Лаборатория химической энзимологии

Ярополов Александр Иванович
Заведующий лабораторией
доктор химических наук, профессор
ИНБИ, корп. 2, комн. 217
Телефон +7 (495) 954-44-77
E-Mail yaropolov@inbi.ras.ru

Основное

ОПИСАНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛАБОРАТОРИИ

Ключевые слова
биокатализ, биоэлектрокатализ, окислительно-восстановительные ферменты , ферментативный синтез композитных материалов, электропроводящие полимеры, лакказа-медиаторные системы,, биокаталитическая трансформация, биосенсоры и биотопливные элементы

Направления исследований

  • Ферментативный синтез электропроводящих полимеров и композитов на их основе
  • Биокаталитическая трансформация физиологически активных веществ
  • Лакказа-медиаторные системы и их использование в биотехнологии
  • Ферментативное получение электропроводящих чернил для 3D-принтинга  и их использование для конструирования нейроинтерфейса с дозированным выбросом физиологически активных веществ

Основные методы исследований
В рамках фундаментальных и прикладных исследований лаборатория реализует полный цикл разработки композитов на основе электропроводящих полимеров и углеродных наноматериалов – от ферментативного получения  до использования в различных устройствах.

Методы фундаментальных исследований:

  • методы ферментативной кинетики
  • биоэлектрохимические методы исследования электродных реакций
  • хроматографические методы анализа
  • просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия
  • спектральные методы исследований
  • ЯМР спектроскопия


Краткая история лаборатории

Лаборатория была создана в 1986 г. Руководитель лаборатории – профессор, д.х.н. Ярополов Александр Иванович. В 1998 году лаборатория была переименована в лабораторию химической энзимологии.

Достижения

ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Основное направление деятельности лаборатории – изучение гомогенного и гетерогенного катализа медьсодержащими оскидазами, включая фундаментальные и прикладные аспекты. В настоящее время  в лаборатории проводятся исследования по следующим направлениям: идентификация и расшифровка механизма действия оксидоредуктаз в гомогенных и гетерогенных системах; ферментативный синтез электропроводящих полимеров и композитов на их основе; биокаталитическая трансформация физиологически активных веществ с целью получения соединений с новыми свойствами; использование лакказа-медиаторных систем в различных областях биотехнологии.

  • Предложена система отбора органических соединений – потенциальных редокс-медиаторов лакказ, которая значительно упрощает поиск новых медиаторов фермента. Найден новый класс медиаторов с общим названием 1-фенил-3-метил-пиразолоны-5. Показана возможность эффективного использования лакказа-медиаторных систем для делигнификации лигноцеллюлозы и деградации ксенобиотиков.
  • Разработан лабораторный макет пористого газодиффузионного биокатода для топливного элемента на основе лакказы, иммобилизованной на высокодисперсных углеродных материалах. Показана высокая операционная стабильность ферментного электрода.
  • Предложен подход для получения электропроводящих полимеров с участием лакказы в качестве катализатора окислительной свободно-радикальной полимеризации мономеров и редокс-медиаторов в качестве усилителей действия фермента. Такой подход позволяет проводить полимеризацию мономеров в мягких, экологически совместимых условиях, отвечающих требованиям «белой» биотехнологии.
  • На основе ферментативно синтезированного полианилина и углеродных нанотрубок получен композитных материал, который был использован в качестве электроактивного компонента электродов в макете гибкого тонкого суперконденсатора. Толщина сконструированного суперконденсатора составляла 300-400 мкм, плотность энергии и мощности при напряжении 0,7 В – 7,0 Вт/ч и 5,2 кВт/кг.
  • Биокаталитическим способом получен хиральный сорбент для высокоэффективной жидкостной хроматографии для разделения оптических изомеров физиологически активных веществ. Хроматографические испытания колонок, упакованных полученным сорбентом, показали высокую энантиоселективность сорбента и хорошую разрешающую способность колонок в разделении аминокислот, их производных и лекарственных препаратов группы профенов (метилкислоты) и бета‑блокаторов (аминоспирты). По 19 тестируемым  рацематам физиологически активных веществ были достигнуты величины селективности от 1.5 до 4.6 при разрешающей способности до 9.54, что в большинстве случаев обеспечивает разделение оптических изомеров до базовой линии.
  • Проведена биокаталитическая трансформация флавоноида дигидрокверцитина с участием оксидаз: билирубиноксидазы и высоко редокс-потенциальной грибной лакказы. Продукты ферментативной полимеризации дигидрокверцитина обладали более высокой термостабильностью и антиоксидантной активностью по сравнению с мономером. Анализ спектров ЯМР 1Н и 13С  показал принципиальные различия продуктов полимеризации дигидрокверцитина, полученных с участием билирубиноксидазы и лакказы.

