствора стали применять частицы, на поверхность которых нанесены ионы переходного металла. При фильтрации жидкости через смесь сорбирующих частиц заряженные атомы металла удерживают биологические молекулы и связывают их с сорбентом. Для производства таких частиц используют полученные синтетическим путем микросферы. Микросферы — это небольшие (десятки микрон) шарики. В качестве слоя-ловушки на поверхности микросферических частиц используют ионы никеля, цинка или других тяжелых металлов. Недостатком таких сорбентов является их нестабильность. Если заряженные ионы слабо связаны с поверхностью шарика-сорбента, то использовать его несколько раз невозможно. После каждой фильтрации образца сорбент необходимо «перезарядить». Таким образом, в технологии получения подобных сорбентов есть два ключевых технологических этапа: получение шариков-носителей и прочное связывание ионов металлов с поверхностью микросфер.

Красноярские ученые предложили оригинальное решение для обоих этапов. Как отмечает сотрудник лаборатории каталитических превращений малых молекул Института химии и химической технологии СО РАН доктор химических наук Татьяна Верещагина: «В своей работе мы по сути пытаемся из отходов получить функциональные материалы. Данное исследование — один из успешных примеров. Микросферы, содержащие железо, входят в состав летучих зол, которые образуются при сжигании угля. Их отличительная черта — наличие магнитных свойств. Ранее мы научились выделять из летучей фракции угольной золы микросферы близкого состава и размера. Для получения белковых сорбентов было необходимо модифицировать поверхность частиц и добиться прочного связывания ионов никеля с поверхностью микросфер. В результате мы получили многоразовый материал. Наши микросферы сохраняли способность связывать белок после нескольких применений.»

Для получения сорбирующих микросфер сначала у частиц, выделенных из угольной золы, изменили свойства поверхности. В работе представлено несколько методов модификации. Вне зависимости от подхода, результат таких усовершенствований — это частица, которая сохраняет железосодержащее магнитное ядро и, соответственно, свои магнитные свойства и имеет пористую поверхность. На следующем этапе новые свойства поверхности использовали для прочного закрепления на ней ионов никеля. Полученный материал использовали для выделения из раствора зеленого флуоресцентного белка. Флуоресцентные белки широко используют в качестве светящихся меток для изучения процессов в клетках и для создания средств диагностики различных заболеваний. Например, недавно сибирские ученые предложили использовать светящиеся метки для диагностики клещевого энцефалита и рассеянного склероза. Магнитные частицы, заряженные ионами никеля, сохраняли свою способность связывать флуоресцентный белок в нескольких последовательных фильтрациях образца.

По словам одного из соавторов работы, доктора биологических наук Людмилы Франк, сотрудника лаборатории фотобиологии Института биофизики СО РАН, полученные сорбирующие частицы имеют два основных преимущества, а именно, у них есть магнитные свойства и они стабильны. «Обычно для каждого выделения белков мы либо используем новый картридж, заполненный микрочастицами, либо нам приходится перезаряжать использованный картридж. С новым материалом резко сократится стоимость таких исследований. Это особенно актуально сейчас, когда стоимость импортных расходных материалов для высокотехнологичных научных исследований увеличивается в разы. Магнитные свойства микросфер также упрощают процедуру выделения белков. Вместо того чтобы фильтровать образец через слой частиц, упакованных в колонку (классический вариант хроматографии), можно просто перемешать суспензию частиц в растворе, а потом собрать частицы на дне сосуда, приложив к нему магнит.» — говорит Людмила Франк.

Разработанный метод может быть использован при производстве сорбентов для биотехнологических целей. Доступность и большие запасы полуфабриката (летучая угольная зола) в принципе позволяют развернуть укрупненное производство сорбента в быстрые сроки. Такие материалы будут востребованы как при проведении современных биохимических исследований, так и в области биотехнологии и биомедицины.