Наименование проекта: Биологически активные добавки и биостимуляторы на основе микроводорослей для применения в аграрной и пищевой промышленности  

Научный руководитель проекта: д.б.н., профессор, академик НАН РК Заядан Б.К.

Цель проекта - Разработать технологию получения биологически активных добавок и биостимуляторов для применения в аграрной и пищевой промышленности на основе производственно-ценных штаммов микроводорослей.

НОУ-ХАУ

Микроводоросли являясь источником множества ценных соединений, представляют большой интерес в аграрной, медицинской, косметической и пищевой промышленностях как новые и безопасные источники биологически активных препаратов. Они характеризуются иммуномодулирующим, антиоксидантным, антиметастатическим действием, способным тормозить развитие злокачественных образований в организме человека и животных. Биологически активные добавки на основе данных организмов представляют собой натуральные, доступные по цене, экологически безопасные профилактические биопрепараты, не вызывающие побочных реакций, не обладающие противопоказаниями к применению.  

Актуальность и новизна

Микроводоросли содержат до 50-70% легкоусвояемого белка (к сравнению до 50% в мясе и 15-17% в пшенице), до 30% липидов, более 40% глицерина, до 8-14% пигментов, в том числе каротина и довольно высокая концентрация витаминов B1, B2, B3, B6, B12, E, K, D по сравнению с другими растениями или животными. Пищевые микроводоросли являются хорошим источником белков, незаменимых аминокислот, фитостеринов, углеводов, витаминов, характеризуются уникальным сочетанием биологически активных соединений, полиненасыщенных жирных кислот с высоким содержанием гамма-линоленовой кислоты и многими другими полезными для здоровья соединениями. Они, обладая уникальными биохимическими и физиологическими свойствами, являются источниками таких пигментов, как хлорофилл, альфа- и бета- каротин, ликопин, лютеин, зеаксантин и астаксантин, фикоцианин, которые обладая антиоксидантными и противоопухолевыми свойствами используются в медицинской, пищевой, нутрицевтической и косметической промышленности.

Микроводоросли хорошо известны своими разнообразными биологическими действиями, такими как антибактериальные, противогрибковые, цитотоксические, иммуносупрессивные, противоаллергические свойства и противовирусная активность, что тоже предопределяют их большие возможности в медицине и фармокологии, при получении биологически активных добавок и биостимуляторов для укрепления иммунитета.

Практическая значимость

Большое количество солнечных дней и выгодное географическое расположение нашей Республики Казахстан, относительная простота культивирования микроводорослей для получения ее биомассы создают предпосылки для развития производств по получению биологически активных добавок (БАД) и биостимуляторов на их основе. Показано, что применение микроводорослей в животноводстве в качестве источника белка, витаминов и других физиологически активных веществ повышает устойчивость животных к различным заболеваниям, в первую очередь, связанным с авитаминозом, ускоряет обменные процессы, и таким образом способствуют повышению объема и качества товарной продукции. Кроме того необходимо отметить о возможностях создания новых рабочих мест на предприятиях по производству биопрепаратов, биокормов и пищевых биодабавок.

Ожидаемые результаты

Будет разработана технология массового культивирования производственно - ценных штаммов микроводорослей для получения биологически активных веществ из продуцентов – активных штаммов микроводорослей.

Будет разработана технология получения новых биологически активных добавок и биостимуляторов на основе производственно - ценных штаммов микроводорослей и изучены их биологические свойства.

Будет разработана рецептура и товарные формы новых биологически активных добавок и биостимуляторов на основе биомассы производственно - ценных штаммов микроводорослей.

Объект внедрения

Биологически активные добавки и биостимуляторы на основе биомассы микроводорослей, содержащие незаменимые аминокислоты, витамины группы В, С, Д, провитамин А, полиненасыщенные жирные кислоты, углеводы, полисахариды и обладающие высокой биодоступностью и большим потенциалом в пищевой, терапевтической промышленности и животноводстве.

