Жобаның идеясы микробтық ферменттерді – ПЭТ гидролазаларын және ПЭТ гидролитикалық белсенділігі бар штамдарды пайдалана отырып, пластик қалдықтарының ферментативті гидролиз технологиясын әзірлеу болып табылады. Жобаға ПЭТ гидролазалық белсенділігі бар штамдарды іздеу, полиэтилентерефталатты гидролиздейтін ферменттерді алу және зерттеу кіреді. ПЭТ гидролазалары зерттеліп, микроағзалардың полиэтилентерефталатының гидролитикалық белсенділігі анықталады. Жобаның басты мәселесі полигондарда ПЭТ-пластик қалдықтарын биодеградациялау және полиэтилентерефтолатты конверсиялау технологиясын әзірлеу болып табылады.

Өзектілігі

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) әртүрлі салаларда қолданылатын ең танымал және сұранысқа ие материалдардың бірі болып табылады. ПЭТ негізінен шикі мұнайдан өндіріледі және оның өндірісі жылына 30 миллион тоннадан асады. Бұл полимер терефтал қышқылы мен этиленгликольдің қайталанатын бірліктерінен тұрады. ПЭТ беріктігі, химиялық төзімділігі, мөлдірлігі және басқа да қасиеттері оны ыңғайлы орау материалына айналдырды. Дегенмен, ПЭТ-тің жоғары химиялық төзімділігі мен механикалық беріктігі оны кәдеге жаратуда және/немесе қайта пайдалануда қиындықтар туғызады.

Жобаның ғылыми өзектілігі жаңа ферменттер – ПЭТ гидролазаларын зерттеуде, олардың гидролитикалық қасиеттері мен тұрақтылығын жақсарту мақсатында модификациялауда. Жобаның практикалық маңыздылығы пластикалық қалдықтарды қайта өңдеуде пайдалануға бағытталған жаңа биологиялық өнімдерді шығаруда – оларды қоршаған орта үшін қауіпсіз қарапайым заттарға ыдыратуда. Жоба нәтижелерін ПЭТ қалдықтарын бастапқы заттарға гидролиздеу үшін де қолдануға болады: терефтал қышқылы мен этиленгликоль ПЭТ өнімдерін кейіннен синтездеу, сондай-ақ қалдықтарды ПЭТ гидролитикалық микроағзалармен толық биоутилизациялау.

Микробиология, биохимия, протеомика, молекулалық биология, биотехнология әдістері қолданылады.

Жобаның мақсаты

Жобаның мақсаты – ПЭТ пластик қалдықтарын биологиялық кәдеге жарату және конверсиялау үшін бактериалды ПЭТ гидролазаларын алу, зерттеу және бағытты модификациясы.

Микроағзалар пластикалық қалдықтар жинақталған жерлерден жиналады: қала үйінділерінің аумақтарынан, полигондардан, қатты тұрмыстық қалдықтар жинақталған жерлерден. Бөлініп алынған изоляттарды сәйкестендіру штаммдардың морфологиялық, биохимиялық, молекулалық-генетикалық және протеомдық талдауы негізінде жүзеге асырылады. Нәтижесінде ПЭТ гидролиздік белсенділігі бар штаммдардың топтамасы жасалады.

Секреторлық протеома мен лизаттан жасушадан тыс және жасушаішілік ПЭТ гидролазалары бөлініп алынады. Оларды анықтау молекулалық салмаққа, 2D электрофорез деректеріне және nanoHPLC-Q/TOF көмегімен масс-спектрометриялық зерттеулер нәтижелеріне негізделеді.

Гендік инженерияның бағытталған және бағытталмаған мутагенез әдістері арқылы рекомбинантты ПЭТ гидролазалары алынып, аффиндік хроматография ақылы тазартылады.

Табиғи және модификацияланған ПЭТ гидролазаларының биохимиялық сипаттамалары зерттеледі. Ферменттік белсенділіктің көрсеткіштері, ферменттердің белсенділігіне рН пен температураның әсері анықталды, ферменттердің температурасы мен рН тұрақтылығы анықталды, металл иондарының, еріткіштер және детергенттердің әсері зерттелді; субстраттық арнайылығы анықталып, кинетикалық сипаттамалары белгіленді.

