Біотехнологічні основи регуляції біосинтетичної активності лікарських макроміцетів за допомогою екологічно безпечних фізичних факторів
| dc.contributor.author | Михайлова, Оксана Борисівна | |
| dc.date.accessioned | 2025-04-02T13:05:39Z | |
| dc.date.available | 2025-04-02T13:05:39Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Mykchaylova O.B. Biotechnological bases of regulation of biosynthetic activity of medicinal macromycetes using ecologically safe physical factors. – The Manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Biological Sciences in specialty 03.00.20 Biotechnology − National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, M.G. Kholodny Institute of Botany of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2025. The dissertation is devoted to the theoretical and experimental substantiation of new environmentally friendly approaches to the regulation of biosynthetic activity of edible and medicinal macromycetes in vitro. The research is based on a scientific concept that involves the use of low-intensity LED and laser light of different spectral compositions and colloidal solutions of metal nanoparticles (silver – AgNP, iron – FeNP, magnesium – MgNP) as innovative tools for the intensification of biotechnological processes. The principles of regulation of the synthesis of mycelial mass and biologically active substances (polysaccharides, phenolic compounds, melanin, flavonoids, antioxidant and antibacterial activity) using the specified physical factors are formulated. Multistage screening and comprehensive study of morphological and cultural characteristics of 29 strains of 9 species of 8 genera of basidiomycetes from the IBK mushroom culture collection of the M.G. Kholodny Institute of Botany of the National Academy of Sciences of Ukraine allowed to establish morphological and cultural characteristics of producer strains. Physicochemical factors allowing to regulate the viability of cultures in the vegetative stage of development were determined. Based on the results of multistage screening, producer strains promising for further industrial implementation were selected. New effective methods for regulating biosynthetic processes and optimizing the stages of submerged cultivation of valuable species of medicinal macromycetes (Hericium erinaceus, Inonotus obliquus, Laricifomes officinalis, Lentinula edodes, Pleurotus eryngii) are proposed using energy-efficient sources of low-intensity artificial light of varying coherence, colloidal solutions of AgNPs, FeNPs, MgNPs and photoinduced (activated) laser light metal NPs. Specific features of photobiological reactions of producer strains to low-intensity LED and laser irradiation are determined. New energy-efficient and environmentally friendly methods for intensifying the technological stages of submerged cultivation of medicinal macromycetes are proposed by applying photoactivated inoculum using light sources with different coherence and spectral characteristics: LED (=470 nm, =530 nm, =6 =488 nm). The advantages of short-term exposure to artificial light with a power of 240 mJ/cm2 for stimulating the synthesis of mycelial mass, polysaccharides, unsaturated fatty acids, polyphenols, melanin, as well as increasing the antioxidant and antimicrobial activity in the species I. obliquus, H. erinaceus, L. edodes, P. eryngii were experimentally proven. Due to the modification of existing biotechnologies, it was possible to reduce the cultivation time and increase the quantitative and qualitative yield of the target product. Optimal modes of photostimulation of biosynthetic activity for each producer strain were determined. It was found that the use of blue laser (=488 nm) and LED light (=470 nm) provided an increase in the synthesis of mycelial mass by 31.3% - 132.1% depending on the fungus species. In all strains, irradiation of the inoculum with laser and LED light in the blue, green and red spectrum ranges contributed to an increase in the synthesis of both extracellular and intracellular polysaccharides. Irradiation with blue laser and LED light turned out to be the most effective. Among all the studied species, the H. erinaceus strain demonstrated high photosensitivity to blue light: the efficiency of blue laser irradiation on the synthesis of extracellular and intracellular polysaccharides was 42.8% and 53.6%, respectively, while for blue LED light these figures reached 57.1% and 75.6%. Irradiation of the inoculum of I. obliquus ІВК 1877 with LED and laser light in the blue range of the spectrum allows increasing the synthesis of mycelial mass by more than 55% compared to the control and the amount of endomelanin by more than 290%. Irradiation with low-intensity LED and laser light in certain modes led to changes in the qualitative composition of the fatty acid profile of the mycelial mass. In particular, under the influence of light irradiation, a decrease in the content of saturated fatty acids and the formation of mono- and polyunsaturated fatty acids absent in the control samples were observed. Optimal inoculum irradiation modes were established for each producer strain. Short-term irradiation of the inoculum with low-intensity light in the blue and red spectral ranges stimulated the synthesis of phenolic compounds and increased the antioxidant activity of extracts of the mycelial mass. Based on the obtained data, a technology for producing mycelial biomass of medicinal macromycetes (H. erinaceus, I. obliquus, G. lucidum, L. edodes) using photoinduced inoculum has been proposed. The cultivated mycelial biomass, enriched with biologically active compounds (polysaccharides, polyphenols, melanins), served as the basis for developing food products: "MikoImmun Complex," "MikoImmun Hericium," "MikoImmun Inonotus." Hygienic regulation of quality and safety indicators of fungal raw materials has been carried out, and the composition of the final form in the form of hard gelatin capsules has been developed. Experimental batches have been produced, and draft instructions for use have been created. A proprietary technique has been developed to effectively assess the effect of metal NPs and laser light on the biosynthetic activity of cultures. The technique includes adaptation of the experimental design to the study conditions, in particular to the characteristics of metal NPs and irradiation parameters. Based on the data obtained, the biological functionality of colloidal solutions of NPs was assessed depending on their morphology, size, and structural-phase composition. A comprehensive