Біотехнологічні основи регуляції біосинтетичної активності лікарських макроміцетів за допомогою екологічно безпечних фізичних факторів
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Михайлова О.Б. Біотехнологічні основи регуляції біосинтетичної активності лікарських макроміцетів за допомогою екологічно безпечних фізичних факторів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.20 – Біотехнологія. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерство освіти i науки України, Київ, 2025.
Кваліфікаційна наукова праця присвячена теоретичному та експериментальному обґрунтуванню нових екологічно безпечних підходів до регуляції біосинтетичної активності лікарських макроміцетів in vitro. Основою досліджень стала наукова концепція, яка передбачає використання низькоінтенсивного LED- і лазерного світла різного спектрального складу та колоїдних розчинів наночастинок металів (срібла − AgНЧ, заліза − FeНЧ, магнію − MgНЧ) як інноваційних інструментів для інтенсифікації біотехнологічних процесів. Сформульовано принципи регуляції синтезу міцеліальної маси та біологічно активних речовин (полісахаридів, фенольних сполук, меланінів, флаваноїдів, антиоксидантної та антибактеріальної активності) із застосуванням зазначених фізичних факторів. Багатоступеневий скринінг та комплексне дослідження морфологокультуральних особливостей 29 штамів 9 видів 8 родів базидієвих макроміцетів з Колекції культур шапинкових грибів (акронім ІВК) Інституту ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України, дозволив встановити морфолого-культуральні характеристики штамів-продуцентів. Визначено фізико-хімічні чинники, які дозволяють регулювати життєздатність культур у вегетативній стадії розвитку. За результатами багатоступеневого скринінгу відібрано штами-продуценти перспективні для подальшого промислового впровадження. Запропоновано нові ефективні методи регуляції біосинтетичних процесів та оптимізації етапів глибинного культивування цінних видів лікарських макроміцетів (Hericium erinaceus, Inonotus оbliquus, Laricifomes officinalis, Lentinula edodes, Pleurotus eryngii) із використанням енергоефективних джерел низькоінтенсивного штучного світла різної когерентності, колоїдних розчинів AgНЧ, FeНЧ, MgНЧ та фотоактивованих лазерним світлом НЧ металів. Визначено специфічні особливості фотобіологічних реакцій штамів-продуцентів на низькоінтенсивне LED- та лазерне опромінення. Запропоновано нові енергоефективні та екологічно безпечні методи інтенсифікації технологічних етапів глибинного культивування лікарських макроміцетів шляхом застосування фотоактивованого інокуляту з використанням джерел світла з різною когерентністю та спектральними характеристиками: LED (=470 нм, =530 нм, =650 нм), лазер (=488 нм). Експериментально доведено переваги короткочасного впливу штучного світла потужністю 240 мДж/см2 для стимуляції синтезу міцеліальної маси, полісахаридів, ненасичених жирних кислот, поліфенолів, меланіну, а також підвищення антиоксидантної й антимікробної активності у видів: H. erinaceus, I. оbliquus, L. officinalis, L. edodes, P. eryngii. Завдяки модифікації існуючих біотехнологій вдалося скоротити терміни культивування та підвищити кількісний та якісний вихід цільового продукту. Визначено оптимальні режими фотостимуляції біосинтетичної активності для кожного штаму-продуцента. Встановлено, що використання синього лазерного (=488 нм) та LED-світла (=470 нм), забезпечувало збільшення синтезу міцеліальної маси на 31,3% − 132,1% залежно від виду гриба. У всіх штамів опромінення інокулюму лазерним та LED-світлом у синьому, зеленому та червоному діапазонах спектра сприяло збільшенню синтезу як екзо- , так і ендополісахаридів. Найефективнішим виявилось опромінення синім лазерним і LED-світлом. Серед всіх досліджених видів штам H. erinaceus продемонстрував найвищу фоточутливість до синього світла: ефект дії синього лазерного