В различные годы сотрудники лаборатории участвовали в исследовательских проектах совместно с другими отечественными лабораториями и международными партнерами. Партнерами Лаборатории являются: НИЦ «Курчатовский институт», ИБФМ РАН, ИФАВ РАН, ИБХФ РАН, Химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, ИФХЭ РАН,  Институт инженерной экологии и химического машиностроения МАМИ, Универстит г. Мальме и Лундский университет (Швеция), Институт биологии клетки НАН Украины (г. Львов)

В лаборатории были получены гранты РФФИ и МОН РФ, а также INTAS и Inco-Copernicus.

Сотрудники лаборатории участвуют в различных отечественных и международных мероприятиях в качестве докладчиков и слушателей.

В лаборатории постоянно ведется работа по подготовке молодых специалистов. За время существования лаборатории были защищены 1 докторская и более 10 кандидатских диссертаций.

Сотрудники

СОСТАВ ЛАБОРАТОРИИ

ФИО Ученая степень, звание Должность Место работы Городской телефон Внутренний телефон E-mail
1Ярополов
Александр Иванович
д.х.н., профессорзав. лабораторией, г.н.с.ИНБИ, корп. 2, комн. 217(495) 954-44-77157yaropolov@inbi.ras.ru
2Васильева
Ирина Сергеевна
к.х.н.н.с.ИНБИ, корп. 2, комн. 217(495) 954-44-77157irinasin@yandex.ru
3Кондратьева
Елена Геннадьевна
к.ф.-м.н.н.с.ИНБИ, корп. 2, комн. 217(495) 954-44-77157elgenkon@inbox.ru
4Морозова
Ольга Владимировна
к.х.н.с.н.с.ИНБИ, корп. 2, комн. 217(495) 954-44-77157morozova@inbi.ras.ru
5Хлупова
Мария Евгеньевна
к.б.н.н.с.ИНБИ, корп. 2, комн. 217(495) 954-44-77157dave80@yandex.ru
6Шумакович
Галина Петровна
к.б.н.с.н.с.ИНБИ, корп. 2, комн. 217(495) 954-44-77157shumakovich1945@yandex.ru

РИД

РЕЗУЛЬТАТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ (патенты, полезные модели, базы данных, ноу-хау и пр.)
Регистрационный номер Тип Название Авторы Заявитель/ патентообладатель Дата приоритета Дата публикации
1 2446213 Патент на изобретение РФ Ферментативный способ получения электропроводящих полимеров Ярополов А.И., Морозова О.В., Шумакович Г.П., Стрельцов А.В., Горшина Е.С., Бирюков В.В., Русинова Т.В. ФИЦ Биотехнологии РАН 24.05.2010 27.03.2012
 2 2495509 Патент на изобретение РФ Способ получения композитного материала для электрода суперконденсатора Попов В.О., Липкин А.В., Ярополов А.И., Шумакович Г.П., Морозова О.В., Панкратов Д.В., Васильева И.С., Зейфман Ю.С., Отрохов Г.В. НИЦ «Курчатовский институт» 23.07.2012 10.10.2013
3 2014110059/10 (015831) Заявка на изобретение РФ Способ получения ингибитора коррозии меди Ярополов А.И., Шумакович Г.П., Морозова О.В., Васильева И.С., Хлупова М.Е., Отрохов Г.В., Горшина Е.С., Бирюков В.В., Русинова Т.В. ФИЦ Биотехнологии РАН 17.03.2014