Перспективы внедрения

Технология получения биодобавок на основе микроводорослей имеет большие реальные перспективы внедрения ее в производство. Перспективность настоящего проекта определяется не только экономической рентабельностью, но и возможностью получения новых, экологически чистых, уникальных биопрепаратов на основе микроводорослей. Поэтому, вопросы промышленного производства микроводорослей привлекают всё большее внимание исследователей и промышленных фирм. Так, обладая высокой продуктивностью, эти объекты одновременно являются продуцентами новых ценных продуктов, которые находят широкое применение в пищевой промышленности (как биологически активные добавки) и в аграрном секторе, в частности в животноводстве, птицеводстве, рыбной хозяйстве (биологически активные кормовые добавки). При этом, необходимо учитывать, что получение биологически активных добавок на основе микроводорослей может быть экономически выгодным, поскольку не требует дорогостоящего оборудования и питательных сред для их культивирования.

Потребители

Агропромышленный сектор (птицефабрики, свиноводство, животноводческие   фермы, аквакультура), пищевая промышленность, фармакология и медицина.

Конкурентоспособность

Конкурентоспособность данного проекта определяется вышеперечисленными уникальными свойствами микроводорослей и преимуществами технологии их культивирования (дешевая питательная среда, солнце, не дорогое оборудование). Предлагаемый проект оригинален, пока аналогов в Республике нет. Биотехнология микроводорослей хорошо разработана в США, Японии, Индии, России, Китае, Чехии и других странах мира. В Казахстане предприятий по производству биопрепаратов на основе микроводорослей и других фототрофных микроорганизмов нет. Проект имеет хорошую коммерческую перспективу и большой потенциал коммерциализации.

Наименование проекта (согласно медиаплану). Новые антибактериальные препараты для лечения заболеваний осетровых рыб. 

Цель проекта. Исследование терапевтического потенциала родительских и конструированных химерных эндолизинов с повышенной литической активностью против грамотрицательных бактерий P. fluorescens, P. putida, A. hydrophila, A. salmonicida и A. sobria. Эти бактерии являются главными патогенами в аквакультуре осетровых, демонстрирующие повышенный уровень устойчивости к антибиотикам и вызывающие значительную заболеваемость и смертность у осетровых рыб. Цель предусматривает выполнение следующих задач: - выделение и физиологическая, биохимическая, молекулярная идентификация бактериальных патогенов P. putida, P. fluorescens, A. hydrophila, A. salmonicida и A. sobria из зараженных осетровых рыб; - конструирование химерных эндолизинов с повышенной литической активностью в отношении бактериальных патогенов, вызывающих заболевания осетровых рыб в аквакультуре; - характеристика антибактериальной активности in vitro и in vivo родительских и сконструированных новых химерных эндолизинов. 

НОУ-ХАУ. Выращивание осетровых в аквакультуре является одним из важных действий, направленных на решение проблемы сокращения популяции и восстановления почти прерванного жизненного цикла видов осетровых. Однако быстрое развитие аквакультуры сопровождается вспышками заболеваний, вызванных бактериальной инфекцией, которые приводят к высокой смертности и катастрофическим экономическим потерям в аквакультуре осетровых. Наиболее тяжелыми бактериальными заболеваниями у осетровых в аквакультуре являются инфекции, вызываемые с Pseudomonas и Aeromonas. В настоящее время из-за широкого и часто неконтролируемого использования антибиотиков количество бактерий, устойчивых к антибиотикам, резко возросло и является основной причиной заболеваемости и смертности. Это явление может не только привести к неудаче антимикробной терапии, но и вызвать опасения относительно безопасности рыбных продуктов. По этой причине срочно необходимы новые стратегии борьбы с этими лекарственно-устойчивыми патогенами.

В настоящее время эндолизиновая терапия считается очень перспективной альтернативой лечения сложных инфекций. За последние десять лет область исследований эндолизина значительно ускорилась. Некоторые эндолизины, разработанные различными компаниями, включая химерные эндолизины, в первую очередь против грамположительных и грамотрицательных патогенов человека и животных, в настоящее время находятся на стадии доклинических и клинических испытаний. Однако, потенциал эндолизинов в качестве антибактериальных агентов еще не изучен в области аквакультуры, хотя культивируемые рыбы, как и другие животные и люди, постоянно находятся под угрозой микробных атак.

