Лаборатория кинетики и механизмов ферментативных и каталитических реакций

Вернуться назад

Заведующий лабораторией:член-корр. РАН, профессор Варфоломеев Сергей Дмитриевич

Телефон отдела:8 (499) 137- 64-20

Почта:sdvarf@sky.chph.ras.ru

Комната:

Лаборатория кинетики и механизмов ферментативных и каталитических реакций, возглавляемая членом-корреспондентом РАН, д.х.н. Варфоломеевым С.Д., создана в 1996 году на основе лаборатории неравновесных белковых структур и, на данный момент, входит в состав отдела биокатализа и физической химии биопроцессов. В составе лаборатории - 1 чл.-корр. РАН, 4 доктора наук, 9 кандидатов наук, младшие научные сотрудники и аспиранты. Все сотрудники лаборатории – высококвалифицированные специалисты в области биоорганической и органической химии, химической энзимологии, микробиологии и нанотехнологий.

Научные исследования лаборатории выполняются в рамках двух научных тем Института «Физико-химические основы и принципы функционирования биологических макромолекул, регуляторных и надмолекулярных систем различной степени сложности; новые методы исследования, использование в современных высоких технологиях» и «Химические аспекты энергетики».

Основными направлениями исследований по научной теме «Физико-химические основы и принципы функционирования биологических макромолекул, регуляторных и надмолекулярных систем различной степени сложности; новые методы исследования, использование в современных высоких технологиях» являются: создание новых фотохромных материалов; разработка новых гибридных систем, содержащих в качестве активного рабочего элемента фотоуправляемые фрагменты и молекулярные адреса различной природы; исследование их взаимодействия с мишенями (в.н.с., д.х.н. Ходонов А.А.); разработка методов синтеза и изучение структурно-функциональных отношений в ретиноид-белковых комплексах светозависимой протонной транслоказы - бактериородопсина из археи H. salinarum и протеородопсина ESRh из бактерии Exiguobacterium sibiricum (с.н.с., к.х.н. Н.Е. Беликов); разработка новых антиагрегационных средств и исследование их влияния на процесс агрегации тромбоцитов человека (в.н.с., д.х.н. О.В. Демина); исследование полиферментных процессов в центральной нервной системе человека методами магнитно-резонансной томографии и ядерного магнитного резонанса (гл., н.с., д.б.н. Н.А. Семенова); разработка новых методов биомедицинской неинвазивной диагностики человека на основе анализа конденсата выдыхаемого воздуха (с.н.с., к.х.н. А.М. Рябоконь).

По научной теме «Химические аспекты энергетики» в лаборатории выполняются исследования по разработке методов получения биотоплива на основе микробиологических подходов, включая переработку органических материалов (отв. исполнитель – с.н.с., д.б.н. Е.Н. Ефременко).

Сотрудники лаборатории кинетики и механизмов ферментативных и каталитических реакций (2019 год). Сидят (слева направо): с.н.с., к.х.н. Карина Беньяминовна Гершкович; н.с., к.х.н. Ольга Витальевна Сенько; в.н.с., д.х.н. Ольга Викторовна Демина; с.н.с., д.х.н., проф. Елена Николаевна Ефременко; гл.н.с., д.б.н.  Наталья Александровна Семенова; научный руководитель Института, чл.-корр. РАН Сергей Дмитриевич Варфоломеев; в.н.с., д.х.н. Андрей Александрович Ходонов. Стоят (слева направо): аспирант Андрей Валерьевич Манжурцев; аспирант Максим Вадимович Ублинский; с.н.с., к.х.н. Илья Николаевич Лягин; с.н.с.. к.х.н. Дмитрий Александрович Ковалев; н.с., к.т.н. Николай Алексеевич Степанов; с.н.с., к.х.н. Николай Евгеньевич Беликов; м.н.с., к.х.н. Александр Александрович Ковалев; аспирант Петр Евгеньевич Меньщиков.; с.н.с., к.х.н. Анна Монолитовна Рябоконь