опромінення на синтез екзо- та ендополісахаридів становив 42,8% і 53,6% відповідно, тоді як для синього LED-світла ці показники досягали 57,1% і 75,6%. Опромінення інокулюму I. obliquus ІВК 1877 LED- та лазерним світлом у синьому діапазонах спектру дозволяє збільшити синтез міцеліальної маси понад 55% порівняно з контролем та кількість ендомеланіну понад 290%. Опромінення низькоінтенсивним LED- та лазерним світлом у визначених режимах призводило до змін у якісному складі жирнокислотного профілю міцеліальної маси. Зокрема, під впливом світлового опромінення спостерігалось зниження вмісту насичених жирних кислот та утворення моно- та поліненасичених жирних кислот відсутніх у контрольних зразках. Для кожного штаму-продуценту встановлено оптимальні режими опромінення інокуляту. Короткочасне опромінення інокулюму низькоінтенсивним світлом у синьому та червоному спектральних діапазонах стимулювало синтез фенольних сполук і підвищувало антиоксидантну активність екстрактів міцеліальної маси. На основі отриманих даних запропоновано технологію отримання міцеліальної маси лікарських макроміцетів (H. erinaceus, I. obliquus, G. lucidum, L. edodes) із використанням фотоіндукованого інокуляту. Культивована міцеліальна маса, з підвищеним вмістом біологічно активних речовин (полісахаридів, поліфенолів, меланінінів) стала основою для розробки харчових продуктів для спеціальних медичних цілей: «МікоІмун Комплекс», «МікоІмун Герицій», «МікоІмун Інонотус». Проведено гігієнічне регламентування показників якості та безпеки грибної сировини, розроблено композицію готової форми у вигляді твердих желатинових капсул. Виготовлено дослідні партії та створено проекти інструкцій із застосування. Розроблена авторська методика, яка дозволяє ефективно оцінювати вплив НЧ металів та лазерного світла на біосинтетичну активність культур. Методика включає адаптацію експериментальної схеми до умов дослідження, зокрема, до характеристик НЧ металів і параметрів опромінення. На основі отриманих даних здійснювалась оцінка біологічної функціональності колоїдних розчинів НЧ залежно від їхньої морфології, розміру і структурно-фазового складу. Комплексне дослідження колоїдних розчинів наночастинок металів: срібла − AgНЧ, заліза − FeНЧ, магнію – MgНЧ, як потенційних регуляторів біосинтетичної активності лікарських макроміцетів I. obliquus ІВК 1877, H. erinaceus ІВК 977, L. officinalis ІВК 5004, L. edodes ІВК 2541, P. eryngii ІВК 2035 дозволило виявити закономірності їх впливу на фізіологічні і біосинтетичні процеси. У рамках дослідження проаналізовано вплив колоїдних розчинів наночастинок на синтез міцеліальної маси, біологічно активних речовин (полісахаридів, поліфенолів, меланінів, флаваноїдів), антиоксидантну та антимікробну активності екстрактів міцеліальної маси та культуральної рідини. Отримані результати підтвердили, що додавання колоїдних розчинів НЧ металів до інокулюму сприяє стимуляції росту міцеліальної маси досліджених видів (I. obliquus, H. erinaceus, L. officinalis, L. edodes, P. eryngii). Найбільший ефект спостерігався при використанні FeНЧ та MgНЧ, які забезпечували приріст міцеліальної маси до 60% порівняно з контрольними зразками (без використання НЧ металів). Вперше встановлено, що FeНЧ та MgНЧ активно впливають на метаболічну активність досліджених видів, стимулюючи синтез полісахаридів і поліфенолів, які є основними складовими біологічно активних сполук у досліджених видів. Завдяки інтегрованому підходу вдалося також дослідити взаємозв’язок між типом використаних НЧ металів і активністю біосинтетичних процесів. MgНЧ виявились найбільш ефективними для підвищення антиоксидантної активності, тоді як FeНЧ сприяли утворенню меланінів і поліфенолів. Застосування AgНЧ, FeНЧ сприяло підсиленню антимікробної активності екстрактів культуральної рідини. В ході досліджень одержано нові науково обґрунтовані теоретичні та експериментальні