Миллиондаған пластик қалдықтары жаһандық экологиялық проблемалардың себебі болып табылады. Қазақстанда жыл сайын 5 миллионнан астам қатты тұрмыстық қалдықтар түзіледі, оның 10-15 пайызы пластик. Бұл отандық, арнайы, экологиялық таза полимерлік материалдарды жасау үшін күшті ынталандыру, олардың бірі поли-3-гидроксибутират (ПГБ) және оның сополимерлері.

Олар энергия жинақтаушы заттар ретінде көптеген топырақ микроорганизмдерінің жасушаларында синтезделеді. ПГБ артықшылығы олардың адам тіндерімен биоүйлесімділігі, биологиялық ыдырайтындығы, термопластикалық, оптикалық белсенділік және антиоксиданттық қасиеттері бар. Биопластика жоғары сұранысқа ие және жан-жақты қолданбалы өнімге айналуы мүмкін. Ұсынылған деректерге сәйкес, ПГБ материалдары мұнай-химия туындыларына негізделген пластмассаларға эко-балама ретінде жоғары әлеуетке ие.        

Өзектілігі

Жыл сайын пластмасса өндірісі геометриялық түрде артып келеді. Соңғы 50 жылда пластмасса өндірісі 22 есе өсті, бұл соңғы онжылдықта шамамен 180 миллиард АҚШ долларын бөлуге қызмет етті. Қазіргі уақытта әлемдегі барлық қалдықтардың 80% – ы пластиктен тұрады, ол ұзақ уақыт бойы ыдырамайды (шамамен 100 жыл).

Осыған байланысты АҚШ – тағы NatureWorks, Жапониядағы Mitsubishi Chemicals және Еуропадағы BASF және Novamont сияқты биологиялық ыдырайтын пластиктердің ауқымды өндірушілері биопластиктерді әзірлеуді өзектендіруде. Биологиялық ыдырайтын Пластмассаларды пайдалану бүкіл әлемде тез өсу тенденциясын көрсетеді. Ол жыл сайын 27% – ға дейін өседі. Сонымен қатар, биологиялық ыдырайтын Пластмассалардың өндірісі тек 12% құрайды.

Микроорганизмдер жоғары молекулалы полигидроксиалканаттардың әртүрлі түрлерін шығарады және олардың ішінде ПГБ ең көп таралған болып саналады. Химиялық тұрғыдан алғанда, мұндай полиэфирлер қайталанатын гидроксиацил мономерлері болып табылады, ал олардың жалпы формуласы [-O-CH(R) –CH2-CO-] n. r = CH3 тобы биологиялық ыдырау қабілеті және термиялық тұрақтылық сияқты сипаттамаларына байланысты осы биополиэфирлерді коммерцияландыру үшін маңызды. Биопластика өндірісі үш бағытта жүреді: мономерлерден синтездеу арқылы, микроорганизмдермен ашыту арқылы және полилактаттар сияқты сүт қышқылының туындыларын полимерлеу арқылы. Биологиялық ыдырайтын Пластмассалардың ішінен әртүрлі полиэфирлер, гликоль қышқылы, полимерлер, полигидроксибутират және оның май қышқылдары және т. б. Дегенмен, экологиялық таза полимерлер өндірісі мұнай негізіндегі пластик өндірісінен әлдеқайда төмен емес.

Термопластикадан басқа, ПГБ оптикалық белсенділікке, антиоксиданттық қасиеттерге, пьезоэлектрлік әсерге ие және ең бастысы, олар биологиялық ыдырайтын және биоүйлесімділікпен сипатталады. ПГБ-ның айтарлықтай мөлшері бактерияларды ұрпақтан сақтайды: Alcaligenes, Chromatium, Hyphomicrobium, Methylobacterium, Nocardia, Pseudomonas, Rhizobium, Spirillum, Streptomyces. Алайда, биополимердің өнеркәсіптік биосинтезі үшін тек бірнеше микроорганизмдер перспективалы: Bacillus, Alcaligenes, Ralstonia, Azotobacter және Methylobacterium. Олар полиэфирлерді қол жетімді субстраттарға жинай алады.