Научные направления лаборатории многогранны и находятся в рамках междисциплинарной области науки, включающей физические, химические, биологические аспекты рассмотрения сложных биохимических и химических систем. Поэтому совершенно закономерно, что многие исследования лаборатории кинетики и механизмов ферментативных и каталитических реакций проводятся в тесном сотрудничестве с другими лабораториями Института: лабораторией физико-химических основ рецепции (зав. лаб. – академик М.А. Островский); лабораторией фото- и хемилюминеценции (зав. лаб.- д.х.н. А.В. Трофимов), лабораторией химической стойкости полимеров (зав.лаб. – к.х.н. С.М. Ломакин), лабораторией компьютерного моделирования биомолекулярных систем и наноматериалов (зав. лаб. – д.х.н., проф. А.В. Немухин), лабораторией экобиокатализа кафедры химической энзимологии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Создание новых наноразмерных органических и неорганических материалов для биохимических исследований и конструирования преобразователей с управляемым оптическим откликом является одним из перспективных направлений исследований в области нанобиофотоники. Особые перспективы подобные системы имеют при замене пока еще широко применяемых радиоактивных меток на более безопасные фотохромные, при разработке целого ряда прототипов технических smart-устройств в бионанофотонике и сенсорных технологиях, молекулярных оптических переключателей, прототипов сенсорных устройств для детекции ионов, взрывчатых веществ и других лигандов, инфекционных агентов, для оценки протеолитической активности ферментных систем, средств визуализации различных бионанообъектов в реальном времени и в многопараметрических (многоцветных) системах, фотоуправляемых средств контроля строения и функции бионанообъектов (фотохромные сшивки, многопараметрические протоколы гибридизации нуклеиновых кислот, фотоуправляемые средства доставки биологически активных соединений и др.).

В рамках проекта «Создание новых фотохромных материалов: разработка гибридных систем, содержащих фотоуправляемые фрагменты и исследование их взаимодействия с мишенями различной природы» проводится разработка методов синтеза, получение и исследование новых материалов для биомикроэлектроники и сенсоров на основе производных спиропиранов (в.н.с., д.х.н. А.А. Ходонов). Получены несколько серий гибридных молекул с 2 типами стимул-реагирующих элементов структуры, исследованы их физико-химические, фотохромные и флуорофорные свойства. Данные молекулы обладают 2-мя типами аналитических сигналов - флуоресценцией и фотохромизмом при освещении образцов светом с заданной длиной волны. Показана принципиальная возможность введения фотохромных фрагментов в целевые молекулы с сохранением биологической активности и использования их для биологических тестов на связывание с рецепторами мембран клеток. Исследование веществ с применением импульсной спектрофотометрии и наносекундного лазерного фотолиза проводились совместно с лабораторией фото- и хемилюминеценции (в.н.с., д.х.н. П.П. Левин).

Исследование ретиналь-содержащих белков является актуальным направлением биоорганической химии и биохимии, с последующим использованием результатов в практических целях. В лаборатории получена серия производных ретиналя для исследования их взаимодействия с бактериородопсином и родственными ему белками, был изучен эффект замещения природного хромофора в новом ретинальном белке - ESRh из психротрофной бактерии Exiguobacterium sibiricum его аналогами (с.н.с., к.х.н. Н.Е. Беликов). Создание новых лекарственных средств с минимальными побочными эффектами для предотвращения или лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы – актуальная задача биоорганической и медицинской химии. Для регуляции системы гемостаза человека важными мишенями являются 8 простаноидных рецепторов, имеющих несколько изоформ (2 и более) в разных органах и тканях человека.

