Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Достижение поставленной цели проекта будет осуществляться путём реализации научных тематик, соответствующих направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (Указ Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»). Финансирование этих научных тематик будет осуществляться за счёт внебюджетного и конкурсного бюджетного финансирования, в том числе средств гранта в форме субсидии из федерального бюджета, предоставленного на оказание поддержки Программы развития УрФУ на 2021-2030 гг. в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Постановление Правительства Российской Федерации от 13 мая 2021 года № 729), которые будут направлены на реализацию научной тематики «Разработка методов и технологий получения природных и биологически активных веществ», прошедшей конкурсный отбор.
Описание реализуемой за счёт средств ПСАЛ «Приоритет 2030» научной тематики «Разработка методов и технологий получения природных и биологически активных веществ»:
1) Решаемая проблема
Разработка методов и технологий получения природных и новых биологически активных веществ.
2) Актуальность решения обозначенной проблемы
Основные социально значимые заболевания, такие как: сердечнососудистые, рак, ожирение и диабет, являются основными причинами смертности во всем мире. Рост числа этих заболеваний в последние десятилетия представляет собой серьезную проблему здравоохранения, поскольку они приводят к снижению трудоспособности населения, что препятствует экономическому развитию стран, а также является серьезной угрозой для достижения целей развития цивилизации в целом. В связи с этим наличие эффективных средств для профилактики, диагностики и лечения этих заболеваний является одним из важных факторов в снижении перечисленных рисков.
В лечении социально значимых заболеваний лекарственные средства занимают ключевое место. Так, одной из актуальных задач является поиск новых биологически активных веществ для лекарственной терапии злокачественных новообразований. Создание новых противораковых препаратов для достижения высокой эффективности и с низким побочным действием требует разработки путей получения и изучения биологической активности новых БАВ с высокой избирательностью действия.
Важной составляющей профилактики и предупреждения социально-значимых заболеваний является научно-обоснованное, качественное и безопасное питание, сбалансированное по макро- микронутриентам и пищевым волокнам. Недостаток ценных компонентов в продуктах питания восполняется за счет обогащения их природными и синтетическими БАДами.
Также для обеспечения населения питанием животного и растительного происхождения в необходимом объеме важными задачами являются разработка методов получения эффективных и экологичных средств защиты растений и животных.
Современной тенденцией в разработке технологий получения БАВ и БАД является принцип ресурсо- и энергосбережения, а также более глубокое использование вторичных ресурсов, утилизацию отходов и т.д. Такие технологии позволяют экономить природные ресурсы и избегать загрязнения окружающей среды. Актуальной проблемой в связи с этим является комплексная переработка отходов пищевой промышленности и сельского хозяйства с помощью методов биотехнологии и биовалоризация их в ценные продукты для медицины, пищевой промышленности и сельского хозяйства.
3) Описание задач, предлагаемых к решению
Одной из важных задач настоящего Проекта станет разработка химических методов получения БАВ с использованием современных, экологичных и производительных подходов.
Предполагается проведение масштабных биологических и физико-химических исследований полученных веществ.
Следующей важной задачей будет являться оптимизация молекулярной структуры веществ с целью получения высокоактивных молекул с использованием методов компьютерного моделирования и биологического скрининга.
Планируется также разработка и создание эффективных и малоотходных биотехнологий получения пищевых и биологически активных добавок, таких как бета-глюкан, ксантан и астаксантин для применения в медицине и специализированном питании человека и животных, а также фитогормонов гиббереллинов для применения в сельском хозяйстве.
Важным направлением в данном Проекте будет являться разработка рецептур и технологий получения инновационных пищевых продуктов с добавлением БАД для профилактики различных заболеваний и поддержания здоровья человека.
4) Практическая значимость ожидаемых результатов
Перечисленные выше методы получения БАВ и БАД и пищевых продуктов, которые планируется разработать в рамках данного Проекта, внесут свой вклад в программу импортозамещения биотехнологических продуктов в России.
Планируется разработать новые методы получения БАВ и БАД для защиты здоровья человека и обеспечения его достаточным и полноценным питанием, а также предполагается разработка инновационных ресурсосберегающих технологий получения БАВ и БАД в том числе с применением методов биовалоризации отходов пищевой и сельскохозяйственной промышленности с целью уменьшения экологической нагрузки на окружающую среду.
5) План работ на 2022-2024 год
В соответствии с поставленными задачами в 2022 году в рамках выполнения Проекта планируется:
1. Осуществить дизайн и разработать методы синтеза широкого ряда гетероциклических соединений. Наработать вещества для испытания антибактериальной, противораковой, противовирусной активности.
2. Синтезировать серию гетероциклических флуорофоров с различными функциональными группами, содержащими мостиковые фрагменты, а также различные по электронным и пространственным эффектам заместители, моделирующие оптические свойства и функциональные группы для формирования устойчивых мостиковых фрагментов с биомолекулой.