Представленный проект направлен на разработку новых эффективных химерных эндолизинов с повышенной литической активностью в отношении грамотрицательных и устойчивых к антибиотикам бактерий, которые являются основной причиной заболеваний осетровых в аквакультуре. 

Актуальность и новизна. Производство осетровых в аквакультуре за последние годы значительно возросло из-за высокого спроса на икру на мировом рынке. Однако из-за широкого и часто неконтролируемого использования антибиотиков количество бактерий, устойчивых к антибиотикам, резко возросло и является основной причиной заболеваемости и смертности. Виды бактерий, чаще всего Aeromonas и Pseudomonas были зарегистрированы в качестве основных патогенов (рисунок 1).

Аэромоноз (А) и псевдомоноз осетровых рыб (В); Инфицированные осетровые рыбы из ТОО «Учебно-научный комплекс опытно-промышленного производства аквакультуры» (Уральск, Западно-Казахстанская обл.)

Рисунок 1 – Геморрагическая септицемия осетровых рыб

По этой причине срочно необходимы новые стратегии борьбы с этими лекарственно-устойчивыми патогенами. Эндолизины представляют собой возможные альтернативы антибиотикам. Эндолизины классифицируются в соответствии с ферментативной активностью в следующие три группы (рисунок 2А): (i) Гликозидазы, которые включают глюкозаминидазы (ЕС 3.2.1.52), мурамидазы (ЕС 3.2.1.17) и литические трансгликозилазы (ЕС 4.2.2.n1), действие этих ферментов направлены на расщепление β-(1,4)-гликозидные связи сахарного остова; (ii) амидазы (ЕС 3.5.1.28), которые гидролизуют амидную связь между главной цепью сахара и пептидными ветвями; и (iii) эндопептидазы (ЕС 3.4.-.-), которые гидролизуют связь между двумя аминокислотами. Структура эндолизинов может быть либо глобулярной, либо модульной (рисунок 2В).

A) 1 - Глюкозаминидазы; 2 - Мурамидазы (лизоцимы) и литические трансгликозилазы; 3 - L-аланин-амидазы; 4-эндопептидазы; GlcNac - N-ацетил глюкозамин; MurNac - N-ацетилмурамовая кислота. B) Схема структуры грам-положительных и грам- отрицательных эндолизинов.

Рисунок 2 - Структура пептидогликана и сайты расщепления гидролазами

Большинство эндолизинов фагов грамположительных бактерий имеют модульную структуру, состоящую из N-концевых каталитически активных доменов (CAD) и C-терминального связывающего клеточную стенку домена (CBD), отделенного коротким линкером.

Таким образом эндолизины способны эффективно и быстро вызывать гибель бактерии независимо от ее физиологического состояния или устойчивости к антибиотикам.  

Практическая значимость. Практическая значимость исследовательского проекта заключается в разработке новых эффективных химерных эндолизинов с повышенной литической активностью в отношении грамотрицательных и устойчивых к антибиотикам бактерий, которые являются основной причиной заболеваний в аквакультуре осетровых.  

Ожидаемые результаты: - будут выделены и идентифицированы бактериальные патогены (A. hydrophila, A. salmonicida, A. caviae, A. sobria, P. putida и P. fluorescens) осетровых рыб и проверена их чувствительность к антибиотикам в условиях in vitro;

- будут конструированы химерные эндолизины, а также клонированы гены трех родительских и 7 химерных эндолизинов и оптимизирована их экспрессия в E. coli;

- будет определена антибактериальная активнось эндолизинов, а также будут разработаны способы лечения инфицированных осетровых рыб. 

Объект внедрения. Объектом внедрения является антибактериальные препараты, применяемые для лечения заболеваний осетровых рыб вызванные бактериальными патогенами.