Публикации

ЗНАЧИМЫЕ ПУБЛИКАЦИИ
  1. Yaropolov A.I., Kharybin A.N., Emneus J., Marko-Varga G., Gorton L. Flow-injection analysis of phenols at graphite electrode modified with co-immobilised laccase and tyrosinase. — Analytica  Chimica Acta, 1995, v. 308. p. 137-144 (DOI: 10.1016/0003-2670(94)00404-A)
  2. Karamyshev A.V., Shleev S.V., Koroleva O.V., Yaropolov A.I., Sakharov I.Yu. Laccase-catalyzed synthesis of conducting polyaniline. — Enzyme and Microbial Technology, 2003, v. 33, № 5, p. 556-564 (DOI: 10.1016/S0141-0229(03)00163-7)
  3. Shleev S.V., Morozova O.V., Nikitina O.V., Gorshina E.S., Rusinova T.V., Serezhenkov V.A., Burbaev D.S., Gazaryan I.G., Yaropolov A.I. Comparison of physico-chemical characteristics of four laccases from different basidiomycetes. — Biochimie, 2004, v. 86, № 9-10, p. 693-703 (DOI: 10.1016/j.biochi.2004.08.005 )
  4. S. Shleev, J. Tkac, A. Christenson, T. Ruzgas, A.I. Yaropolov, J.W. Whittaker, L. Gorton. Direct electron transfer between copper-containing proteins and electrodes. — Biosensors & Bioelectronics, 2005, v. 20, № 12, p. 2517-2554 (DOI: 10.1016/j.bios.2004.10.003)
  5. Shleev S., Jarosz-Wilkolazka A., A. Khalunina, Morozova O., Yaropolov A., Ruzgas T., Gorton L. Direct electron transfer reactions of laccases from different origins on carbon electrodes. — Bioelectrochemistry, 2005, v. 67, № 1, p. 115-124 (DOI: 10.1016/j.bioelechem.2005.02.004)
  6. Морозова О.В., Шумакович Г.П., Горбачева М.А., Шлеев С.В., Ярополов А.И. «Голубые» лакказы. — Биохимия, 2007, t. 72, № 10, c. 1396-1412 (DOI: 10.1134/S0006297907100112)
  7. Морозова О.В., Шумакович Г.П., Шлеев С.В., Ярополов А.И. Лакказа-медиаторные системы и их использование. — Прикладная биохимия и микробиология, 2007, t. 43, № 5, c. 583-597 (DOI: 10.1134/S0003683807050055)
  8. Shleev S., Shumakovich G., Morozova O., Yaropolov A. Stable ‘floating’ air diffusion biocathode based on direct electron transfer reactions between carbon particles and high redox potential laccase. — Fuel Cells, 2010, v. 10, № 4, p. 726-733 (DOI: 10.1002/fuce.200900191)
  9. Shumakovich G., Kurova V, Vasileva I., Pankratov D., Otrokhov G., Morozova O., Yaropolov A. Laccase-mediated synthesis of conducting polyaniline. — Journal of Molecular Catalysis. B. Enzymology, 2012, v. 77, p. 105-110 (DOI: 10.1016/j.molcatb.2012.01.023)
  10. Otrokhov G., Pankratov D., Shumakovich G., Khlupova M., Zeifman Y., Vasil’eva I., Morozova O., Yaropolov A. Enzymatic synthesis of polyaniline/multi-walled carbon nanotubecomposite with core shell structure and its electrochemical characterization for supercapacitor application. — Electrochimica Acta, 2014, v. 123. p. 151-157 (DOI: 10.1016/j.electacta.2013.12.089)

Международные проекты

МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО

Фонд/ программа
Акроним Наименование проекта на английском языке Наименование проекта на русском языке Период проведения работ Страны-участницы Сайт проекта
1 Контракт №18/05/10 в рамках European Project NMP4-SL-2009-229255 Three-dimensional nanobiostructure-based self-contained devices for biomedical application Автономные устройства на основе трехмерных нанобиоструктуд для медицинского применения 2010 Швеция, Россия

Диссертации

ЗАЩИЩЕННЫЕ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертант Диссертация Тема работы Научный руководитель/ консультант
Год защиты
1 Шлеев С.В. докторская Функционирование, механизм регуляции активности и возможное практическое использование голубых медьсодержащих оксидаз Ярополов А.И. 2010
 2 Никитина О.В. кандидатская Внеклеточные оксидоредуктазы лигнинолитического комплекса базидиального гриба Trametes Pubescens (Schumach.) Pilát Шлеев С.В. 2006
3 Морозова О.В. кандидатская Лакказы базидиальных грибов, лакказа-медиаторные системы и возможности их использования Ярополов А.И. 2006
 4 Горбачева М.А. кандидатская Биокаталитические свойства лакказ из различных источников Шлеев С.В. 2009
 5 Стрельцов А.В. кандидатская Биокаталитический синтез электропроводящего полианилина в растворах мицелл додецилбензолсульфоната натрия с участием грибной лакказы Trametes hirsuta и свойства полученного полимера Ярополов А.И. 2009
 6 Васильева И.С. кандидатская Ферментативный синтез различных форм электропроводящего полианилина с участием грибной лакказы Trametes hirsuta и изучение их физико-химических свойств Ярополов А.И. 2010
 7 Хлупова М.Е. кандидатская Электрохимическое определение метаболической активности бактериальных и дрожжевых клеток и разработка микробных биосенсоров Кузнецов Б.А. 2012