3. Установить тонкую структуру полученных соединений, особенности пространственной конфигурации, наличие внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий (ЯМР-спектры, данные РСА, квантово-химические расчеты.
4. Провести исследования фотофизических свойств полученных флуорофоров с помощью экспериментальных (спектральных) и теоретических (QM) методов.
5. Определить влияние микроокружения на фотофизические свойства синтезированных молекул, сенсорные свойства, фото- и химическую устойчивость в различных средах, в первую очередь в средах, близких к биологическим.
6. Изучить антибактериальную, противораковую, противовирусную веществ.
7. Разработать эффективный метод культивирования продуцента астаксантина с использованием отходов пищевых производств.
8. Сравнить синтетическую активность двух продуцентов полисахарида ксантана с использованием стандартных условий.
9. Провести исследования по оценке возможности использования ксантана, как стабилизатора растительного молока и продуктов на его основе.
10. Отработать на практике методу культивирования продуцентов гиббереллинов и изучить методы выделения гиббереллинов.
В 2023 году планируется:
1. Усовершенствовать известные и разработать новые методы синтеза БАВ, противомикробных и ингибиторов экспортина.
2. Провести систематические исследования реакций ацилирования, азоаминосочетания, азосочетания, алкилирования с участием гетроциклических флуорофоров и аминокислот и их химических моделей с активным центром, соответствующим активному центру био-рецепторов.
3. Определить оптимальные условия реакций с учетом сохранения биологического фрагмента в неизменном виде.
4. Выявить реакции, обеспечивающие получение новых биоконьюгатов на основе ковалентного связывания гетероциклического флуорофора и биомолекулы;
5. Синтезировать серию биоконъюгатов на основе реакций гетероциклических флуорофоров с альфа-, бета- и гамма-аминокислотами и их химическими моделями.
6. Провести анализ спектральных характеристик (УФ-, ИК-спектры и спектры ЯМР 1Н и 13С, спектры флуоресценции) и данных РСА синтезированных соединений для определения особенностей их пространственного строения, выявления внутри- и межмолекулярных взаимодействий, наличия динамических равновесий (таутомерных или изомерных превращений) и оптических свойств.
7. Изучить фотофизические характеристики полученных молекулярных конструкций (спектры поглощения и эмиссии, квантовый выход, время жизни) в различных растворителях и средах (сольватохромизм, ацидохромизм).
8. Получить мутантные штаммы - супер-продуценты целевых БАВ, в частности астаксантина и ксантана.
9. Разработать методы культивирования продуцентов целевых БАВ с использованием отходов сельского хозяйства.
10. Разработать методы получения бета-глюканов из отходов пищевой промышленности.
11. Разработать новые рецептуры продуктов питания с добавлением БАД и оценить их органолептические и физико-химические характеристики.
В 2024 году планируется:
1. Выявить вещества-лидеры биологической активности, провести вариацию структуры аналогов и производных лидеров.
2. Провести квантово-химические расчеты основного и возбужденных состояний синтезированных биоконьюгатов и определить их особенности по сравнению с исходными гетероциклическими флуорофорами.
3. Изучить фото- и химическую устойчивость полученных биоконъюгатов, оценить особенности их поведения в средах, имитирующих биологические (рН 7.4 и 1,2).
4. Изучить возможность образования комплексов флуорофор-биомолекула, за счет нековалентного связывания, при использовании различных комбинаций взаимодействующих реагентов; изучить устойчивость полученных комплексов и их влияние на спектральные характеристики флуорофора.
5. Провести исследование оптических свойств гетероциклических флуорофоров и биоконъюгатов в растворе (спектры поглощения и флуоресценции) и суспензии (в случае обнаружения флуоресценции в твердом состоянии), влияние среды (природа растворителя и кислотность);
6. Изучить поведение синтезированных коньюгатов в биологических средах (клетки Vero), их способность проникать через клеточную мембрану накапливаться в клеточных органеллах и токсичность.
7. Провести анализ полученных данных и определить структуры молекул-кандидатов и перспективы их использования в биологии и медицине для диагностики и тераностики.
8. Разработать технологические методы синтеза наиболее перспективных соединений.
9. Разработать новые эффективные методы получения ксантана и гиббереллинов.
10. Изучить фитогормональные свойства гиббереллинов с использованием растительных объектов.
11. Разработать технологичный метод получения кормовой добавки, содержащей астаксантин.
12. Разработать новые рецептуры специализированных пищевых продуктов с добавлением БАД для профилактики различных заболеваний и поддержания здоровья человека и оценить их органолептические и физико-химические характеристики.
Коллектив Научного центра компетенций руководствуется в своей работе Положением о научных центрах компетенций СМК-ПВД-7-01-287-2022, введённым в действие приказом №439/03 от 04.05.2022.