Перспективы внедрения. В настоящее время эндолизиновая терапия считается очень перспективной альтернативой лечения сложных инфекций. Эндолизины являются ферментами, кодируемыми фагом, которые обладают пептидогликан гидролазной активностью и поэтому способны разрушать клеточную стенку бактерий, позволяя фагу покинуть клетку-хозяина после репликации. Полученые экспериментальные данные в условиях in vitro демонстрируют впечатляющую эффективность эндолизинов в лизисе бактериальных клеток, включая бактерии с множественной лекарственной устойчивостью (рисунок 3).

1 – контроль, 2 – эндолизин (25 мкг), 3 – эндолизин (50 мкг) 

Рисунок 3 – Результаты антибактериальной активности эндолизина in vitro

В отличие от антибиотиков и бактериофагов, бактериальные штаммы не развивают устойчивость к эндолизинам, что способствует широкому применению антибактериальных препаратов.    

Потребители. Основными потребителями выступают рыбохозяйственные предприятия включая промышленные аквакультурные комплексы и рыбоводные заводы, а также фермеры-рыбоводы.

Конкурентоспособность (Преимущества технологии) и коммерциализация проекта. Результаты научно-исследовательского проекта коммерциализуемы так как имеют практическое значение в области ихтиопатологии и направлены на лечение и профилактику болезней рыб, выращиваемых в условиях регулируемых систем. В целом использование антибактериальных препаратов на основе лизирующих белков – эндолизинов не ограничивается применением только в лечении болезней рыб, также существует возможность использования в качестве профилактики бактериальных заболеваний и сельскохозяйственных животных, что делает предлагаемые препараты универсальными тем самым значительно увеличивает конкурентоспособность.  

Цель проекта - Создания производства по получению микробных препаратов для восстановления нарушенных и загрязненных почв, а также для сельского хозяйства.

НОУ-ХАУ - Производство биопрепаратов и организация малого инновационного предприятия по производству биопрепаратов для нефтедобывающих и агропромышленных предприятий Казахстана.

Актуальность и новизна - Загрязнение природной среды нефтью и нефтепродуктами на сегодняшний день является одной из сложных и многоплановых проблем экологии и охраны природной среды. Ни один другой загрязнитель не может сравниваться по широте распространения, количеству источников загрязнения, уровням химических нагрузок на все компоненты ландшафтов.

В Казахстане нефтяные месторождения занимают огромные площади. При попадании нефти и нефтепродуктов в почву происходят существенные, а зачастую и необратимые изменения ее химических, физических, микробиологических свойств, иногда приводящие к перестройке не только всего почвенного профиля, но и почвенного покрова на больших территориях.

Наиболее перспективным методом очистки является комплексное использование биоремедиации, включающие агро- и микробиологические приемы. Дефицит микроорганизмов в этом случае может быть устранен путем внесения препаратов из микроорганизмов-деструкторов.

В настоящее время перспективным направлением является создание многокомпонентных растительно-микробных систем, воспроизводящих оптимальные природные агрофитоценозы и обеспечивающие высокую устойчивость земледелия. В сельскохозяйственном производстве уже применяются микробные препараты, разработаннные как зарубежными, так и казахстанскими учеными на основе микроорганизмов различных таксономических групп.

Препараты, разработанные в других странах не применимы в условиях Казахстана, необходимо учитывать почвенно-климатические условия в местах очистки. Производство биопрепаратов на основе микроорганизмов, адаптированных к почвенно-климатическим условиям различных регионов Республики Казахстан, является экологически чистым, не имеет канцерогенных отходов и вредных выбросов в атмосферу. Предполагаемый объем производства продукции в год будет определен с учетом размеров рынка и возможностью экспорта. 

Практическая значимость - Биопрепараты на основе штаммов–деструкторов адаптированы к почвенно-климатическим условиям нефтедобывающих регионов республики. Предназначены для очистки почвы и воды от загрязнения нефтью и нефтепродуктами с целью улучшения экологической обстановки окружающей среды и рекультивации нефтезагрязнёных земель. При использовании препарата процессы биодеструкции углеводородов обусловливали эффективную очистку почвы от углеводородов нефти и улучшение ее экологического состояния. Интродукция в нефтезагрязненную почву препарата повышало эффективность процессов биодеструкции нефтяных углеводородов, убыль составила более 85 %.