Мақсаты

Тұрмыстық және биомедициналық мақсаттарға арналған биологиялық ыдырайтын пластмассалардың көзі ретінде полигидроксибутират түзетін штаммдарды оқшаулау және анықтау.

Күтілетін нәтижелер

Зерттеу нәтижелері микробтық биосинтез процестерін басқару және өнеркәсіптің, тұрмыстың және медицинаның әртүрлі салаларындағы биосинтезді басқару туралы білімді тереңдетуге мүмкіндік береді. Биомедициналық қажеттіліктер үшін алынған полимерлі композиттің коммерциялануына шығу ықтималдығы жоғары. Қазақстанда ПГБ-ның қолданыстағы өндірісі жоқ, сондықтан осы саладағы зерттеулер біздің еліміз үшін жаңа және жоғары дәрежеде өзекті болып табылады. Бүгінгі таңда бұл жобаны зерттеу тақырыбы Қазақстанның жасыл экономикасының талаптары мен өлшемдеріне толық сәйкес келеді және көптеген елдерде зерттелуде. Микробиологиялық өндірушілерді енгізу биологиялық зерттеулердің әлеуетін және оларды өнеркәсіпте қолдануды едәуір кеңейтуге мүмкіндік береді.

Жоба жетекшісі

Рысбек А.Б. Индекс Хирша – 1; ResearcherID Q-2325-2017; ORCID 0000-0001-8290-0552; Scopus Author ID 57415916300

Зерттеу тобының мүшелері

Абельденов С.К. Индекс Хирша – 4; ResearcherID F-5139-2015;ORCID 0000-0002-6974-9138; Scopus Author ID 56674705400

Тургимбаева А.М. Индекс Хирша – 2; ResearcherID N-6857-2017; ORCID 0000-0001-7263-1643; Scopus Author ID 57202383621

Жумакаев А.Р. Индекс Хирша – 3; ORCID 0000-0001-9022-0741; Scopus Author ID: 57193544703; SciProfiles: 1937315; Loop profile: 1987375

Кириллов С.О. Индекс Хирша – 1; ResearcherID N-6322-2017; ORCID 0000-0001-6229-5762

Шайзадинова А.М. Индекс Хирша – 2; ORCID 0000-0002-5911-3064; Scopus Author ID: 57224822522

Жоба басшысының және зерттеу тобы мүшелерінің жарияланымдары мен қорғау құжаттары