По проекту «Разработка новых антиагрегационных средств и исследование их влияния на процесс агрегации тромбоцитов человека» (в.н.с., д.х.н. Демина О.В.)  разрабатывается дизайн и синтез новых потенциальных малотоксичных антиагрегантов с использованием открытого нами скэффолда – 3-пиридилизоксазола, с последующим изучением их влияния на процесс агрегации тромбоцитов человека под действием природных индукторов - арахидоновой кислоты, АДФ, адреналина и фактора активации тромбоцитов (PAF). Изучены особенности процесса агрегации тромбоцитов человека in vitro при использовании синтезированных 5-замещенных 3-пиридилизоксазолов и их 4,5-дигидропроизводных с заместителями по положению 5 изоксазольного кольца и трех природных индукторов агрегации - адреналина, арахидоновой кислоты и АДФ. Установлено, что все синтезированные соединения полностью подавляли агрегацию тромбоцитов, вызванную арахидоновой кислотой, и вторые волны агрегации, вызванной АДФ или адреналином, а также не являлись селективными антагонистами рецепторов PAF, АДФ и адреналина. Установлен фармакофорный фрагмент соединений класса 3,5-замещенных изоксазолов, определена взаимосвязь структура – активность для серии соединений с алкильными заместителями. Экспериментально доказано, что все соединения не являются ингибиторами тромбина. Из 33 соединений у 15 соединений значения IC50, характеризующие биологическую активность, были меньше 100 мкмоль×л-1, что говорит о перспективности данного класса веществ и о возможности проведения доклинических испытаний серии из 5-7 веществ. Была разработана методика связывания с тромбоцитами для трех синтезированных нами соединений класса 3,5-замещенных изоксазолов, содержащих спиропирановый и 3-пиридильный фрагменты, для определения сайта связывания 3,5-замещенных изоксазолов на мембране тромбоцитов, и проведена оценка эффективности фотохромной метки. Показано, что наличие «адресного» фрагмента способствует эффективности связывания данной метки с рецепторами мембраны тромбоцита, при этом возможен как спектрофотометрический, так и флуорометрический контроль связывания метки с тромбоцитами. Биологические исследования выполняются в рамках договора ИБХФ РАН с Федеральным государственным бюджетным учреждением «Национальный медицинский исследовательский центр детской гематологии, онкологии и иммунологии имени Дмитрия Рогачева» Министерства здравоохранения Российской Федерации в лабораториях биофизики (зав. лабораторией – чл.-корр. РАН Ф.И.  Атауллаханов) и молекулярного гемостаза и тромбоза (зав. лабораторией – д.ф.-м.н. М.А. Пантелеев).

Одним из современных и перспективных направлений молекулярной биологии и медицины является разработка неинвазивных методов диагностики организма человека с выявлением биомаркеров -  веществ, характеризующих наличие патологий, включая различные виды рака, в том числе и рак легкого. Анализ конденсата выдыхаемого воздуха (КВВ) является перспективным неинвазивным методом диагностики состояния респираторного тракта человека и может быть использован для мониторинга состояния здоровья групп населения, подверженных высокому риску развития различных патологий дыхательной системы, особенно раку легкого. Использование в метаболомике и протеомике инновационных технологий - масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье, позволяет идентифицировать биомаркеры определенных заболеваний в КВВ.

Сотрудники лаборатории экобиокатализа кафедры химической энзимологии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Сидят (слева направо): студентка Тамара Борисовна Ершова; с.н.с., к.т.н. Марина Анатольевна Гладченко; н.с., к.х.н. Ольга Васильевна Маслова; с.н.с., к.б.н. Валентина Павловна Мурыгина. Стоят (слева направо): н.с., к.т.н. Николай Алексеевич Степанов; ведущий специалист Татьяна Абрамовна Махлис; н.с., к.х.н. Сергей Николаевич Гайдамака; зав. лаб., д.б.н., профессор Елена Николаевна Ефременко; с.н.с., к.х.н. Илья Николаевич Лягин; н.с., к.х.н. Ольга Витальевна Сенько; аспирант Рашид Фатали оглы Ахундов.

По проекту «Разработка новых методов биомедицинской неинвазивной диагностики человека на основе анализа конденсата выдыхаемого воздуха» ведутся совместные работы с  лабораторией экобиокатализа кафедры химической энзимологии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (с.н.с., к.х.н. А.М. Рябоконь).  Впервые проведена идентификация серий белков и пептидов в образцах конденсата выдыхаемого воздуха с целью поиска маркеров ряда заболеваний. На основании исследований белкового состава конденсата выдыхаемого воздуха (КВВ) пациентов с хронической обструктивной болезнью легких, пневмонией и раком легкого показано, что результаты анализа протеомов по группам различаются между собой и согласуются с клинической картиной рассматриваемых заболеваний. В КВВ пациентов с диагностированным раком легкого 1-2 стадии выделены 19 белков, которые предложены в качестве диагностической панели для рака легкого. 