В Казахстане достаточно территории с уровнем загрязнения поверхностных слоев почв от 30 до 40 процентов, загрязняются более глубокие слои, например, на приморской равнине нефть проникает до глубины 45-50 см. В этих условиях методы биоремедиации приобретают особую значимость.

Отработка применения экспериментальных образцов биопрепаратов с целью получения требуемого уровня урожайности сельскохозяйственных культур высокого качества, сохранения и повышения плодородия почв, охраны окружающей среды от загрязнения является важным этапом в их разработке. Для Казахстана изучение эффективности применения биологических препаратов при возделывании злаковых (озимая и яровая пшеница, ячмень, овес) и кормовых культур в условиях и установления наиболее оптимальных сочетаний использования различных видов удобрений и биопрепаратов актуально.

Объект внедрения - ТОО «Биоорта» (2010), АО «Озенмунайгаз» (2013), АО «Эмбамунайгаз» (2018).

Перспективы внедрения - Препарат для очистки применим на практике для технологии восстановления нефтезагрязненных почвогрунтов, обезвреживания замазученных грунтов, жидких отходов бурения и твердых горючих нефтесодержащих отходов. Микробные препараты для агропромышленного комплекса обеспечат импортозамещение в аграрном секторе, связанном с обеспечением продовольственной безопасности региона и страны. Организация получения опытных партии различных биопрепаратов на основе микроорганизмов для очистки загрязненных почв поллютантами и для агропромышленных предприятий.

Потребители - Нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей индустрии Республики Казахстан, агропромышленные предприятия, службы охраны природы, частный сектор.

Конкурентоспособность – Переход на «зеленую» экономику, связанных с созданием экологически чистых технологий и продуктов таких как микробные препараты для очистки от загрязнений и улучшения плодородия почвы, призваны помогать и приносить пользу природе, улучшая экологическое состояние нарушенных земель. Инновационный, современный и безопасный биопрепарат, будет востребован для предприятий нефтегазового сектора как одной из ведущих отраслей экономики Республики Казахстан.

                   Почвы до очистки                                    Почвы после очистки

Руководитель проекта: к.б.н., профессор Кустубаева А.М.

1. Наименование проекта (согласно медиаплану). «Психофизиологические маркеры депрессии»

2. Цель проекта: определение ЭЭГ биомаркеров депрессивных состояний для объективной диагностики с целью снижения бремени социально-значимого заболевания.

3. НОУ-ХАУ. Уникальностью данной научно-исследовательской работы является детерминация новых ЭЭГ биомаркеров достоверно определяющих депрессивное состояние при когнитивных нагрузках. Коммерциализация результатов исследования заключается в разработке компьютезированной комплексной психофизиологической диагностики, дающей возможность применения для обследования широких масс населения страны. Ценность исследования для теоретической науки заключается в определении специфических паттернов ЭЭГ, отражающих депрессивные состояния местной популяции, и для прикладной науки – в компьютеризации биомаркеров депрессии, которые будут способствовать своевременной объективной диагностике депрессивных состояний и предотвращению поведенческих нарушений и суицида. Оригинальность полученных результатов заключается в том, что впервые определенные валидные ЭЭГ биомаркеры на основе оригинальной когнитивной задачи на казахстанской популяции.

4.Актуальность и новизна.

На сегодняшний день депрессия остается одной из наиболее распространенных заболеваний, приводящая к недееспособности широкий круг населения. По оценкам ВОЗ экономические потери по причине депрессии приблизительно составляют триллион долларов ежегодно. Депрессия, сопровождающаяся нарушениями когнитивных функций, приводит к выбору тактики абсентизма (отсутствия на работе) или презентизма (имитации деятельности на работе) и снижает трудоспособность населения (Гринсберг, 2019). Поведенческие нарушения часто приводят к криминальным поступкам и непосредственно являются угрозой социуму. Нелеченое заболевание приводит к высокому риску суицида, снижению качества жизни и потенциально является социальной угрозой для общества. Так, в Казахстане смертность от суицида составляет 26,9 на 100 000 населения. Отсутствие объективных методов диагностики депрессивных состояний, наряду со стигмой, усложняет ситуацию. Все это определило острую необходимость в разработке новых объективных методов диагностирования депрессивных состояний.

