Многомиллионные пластиковые отходы являются причиной глобальных экологических проблем. В Казахстане ежегодно формируется более 5 миллионов твердых бытовых отходов, из них пластик 10-15 %. Это является мощным стимулом для создания отечественных, специальных, экологически чистых полимерных материалов, одним из которых является поли-3-гидроксибутират (ПГБ) и его сополимеры.

Они синтезируются в клетках многих почвенных микроорганизмов как запасные вещества энергии. Преимуществами ПГБ являются то, что они биосовместимы с тканями человека, биоразлагаемы, обладают термопластичностью, оптической активностью и антиоксидантными свойствами. Биопластики пользуются большим спросом и могут стать универсальным прикладным продуктом. По представленным данным, материалы из ПГБ имеют высокий потенциал как эко-альтернатива пластиков на основе нефте-химических производных.

Актуальность

С каждым годом производство пластика увеличивается геометрически. За последние 50 лет производство пластика увеличилось в 22 раза, что послужило выделению около 180 млрд. долларов США только за последние десятилетие. В настоящее время 80% всех отходов в мире составляют пластик, который не поддается разложению на протяжении длительного времени (порядка 100 лет).

В связи с этим актуализируется разработка биопластиков масштабными производителями биоразлагаемых пластиков, такими как в США NatureWorks, в Японии Mitsubishi Chemicals, и в Европе – BASF и Novamont. Использование биоразлагаемых пластмасс демонстрирует тенденцию к быстрому росту по всему миру. Он увеличивается до 27% каждый год. Кроме того, производство самих биоразлагаемых пластмасс составляет всего до 12%.

Микроорганизмы производят различные типы высокомолекулярных полигидроксиалканоатов, и среди них ПГБ считается наиболее распространенным. Химически, такие полиэфиры представляют собой повторяющиеся гидроксиацильные мономеры, в то время как их общая формула [-O-CH(R) –CH2 -CO-] n. Группа R = CH₃ важна для коммерциализации этих биополиэфиров из-за ее характеристик, таких как способность к биологическому разложению и термическая стабильность. Производство биопластиков идет по трем направлениям: путем синтеза из мономеров, за счет ферментации микроорганизмами и благодаря полимеризации производных молочной кислоты, как полилактатов. Из числа биоразлагаемых пластиков можно выделить различные полиэфиры, гликолевую кислоту, полимеры, полигидроксибутират и его жирные кислоты и т.д. Но, все же, производство экологичных полимеров ненамного уступает производству пластика на нефтяной основе.

Помимо термопластичности, ПГБ обладают оптической активностью, антиоксидантными свойствами, пьезоэлектрическим эффектом и, что самое главное, они характеризуются биоразрушаемостью и биосовместимостью. Заметные количества ПГБ накапливают бактерии из родов: Alcaligenes, Chromatium, Hyphomicrobium, Methylobacterium, Nocardia, Pseudomonas, Rhizobium, Spirillum, Streptomyces. Однако лишь несколько микроорганизмов являются перспективными для промышленного биосинтеза биополимера: Bacillus, Alcaligenes, Ralstonia, Azotobacter и Methylobacterium. Они способны накапливать полиэфиры на доступных субстратах.

Цель

Целью предлагаемого исследования является выделение и идентификация штаммов, продуцирующих полигидроксибутират, в качестве источника биоразлагаемых пластмасс для бытовых и биомедицинских целей.

Ожидаемые результаты

Результаты исследований позволят углубить знания по управлению процессами микробного биосинтеза и управлению биосинтеза в различных областях промышленности, быта и медицины. Имеет высокую вероятность выхода на коммерциализацию полученного полимерного композита для биомедицинских нужд. В Казахстане нет действующего производства ПГБ, поэтому исследования в данной области являются новыми и высокой степени актуальными для нашей страны. На сегодняшний день тема изучения данного проекта полностью соответствует требованиям и критериям зеленой экономики Казахстана и исследуется во многих странах. Внедрение микробиологических продуцентов позволят существенно расширить потенциал биологических исследовании и их применение в индустрии.

Руководитель проекта

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

Члены исследовательской группы

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

Публикации и охранные документы руководителя проекта и членов исследовательской группы

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.

Патенты исследовательской группы

1. Штамм бактерий рода Bacillus aryabhattai Ra 5 – продуцент полигидроксибутирата, используемый для получения биопластика. Патент № 7433 РК 2022/0550.2, 2022.
2. Рекомбинантный штамм Esсherichia coli ArcticExpress(DE3)RP/pAppA, продуцирующий фосфогидролазу AppA Патент № 30999, 2016;
3. Рекомбинантный штамм Pichia pastoris X-33/AppA, продуцирующий бактериальную фитазу AppA, Патент № 32368, 2017;
4. Штамм Esсherichia coli BL21(DE3)/pTth, продуцирующий термостабильную рекомбинантную ДНК полимеразу бактерии Thermus thermophilus, Патент № 33100, 2018;
5. Штамм гибридных культивируемых клеток животных Mus musculus L. – Mab/1E7-Her-2/ECD — продуцент моноклональных антител к внеклеточному домену (Her-2/ECD) рецептора эпидермального фактора роста Her-2/neu, Патент № 106734, 2019;
6. Штамм гибридных культивируемых клеток животных Mus Musculus L. — продуцент моноклональных антител к биомаркеру клеточной пролиферации Ki 67, Патент № 35390, 2021;

Достигнутые результаты

2023 г.

Было выделено 5 перспективных штаммов продуцентов ПГБ из озера Кобейтуз, Ерейментауского района, Акмолинской области. Были изучены их морфологические и физиолого-биохимические свойства. Была проведена идентификация отобранных изолятов. Подготовлен дизайн праймеров для амплификации гена ПГБ-синтазы.

За 2024 год

Культивирование продуцентов проводили при оптимальных экофизиологических условиях методом периодического обновления в течение 120 часов (5 дней), при этом концентрация ПГБ достигала 18,03 г/л к 72-м часам. При облучении ультрафиолетом получили 3 продуцента из 2-х штаммов, колонии имели различную структуру и форму. Был получен эффективный продуцент при воздействии абиотических стрессовых факторов, включая тяжелые металлы (CoCl₂, CuSO₄, FeCl₃, MnCl₂, ZnSO₄·7H₂O), соль NaCl до 10%, кислотность среды (pH 5–9) и температуру в диапазоне от 20°C до 40°C. Штаммы демонстрировали разную степень устойчивости к внешним факторам. Был исследован профиль использования источников углерода ПГБ-продуцентами. Все испытуемые штаммы проявили обильный рост в среде с различными углеродными источниками. Также были получены результаты воздействия различных пестицидов (метрибузин, тиаметаксам, клопирамид) на штаммы микроорганизмов. В целом, результаты предполагают, что эффект пестицидов зависит как от концентрации, так и от типа штамма, что важно учитывать при применении этих веществ.

За 2025 год

Продуцент П3ГБ был выделен и подтвержден с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ), которая выявила наличие более 10 плотных гранул П3ГБ на ячейку. Чистоту выделенного полимера оценивали с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Полученный полимер позже был использован для создания мембраны, которая затем была протестирована на проницаемость для водяного пара, кислорода, углекислого газа и на прокол биопленки. Полученная мембрана на основе П3ГБ обладает многообещающими барьерными свойствами, что указывает на их пригодность для различных промышленных применений, включая биомедицинские устройства.

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%