ПЭТ пластик қалдықтарының (бөтелкелер, үлбір) ферментативті гидролизі бойынша үлгілік тәжірибелер жүргізіледі.

Ең белсенді ПЭТ гидролазаларымен полиэтилентерефталаттың гидролиз деңгейі мен гидролиз өнімдері анықталады. ПЭТ гидролиздеуші микроағзаларды пайдалана отырып, ПЭТ пластмассасының гидролизі және биологиялық кәдеге жаратылуы бойынша үлгілік тәжірибелер жүргізілетін болады. ПЭТ пластмассасының ыдырау деңгейі, микробтық массаның ұлғаюы және қатар жүретін факторлардың биодеградацияға әсері бағаланады.

Жоба жетекшісі

Силаев Дмитрий Витальевич (Scopus Author ID: 57219323485, ResearcherID: AAQ-8940-2020, ORCID: 0000-0001-6867-953X)

Зерттеу тобының мүшелері

Хасенов Бекболат Бауржанович (Scopus Author ID: 36096620800, ResearcherID: AAM-8657-2020, ORCID: 0000-0003-4572-948X)

Кирибаева Асель Калиаскаровна (Scopus Author ID: 57215499873, ResearcherID: N-6774-2017, ORCID: 0000-0002-8293-2340)

Мусахметов Арман Сартамбаевич (Scopus Author ID: 57203751227, ResearcherID: AAQ-9945-2020, ORCID: 0000-0002-6182-3487)

Сарсен Арайлым (ResearcherID: AED-8089-2022 ORCID: 0000-0002-6071-430X)

Шамсиева Юлия (ResearcherID: AFX-3509-2022 ORCID: 0000-0002-3136-6000)

Жоба жетекшісінің және зерттеу тобы мүшелерінің жоба тақырыбына қатысты жарияланымдары мен қорғау құжаттары

1. Aktayeva S., Baltin K., Kiribayeva A., Akishev Zh., Silayev D., Ramankulov Ye., Khassenov B. Isolation of Bacillus sp. A5.3 Strain with Keratinolytic Activity // Biology (MDPI). 2022, Vol 11, Issue 2, e244. https://doi.org/10.3390/biology11020244. Q1, Impact Factor 5.168, Cite Score 3.3, Percentile 79.
2. Kiribayeva A., Mukanov B., Silayev D., Akishev Zh., Ramankulov Ye., Khassenov B. Cloning, expression, and characterization of a recombinant xylanase from Bacillus sp. T6 // PLoS One. 2022. Vol.17(3). e0202232. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0202232. Q2, Impact Factor 3.24, Cite Score 5.3, Percentile 92.
3. Nurtaza A., Magzumova G., Yessimseitova A., Karimova V., Shevtsov A., Silayev D., Ramankulov Y., Kakimzhanova A. Micropropagation of the endangered species Malus niedzwetzkyana for conservation biodiversity in Kazakhstan // In Vitro Cellular and Developmental Biology – Plant, 2021, Vol.57(6), P. 965–976 https://doi.org.10.1007/s11627-021-10174-4. Q2, Impact Factor 2.252, CiteScore=3.1, Percentile 70.
4. Aipova R., Abdykadyrova A., Silayev D., Tazabekova E., Oshergina I., Ten E., Kurmanbayev A. The fabrication of the complex bio-fertilizer for wheat cultivation based on collection bacteria of the pgpr group // Biodiversitas, 2020, Vol.21(11), P. 5032–5039 https://doi.org/10.13057/biodiv/d211107. CiteScore 1.3, Percentile 40.
5. Kiribayeva A., Silayev D., Abdullayeva A., Shamsiyeva Yu., Ramankulov Ye., Khassenov B. Hydrolysis of plant biomass using recombinant alpha-amylase from Bacillus licheniformis and xylanase from Bacillus sonorensis // Eurasian Journal of Applied Biotechnology, 2022. No. 4. P.31-39 https://doi.org/10.11134/btp.4.2022.4. РИНЦ-0,117.
6. Kiribayeva A.K., Mukanov B.A., Baduanova S.D., Silayev D.V., Ramankulov Ye.M., Khassenov B.B. Isolation and study of a recombinant carbohydrase xylanase from Bacillus licheniformis // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. 2019. Iss.1. pp.68-72. doi:10.11134/btp.1.2019.8. РИНЦ 0,117.
7. Akishev Zh., Aktayeva S., Kiribayeva A., Abdullaeva A., Baltin K., Mussakhmetov A., Tursunbekova A., Ramankulov Ye., Khassenov B. Obtaining of Recombinant Camel Chymosin and Testing Its Milk-Clotting Activity on Cow’s, Goat’s,
   Ewes’, Camel’s and Mare’s Milk // Biology (MDPI). 2022, Vol 11, Issue 11, e1545. https://doi.org/10.3390/biology11111545. Q1, Impact Factor 5.168, Cite Score 3.3, Percentile 79.
8. Akishev Zh., Kiribayeva A., Mussakhmetov A., Baltin K., Ramankulov Ye., Khassenov B. Constitutive expression of Camelus bactrianus prochymosin B in Pichia pastoris // Heliyon. 2021. Volume 7, Issue 5, e07137. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e07137. Q2, Impact Factor 3.776, Cite Score 2.7, Percentile 75.
9. Matta E., Kiribayeva A., Khassenov B., Matkarimov B., Ishchenko A. Insight into DNA substrate specificity of PARP1-catalysed DNA poly(ADP-ribosyl)ation // Scientific Reports. 2020. Vol.10(1), 3699. pp.1-11. https://doi.org/10.1038/s41598-020-60631-0. Q1, Impact Factor 4.38, Cite Score 7.1, Percentile 93.
10. Mussakhmetov A., Shumilin I.A., Nugmanova R., Shabalin I.G., Baizhumanov T., Toibazar D., Khassenov B., Minor W., Utepbergenov D. A transient post-translational modification of active site cysteine alters binding properties of the parkinsonism protein DJ-1 // Biochemical and Biophysical Research communications. 2018. Vol.504(1). Pp. 328-333. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2018.08.190. Q2, Impact Factor 3.572, CiteScore 5.5, Percentile 62.
11. Turgimbayeva A, Abeldenov S, Zharkov D.O, Ishchenko A.A, Ramankulov Y, Saparbaev M, Khassenov B. Characterization of biochemical properties of an apurinic/apyrimidinic endonuclease from Helicobacter pylori // PLoS One. 2018. Vol.13(8). e0202232. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0202232. Q2, Impact Factor 3.24, Cite Score 5.3, Percentile 92.