дані щодо впливу фотоіндукованих НЧ металів на метаболічні процеси при глибинному культивуванні лікарських макроміцетів. Встановлено закономірності комбінованого впливу низькоінтенсивного лазерного світла та колоїдних розчинів AgНЧ, FeНЧ, MgНЧ на синтез ключових біологічно активних сполук, таких як полісахариди, поліфеноли, меланіни, флаваноїди, у міцеліальній масі досліджених видів. Уперше виявлено спектральну чутливість макроміцетів до впливу синього лазерного світла в поєднанні з колоїдними розчинами НЧ металів, що доповнює сучасні уявлення про фотокаталіз при глибинному культивуванні лікарських макроміцетів. Визначено індивідуальні особливості штамів-продуцентів на синтез біологічно активних сполук залежно від фізичних властивостей НЧ металів та впливу лазерного опромінення. Доведено, що фотокаталіз колоїдних розчинів НЧ металів стимулює метаболічну активність грибів, забезпечуючи синтез біологічно активних речовин із підвищеними антиоксидантними та антимікробними властивостями. Встановлено, що рівень накопичення біологічно активних сполук, після фотоактивації НЧ, залежить від їх морфологічних та фізичних характеристик. Найвищій рівень фенольних сполук і антиоксидантної активності для досліджених видів відзначався для у середовищі з FeНЧ, MgНЧ у поєднанні з лазерним опроміненням, що робить ці НЧ найбільш перспективними для подальшого застосування у біотехнології. Водночас виявлено, що фотоактивація НЧ металів низькоінтенсивним лазерним світлом знижувало синтез міцеліальної маси порівняно з контролем (без НЧ та опромінення). Це свідчить про важливість оптимізації режимів світлового впливу для досягнення максимальної ефективності технологічних процесів. Дослідження фотобіологічних реакцій грибів, а також накопичення даних щодо впливу колоїдних розчинів НЧ біогенних металів і низькоінтенсивного лазерного світла на біосинтетичну активність лікарських макроміцетів сприяють кращому розумінню фундаментальних механізмів впливу НЧ та світла на гриби. Це відкриває нові перспективи для підвищення ефективності біотехнологічних процесів у виробництві біологічно активних речовин. На основі наукової концепції, узагальнених експериментальних даних надані науково-практичні рекомендації щодо інтенсифікації етапів отримання міцеліальної маси з підвищеним вмістом ендополісахаридів, ессенціальних ненасичених жирних кислот, поліфенольних сполук, меланінів розроблено харчовий продукт для спеціальних медичних цілей. Розроблена концепція цілеспрямованої регуляції біосинтетичної активності лікарських макроміцетів демонструє високий потенціал у підвищенні біологічного потенціалу штамів-продуцентів. Запропоновані технології базуються на інноваційних підходах як у біологічному, так і технологічному аспектах, що створює перспективи для подальшого розвитку мікобіотехнологій на основі лікарських макроміцетів. Матеріали дисертаційної роботи, які висвітлюють спектральну та фотокаталітичну чутливість макроміцетів, можуть бути використані для підготовки фахівців у галузі біотехнології, мікології та фотобіології.
Опис
Ключові слова
біотехнологія, гриби, біологічно активні сполуки, міцеліальна маса, полісахариди, жирні кислоти, фенольні сполуки, меланіни, антимікробна активність, антиоксидантна активність, глибинне культивування, LED та лазерне світло, колоїдні розчини наночастинок металів, biotechnology, fungi, biologically active compounds, mycelial mass, polysaccharides, fatty acids, phenolic compounds, melanins, antimicrobial activity, antioxidant activity, submerged cultivation, LED and laser light, colloidal solutions of metal nanoparticles
Бібліографічний опис
Михайлова, О. Б. Біотехнологічні основи регуляції біосинтетичної активності лікарських макроміцетів за допомогою екологічно безпечних фізичних факторів : реф. дис. … д-ра біол. наук : 03.00.20 - біотехнологія / Михайлова Оксана Борисівна. – Київ, 2025. – 52 с.