study of colloidal solutions of metal nanoparticles: silver – AgNPs, iron – FeNPs, magnesium – MgNPs, as potential regulators of the biosynthetic activity of edible and medicinal macromycetes I. obliquusІВК 1877, H. erinaceusІВК 977, L. edodesІВК 2541, P. eryngii ІВК 2035 made it possible to identify patterns of their influence on physiological and biosynthetic processes. The study analyzed the influence of colloidal solutions of nanoparticles on the synthesis of mycelial mass, biologically active substances (polysaccharides, polyphenols, melanins, flavonoids), antioxidant and antimicrobial activity of mycelial mass extracts and culture fluid. The obtained results confirmed that the addition of colloidal solutions of metal NPs to the inoculum stimulates the growth of the mycelial mass of the studied species (I. obliquus, H. erinaceus, L. officinalis, L. edodes, P. eryngii). The greatest effect was observed when using FeNPs and MgNPs, which provided an increase in the mycelial mass of up to 60% compared to the control samples (without the use of metal NPs). It was found that FeNPs and MgNPs actively affect the metabolic activity of the studied species, stimulating the synthesis of polysaccharides and polyphenols, which are the main components of biologically active compounds. Thanks to the integrated approach, it was also possible to study the relationship between the type of metal NPs used and the activity of biosynthetic processes. MgNPs were the most effective in increasing antioxidant activity, while FeNPs promoted the formation of melanin and polyphenols, which significantly enhanced the antimicrobial properties of the culture fluid extracts. During the studies, new scientifically substantiated theoretical and experimental data were obtained on the effect of photoinduced metal NPs on metabolic processes during deep cultivation of edible and medicinal mushrooms. The patterns of the combined effect of low-intensity laser light and colloidal solutions of AgNPs, FeNPs, MgNPs on the synthesis of key biologically active compounds such as polysaccharides, polyphenols, melanins, flavonoids in the mycelial mass of the studied species were established. Spectral sensitivity of macromycetes to the effects of blue laser light in combination with colloidal solutions of metal NPs has been discovered for the first time, which complements modern concepts of photocatalysis in submerged cultivation of medicinal macromycetes. Individual characteristics of producer strains in relation to photoreactions have been determined depending on the spectral composition of radiation sources and the physical properties of the metal NPs of exposure. It has been proven that photocatalysis of colloidal solutions of metal NPs stimulates the metabolic activity of fungi, providing the synthesis of biologically active substances with increased antioxidant and antimicrobial properties. It has been established that the level of accumulation of biologically active compounds after photoactivation of NPs depends on their morphological and physical characteristics. The highest level of phenolic compounds and antioxidant activity for the studied species was noted in the medium with FeNPs, MgNPs in combination with laser irradiation, which makes these NPs the most promising for further use in biotechnology. At the same time, it was found that photoactivation of metal NPs by low-intensity laser light reduced the synthesis of mycelial mass compared to the control (without NPs and irradiation). This indicates the importance of optimizing light exposure modes to achieve maximum efficiency of technological processes. Studies of photobiological reactions of fungi, as well as accumulation of data on the effect of colloidal solutions of biogenic metal NPs and low-intensity laser light on the biosynthetic activity of edible and medicinal macromycetes contribute to a better understanding of the fundamental mechanisms of the effect of NPs and light on fungi. This opens up new prospects for increasing the efficiency of biotechnological processes in the production of biologically active substances. Based on the scientific concept, generalized experimental data, scientific and practical recommendations are provided for intensifying the stages of obtaining mycelial mass with increased content of intracellular polysaccharides, essential unsaturated fatty acids, polyphenolic compounds, melanin, a food product for special medical purposes has been developed. The developed concept of targeted regulation of the biosynthetic activity of medicinal macromycetes demonstrates high efficiency in increasing the biological potential of producer strains. The proposed technologies are based on innovative approaches in both biological and technological aspects, which creates prospects for further development of mycobiotechnologies based on medicinal macromycetes. The materials of the dissertation, covering the spectral and photocatalytic sensitivity of macromycetes, can be used to train specialists in the fields of biotechnology, mycology and photobiology. | |
| dc.format.extent | 52 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/73216 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | біотехнологія | |
| dc.subject | гриби | |
| dc.subject | біологічно активні сполуки | |
| dc.subject | міцеліальна маса | |
| dc.subject | полісахариди | |
| dc.subject | жирні кислоти | |
| dc.subject | фенольні сполуки | |
| dc.subject | меланіни | |
| dc.subject | антимікробна активність | |
| dc.subject | антиоксидантна активність | |
| dc.subject | глибинне культивування | |
| dc.subject | LED та лазерне світло | |
| dc.subject | колоїдні розчини наночастинок металів | |
| dc.subject | biotechnology | |
| dc.subject | fungi | |
| dc.subject | biologically active compounds | |
| dc.subject | mycelial mass | |
| dc.subject | polysaccharides | |
| dc.subject | fatty acids | |
| dc.subject | phenolic compounds | |
| dc.subject | melanins | |
| dc.subject | antimicrobial activity | |
| dc.subject | antioxidant activity | |
| dc.subject | submerged cultivation | |
| dc.subject | LED and laser light | |
| dc.subject | colloidal solutions of metal nanoparticles | |
| dc.subject.udc | 602.3:582.28+577.12.043:582.28](043.3) | |
| dc.title | Біотехнологічні основи регуляції біосинтетичної активності лікарських макроміцетів за допомогою екологічно безпечних фізичних факторів | |
| dc.type | Thesis |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Mykchaylova_ref.pdf
- Розмір:
- 1.88 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: