Канарейки, когда-то использовавшиеся в шахтах для предсказания утечек газа, были первыми биосенсорами. Сегодня их место заняли микроорганизмы и ферменты, которые активно изучаются в подмосковном Пущино. Ученые из Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН разрабатывают методы, позволяющие бактериям не только сигнализировать об угрозах, но и очищать сточные воды, определять качество зерна для спиртового производства и даже генерировать электричество, необходимое для медицинских имплантов. Подробности о том, как сделать микробы «умными датчиками», а также о производстве графена с их помощью, рассказывает заведующая лабораторией биосенсоров ИБФМ РАН, кандидат биологических наук Юлия Викторовна Плеханова в интервью газете «МК в Серпухове, Протвино, Пущино».

По словам Юлии Плехановой, биосенсоры уже давно вошли в нашу повседневную жизнь. Их применение не ограничивается лишь сложными лабораторными установками, но охватывает и привычные медицинские устройства, такие как глюкометры и тесты на беременность.

В лаборатории биосенсоров ИБФМ РАН используются электрохимические методы анализа. В этом процессе биологический компонент отвечает за распознавание целевого вещества, в то время как прибор преобразует реакцию в измеряемый сигнал. В этом марте лаборатория отметила свое 25-летие, и основателем данного направления является доктор химических наук Анатолий Николаевич Решетилов.

На сегодняшний день коллектив лаборатории сосредоточен на двух основных направлениях исследований. Одним из наиболее перспективных является использование микроорганизмов для генерации электричества. Несмотря на то что каждая отдельная клетка производит крайне малое количество энергии, этого может быть достаточно для питания медицинских имплантов или миниатюрных сенсоров.

Однако главной проблемой по словам исследователей остается низкая электропроводность живых клеток. Для решения этой задачи ученые ИБФМ РАН применяют графен. Вместо традиционного химического синтеза, они выбрали биотехнологический подход: микроорганизмы восстанавливают оксид графена до проводящего состояния в процессе роста биопленки.

В качестве модельного микроорганизма используется Gluconobacter oxydans. Эти бактерии формируют биопленку на поверхности электрода и одновременно синтезируют проводящий графен в мягких условиях без применения агрессивной химии. Полученные биопленки могут быть использованы как «живые» генераторы электрического тока или как высокочувствительные элементы биосенсоров.

Практическое применение разработок лаборатории уже охватывает как пищевую промышленность, так и экологический мониторинг. Исследователи разработали четырехканальный биосенсор для контроля процессов спиртового производства, позволяющий одновременно отслеживать концентрацию глюкозы, спирта и степень загрязнения сточных вод.

Дополнительные ферментные системы помогают оценивать качество зерна и эффективность брожения, что позволяет определить оптимальный момент завершения технологического процесса. Отдельное направление исследований связано с определением биологического потребления кислорода (БПК), что является одним из ключевых показателей загрязнения воды органическими веществами.

По словам ученых, с помощью биотопливных элементов удавалось очищать сточные воды от органических загрязнений на 70%. Лаборатория также разрабатывает системы для определения пестицидов, фенольных соединений, фосфорорганических веществ, мочевины и глюкозы в продуктах питания и объектах окружающей среды. Сходимость полученных результатов с классическими лабораторными методами составляет 96–97%.

Юлия Плеханова подчеркивает, что микроорганизмы являются практически универсальным инструментом для подобных исследований. Исследователи уверены, что в будущем биосенсоры станут важной частью интеллектуальных систем управления и биоэкономики, способствуя не только обнаружению загрязнений, но и автоматическому запуску процессов очистки, а также функционированию за счет той среды, которую они сами очищают.