1. Comparative Characterization and Identification of Poly-3-hydroxybutyrate Producing Bacteria with Subsequent Optimization of Polymer Yield. Rysbek A., Ramankulov Y, Kurmanbayev A, Richert A, Abeldenov S. Polymers. 2022; 14(2): 335. 16 p. https://doi.org/10.3390/polym14020335. Цитирования – 1, Q1
2. Microbiological preparation of polyhydroxybutyrate (PHB) when irradiated with ultraviolet light. A. Rysbek, A. Kurmanbayev, U. Jankiewicz, A. Richert. Virtual International Conference „Plant productivity and food safety: Soil science, Microbiology, Agricultural Genetics and Food quality” Nicolaus Copernicus University in Torun, Poland. 15-16.09.2022
3. Получение эффективного продуцента полигидроксибутирата (ПГБ) при облучении ультрафиолетом бактерий рода Bacillus и Azotobacter. Рысбек А.Б., Курманбаев А.А. Сборник материалов Международной научно-практической конференции «Современные Проблемы Биотехнологии: От Лабораторных Исследований К Производству», 2021 г., КазНУ имени аль-Фараби, Алматы, Казахстан, С. 218-220.
4. Creation of a collection of microorganisms – destructors of organic substances that are promising for bioremediation of technogenic disturbed lands in Kazakhstan / Baigonusova Zh.A., Rysbek A.B., Kurmanbaev A.A. abstract/ 2nd International Conference «Plants and Microbes: The Future of Biotechnology», Saratov, October 5-9, 2020.
5. Microbiological production of polyhydroxbutyrates from renewable sources. Rysbek A., Kurmanbayev A. Eurasian Journal of Applied Biotechnology No2. (2020) p. 24 – 38.
6. Изучение Морфолого-Физиологических Свойств Продуцентов Поли-3-Гидроксибутирата. Рысбек А.Б., Курманбаев А.А. Материалы международной научной конференции студентов и молодых ученых «Фараби Əлемі». Алматы, Казахстан, 6-9 апреля 2020 г. – 341 с.
7. The Effects of a Biopreparation on Legume (Pisum Sativum) / Martynenko V.V., Rysbek A.B., Kurmanbayev A.A., Baigonusova Zh.A. Eurasian Journal of Applied Biotechnology No2. (2020) p. 100 – 103.
8. Thiol-Ene Click Synthesis of Alginate Hydrogels Loaded with Silver Nanoparticles and Cefepime. Akhmetkarimova, Zh.S., Kudaibergen, G.K., Kaukabaeva, G.K., Abeldenov, S.K., & Rysbek, A.B. (2023) Eurasian Journal of Chemistry. https://doi.org/10.31489/2959-0663/2-23-14.
9. Isolation and study of effective biocellulose producers / Nagmetova G., Rysbek A., Kurmanbayev A. Proc. Of Europian Biothecnology Congress / Abstracts / Journal of Biotechnology (2019) p. 33–88. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2019.05.135.  Q2.
10. Создание коллекции активных штаммов бактерий – деструкторов органического Вещества / Рысбек А. Б., Байгонусова Ж. А., Курманбаев А.А. 56 «Вклад молодых ученых в инновационные технологии для АПК», посвященная 80- летию академика Сулейменова М.К.: Сб. докладов, тезисов Республиканской научной конференции молодых ученых. – Шортанды, 2019.-C. 115-118.
11. Выделение и исследование азотофиксирующих штаммов микроорганизмов, перспективных для разработки препарата под зернобобовые культуры / Рысбек А. Б., Байгонусова Ж. А., Курманбаев А.А. 56 «Вклад молодых ученых в инновационные технологии дя АПК», посвященная 80- летию академика Сулейменова М.К.: Сб. докладов, тезисов Республиканской научной конференции молодых ученых. – Шортанды, 2019.-C. 111-115.

Зерттеу тобының патенттері

1. Bacillus aryabhattai RA 5 тектес бактериялардың штаммы-биопластика жасау үшін қолданылатын полигидроксибутират өндірушісі. Патент № 7433 ҚР 2022/0550.2, 2022.
2. Escherichia coli Arctic Express рекомбинантты штаммы(DE3)Rp/Papa, Фосфогидролаза өндіретін AppA патент № 30999, 2016;
3. Pichia Pastoris x-33/AppA рекомбинантты штаммы, AppA бактериялық фитазасын шығарады, патент № 32368, 2017 ж;
4. Thermus thermophilus бактерияларының термостабильді рекомбинантты ДНҚ полимеразасын шығаратын Escherichia coli bl21(DE3) / ptls штаммы, Патент № 33100, 2018;
5. Гибридті өсірілген жануарлар жасушаларының штаммы mus musculus L. – Mab / 1E7-Her-2/ECD-эпидермиялық өсу факторы рецепторы her-2/Neu моноклоналды жасушадан тыс Домен антиденелерінің (Her-2 / ECD) өндірушісі, Патент № 106734, 2019;
6. Гибридті өсірілген жануарлар жасушаларының штаммы Mus Musculus L.-ki 67 жасуша пролиферациясының маркеріне моноклоналды антиденелер өндірушісі, Патент № 35390, 2021;

Қол жеткізілген нәтижелер

2023 ж.

Ақмола облысы, Ерейментау ауданы, Көбейтұз көлінен ПГБ өндірушілерінің 5 перспективалы штаммы бөлінді. Олардың морфологиялық және физиологиялық-биохимиялық қасиеттері зерттелді. Таңдалған изоляттарды сәйкестендіру жүргізілді. ПГБ синтаза генін күшейту үшін праймер дизайны дайындалды.