Полученные результаты выявили наиболее информативные показатели спонтанной активности мозга во время покоя и характеристик вызванного потенциала во время выполнения когнитивных задач на экзекутивный контроль и принятие решения. Данные результаты были обсуждены и опубликованы на ежегодных международных конференциях и показали значимость конечных результатов для внедрения в практику. Психометрические методы, разработанные в текущем исследовании, были своевременно внедрены в психотерапевтическую практику, бесплатно проводимой во время пандемии ввиду увеличения числа депрессий (в сотрудничестве с UNISEF, ЮНЕСКО) нашими психотерапевтами. По итогам завершенного исследования опубликовано методическое пособие с полным описанием комплексного подхода, проводившегося по данному проекту и научные статьи в международных журналах с ненулевым импакт-фактором. ЭЭГ биомаркеры готовы для технической разработки оборудования для ЭЭГ диагностики депрессии.

5.Практическая значимость.

Результаты проведенного исследования подтверждают, что именно хорошо разработанные когнитивные и эмоциональные нагрузки могут позволить выявить закономерности в изменении сигналов мозга, характерных для депрессивного состояния. Выбранные когнитивные задачи для наших исследований на экзекутивный контроль (AttentionalNetworkTest, ANT) и на принятие решения явились соответствующими нагрузками, провоцирующими выявление различий в активности мозга во время когнитивной деятельности. Научно-теоретическое обоснование комплексной методики исследования подтвердило свою валидность и перспективу использования в практических целях полученных результатов. В целом наши результаты показали, что ухудшение у обследуемых с депрессией экзекутивного контроля, являющегося центральным регулирующим звеном в когнитивных процессах, связано со сниженной активностью мозга на специфические стимулы. ЭЭГ показатели во время выполнения задачи адаптированной версии, разработанной согласно широко известной теории экзекутивного контроля М. Познера, позволило определить более низкий уровень функционирования нейросетей когнитивного контроля при депрессивном состоянии. Вторая когнитивная задача на принятие решения, направленная на индукцию эмоциональных состояний и ее влияние на сложный комплексный когнитивный процесс принятия решения, позволила выявить дефицит активации мозга на восприятие и обратную связь.

6.Ожидаемые результаты.

Основные научные результаты исследования могут быть внедрены в виде создания компьютерной программы или прибора отечественного производства для диагностики эмоционально-депрессивных состояний и последующей коммерциализацией результатов в будущем. Внедрение в практику позволит своевременно диагностировать и лечить заболевание на ранних этапах, избегать тяжелых последствий и суицида, создания прибора отечественного производства для диагностики эмоционально-депрессивных состояний и последующей коммерциализацией результатов в будущем.

Впервые будет создана компьютерная программа на основе научно-обоснованногоэкспериментальногокомплексапсихометрических, когнитивных задач и психофизиологических методов для исследования диагностических критериев депрессивных состояний, уже адаптированной и валидизированной на местной популяции.

ЭЭГ биомаркеры, свидетельствующие о наличии дефицита активности мозга и снижении лабильности мозга при депрессии, будут заложены как основные критерии в диагностике депрессии. Данный прибор может быть широко использован в клинической практике для предупреждения депрессии и суицида.

7.Объект внедрения.

Компьютерная программа или прибор для диагностики эмоционального состояния.

8.Перспективы внедрения.

Результаты могут быть внедрены в психотерапевтическую практику, службы безопасности, службы человеческих ресурсов, медицинские службы, научно-исследовательские и образовательные учреждения.

9.Потребители.

Данные могут в последующем широко использованы в национальной и международной практике: предполагаемыми потребителями полученных результатов будут психологические и психиатрические службы, службы безопасности, службы человеческих ресурсов, медицинские службы, научно-исследовательские и образовательные учреждения.

10.Конкурентоспособность (Преимущества технологии) и коммерциализация проекта.

Предлагаемый продукт имеет высокую конкурентноспособность. На сегодняшний момент нет аналога предлагаемой технологии на отечественном рынке.