Алынған нәтижелер

Топырақ үлгілері пластик қалдықтары жиналған орындардан: «ЭКО Полигон Астана» ЖШС және Алматы қалалық полигондарынан алынды. Алынған үлгілер селективті агенттері бар қатты қоректік ортаға егілді: Tween-20, кальций хлориді және трибутирин. Он үш изолят бөлініп алынып, эстеразалық белсенділікке тексерілді. Бөлініп алынған микроағзаларды айқындау MALDI-TOF BRUKER Biotyper протеомикалық талдауы және 16S рРНҚ фрагментінің секвенерлеу арқылы жүзеге асырылды. Нәтижесінде келесі штаммдар анықталды: Bacillus megaterium, Yersinia intermedia, Serratia liquefaciens, Bacillus simplex, Bacillus cereus, Bacillus thuringiensis, Bacillus sonorensis, Bacillus licheniformis, Aeromonas veronii. Көрсетілген штаммдар ПЭТ гидролитикалық ферменттерін индукциялау үшін трибутирин қосылған ортада өсірілді. Секреторлық ферменттер жоғары жылдамдықты центрифугалау және сүзу арқылы жасуша массасынан бөлінді.

Табиғи ПЭТ гидролазаларын тазарту аммоний сульфатымен отырғызу және хроматографиялық бөлу арқылы жүзеге асырылды. ПЭТ гидролазаларының идентификациясы SDS-PAGE көмегімен ақуыздық масс-спектрометрия және протеомикамен бірге жүргізілді. Масс-спектрометриялық мәліметтер негізінде бөлініп алынған нативті ПЭТ гидролазаларының молекулалық массасы 32-ден 40 кДа-ға дейінгі аралықтағы эстеразалар класына жататындығы анықталды.

Алынған ПЭТ гидролаза үлгілері спецификалық p-нитрофенилді субстраттар (ацетат, бутират, октанат) көмегімен эстеразалық белсенділіктің болуына зерттелді. Қазіргі уақытта ПЭТ гидролаза гендерін клондау жүргізілуде.