2024 жыл бойынша

Продуценттерді өсіру 120 сағат (5 күн) бойы мерзімді жаңарту әдісімен, оңтайлы экофизиологиялық жағдайларда жүргізілді, бұл кезде ПГБ концентрациясы 72-ші сағатта 18,03 г/л-ге жетті. Ультракүлгін сәулемен сәулелендіру нәтижесінде 2 штаммнан 3 продуцент алынды, олардың колониялары әртүрлі құрылым мен пішінге ие болды. Абиотикалық стресстік факторлардың, соның ішінде ауыр металдардың (CoCl₂, CuSO₄, FeCl₃, MnCl₂, ZnSO₄·7H₂O), NaCl тұзының 10%-ға дейінгі концентрациясының, ортаның қышқылдығының (pH 5–9) және температураның 20°C-тан 40°C-қа дейінгі диапазонының әсерінен тиімді продуцент алынды. Штаммдар сыртқы факторларға әртүрлі төзімділік дәрежесін көрсетті. ПГБ продуценттері үшін көміртек көздерін пайдалану профилі зерттелді. Барлық зерттелген штаммдар әртүрлі көміртек көздері бар ортада қарқынды өсу көрсетті. Сонымен қатар, микроорганизмдер штаммдарына әртүрлі пестицидтердің (метрибузин, тиаметаксам, клопирамид) әсері бойынша нәтижелер алынды. Жалпы, нәтижелер пестицидтердің әсері олардың концентрациясына және штамм түріне байланысты екенін көрсетеді, бұл бұл заттарды қолдану кезінде ескерілуі тиіс маңызды фактор болып табылады.

2025 жылдың 1-тоқсаны бойынша

П3ГБ продуценті бөлініп алынып, трансмиссиялық электрондық микроскопия (ТЭМ) әдісі арқылы расталды, бұл әдіс әрбір жасушада 10-нан астам тығыз П3ГБ гранулаларының болуын көрсетті. Бөлінген полимердің тазалығы Фурье түрлендірулі инфрақызыл спектроскопия (FTIR) көмегімен бағаланды. Алынған полимер кейінірек мембрана жасау үшін пайдаланылды, ол су буының, оттегінің, көмірқышқыл газының өткізгіштігіне және биожұқа қабықты тесуге қарсы төзімділігіне сынақтан өтті. П3ГБ негізіндегі алынған мембрана болашағы зор тосқауылдық қасиеттерге ие болып, оны биомедициналық құрылғыларды қоса алғанда, әртүрлі өнеркәсіптік салаларда қолдануға болатынын көрсетеді.

1. Rysbek, A.; Jankiewicz, U.; Pogorzelska-Nowicka, E.; Wyrwisz, J.; Abeldenov, S.; Mirończuk, A.M.; Richert, A. Evaluation of the Method of Periodic Medium Renewal of Bacillus aryabhattai RAF 5 and Analysis of P(3HB) Production. Polymers 2025, 17, 968. https://doi.org/10.3390/polym17070968 Процентиль 81, Q1, Импакт-фактор: 4.7
2. Richert, A.; Hejda, N.; Swiontek Brzezinska, M.; Rysbek, A. Selected Biological Properties and Practical Importance of Polylactide Films Containing Dyes, in Proceedings of the 5th International Electronic Conference on Foods, 28–30 October 2024, Foods, MDPI: Basel, Switzerland
3. Thiol-Ene Click Synthesis of Alginate Hydrogels Loaded with Silver Nanoparticles and Cefepime. Akhmetkarimova, Zh.S., Kudaibergen, G.K., Kaukabaeva, G.K., Abeldenov, S.K., & Rysbek, A.B. (2023). Eurasian Journal of Chemistry. https://doi.org/10.31489/2959-0663/2-23-14. Импакт-фактор: 0.6, Q4, Процентиль: 13.7%