Аспирантка Кристина Юрьевна Федорченко со своим научным руководителем, профессором С.Д. Варфоломеевым

Достижением лаборатории в этой области является блестящая защита в 2018 году диссертации аспирантки Кристины Юрьевны Федорченко «Метод неинвазивной диагностики рака легкого, основанный на анализе белкового и пептидного состава конденсата выдыхаемого воздуха человека» (научный рук. – С.Д. Варфолормеев). Все исследования выполнялись совместно с НИИ Пульмонологии ФМБА (академик А.Г. Чучалин), МНИОИ им. А.П. Герцена (профессор О.В. Пикин), Институтом медико-биологических проблем РАН (профессор И.М. Ларина) и Центром подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина, а также – лабораторией масс-спектрометрии биомакромолекул ИБХФ РАН.

Важным направлением исследований было изучение протеомов доноров, подвергшихся экстремальным воздействиям: исследование количественного и качественного состава белков в КВВ космонавтов до и после продолжительных орбитальных полетов на Международную космическую станцию для получения информации о состоянии дыхательной системы космонавтов и механизмах ее адаптации к экстремальным условиям. По Программе «Климат-2010», направленной на изучение реакции систем регуляции и адаптации организма здорового человека при воздействии гипертермии и загрязнённого воздуха, испытатели в течение 30 дней подвергались влиянию искусственно созданных климатических условий августа 2010 г. в соответствии с характеристиками, полученными на станциях Росгидромета. Конденсат выдыхаемого воздуха собирался нами у испытуемых перед помещением в изолированный модуль научно-экспериментального комплекса и сразу по выходу из него. Было отмечено резкое сокращение предшественника эндотелиального белка С–физиологического антикоагулянта, что коррелировало с клиническими данными о повышении склонности к тромбозам в процессе исследования. Полученные данные представляются важными для развития медицины экстремальных ситуаций.

В лаборатории проводятся исследования функций белков крови совместно с кафедрой химической энзимологии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, НИИ морфологии человека РАМН, ООО «Ангиоген». Одним из них является плазмин (Pm) (КФ 3.4.21.7) – сериновая протеаза, необходимая для растворения тромбов. В кровяном русле циркулирует его предшественник - плазминоген (Pg) – одноцепочечный мультидоменный белок с М.м. 92 КДа. В физиологических условиях активация Pg регулируется его активаторами тканевого и урокиназного типа, ингибиторами этих активаторов, ингибиторами плазмина (α2-антиплазмином и α2-макроглобулином), а также некоторыми факторами системы свертывания крови. Был исследован механизм взаимодействия нативного и специфически расщепленного плазмином иммуноглобулина G (IgG) с плазминогеном, поскольку специфическое расщепление IgG плазмином может являться одним из механизмов вовлечения системы плазминоген/плазмин в различные физиологические и патологические процессы. Был разработан метод ELISA для оценки степени связывания различных образцов иммуноглобулина (IgG) и его фрагментов c плазминогеном человека при использовании тяжелой цепи плазминогена (Pg-H) как детектора. 

Исследование механизмов действия механических и химических стимулов на головной мозг человека – одна из фундаментальных задач медицины и медицинской химии, позволяющая получить фундаментальные знания о функционировании мозга человека в норме и патологии, а также использовать полученные результаты для практического применения в клиниках. Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) пока единственный метод, позволяющий без повреждения организма человека оценить внутриклеточные концентрации ряда ключевых метаболитов за одно исследование. По теме «Исследование полиферментных процессов в центральной нервной системе человека методами магнитно-резонансной томографии и ядерного магнитного резонанса» (гл., н.с., д.б.н. Семенова Н.А.) разработана схема ответа энергетического метаболизма мозга человека на нейростимуляцию в норме и при психопатологии (шизофрения), выдвинута и проверена гипотеза об инактивации при нейровозбуждении энергозависимого ретранспорта основного возбуждающего нейромедиатора в мозге при шизофрени. С помощью разработанной методики редактирования локальных 1Н - ЯМР спектров мозга человека in vivo впервые показано, что легкая МРТ- и КТ-негативная черепно-мозговая травма вызывает дисбаланс церебральных концентраций основного тормозного нейромедиатора - гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) и основного возбуждающего нейромедиатора - глутамата за счет роста концентрации ГАМК; проведено изучение нарушения синтеза маркера функциональной активности нейронов N-ацетиласпартата (NAA) в мозге человека при черепно - мозговой травме, а также исследована прижизненная оценка эффектов гипербарической оксигенации на уровни фосфатных метаболитов в головном мозге человека.

Руководитель группы, гл.н.с., д.б.н. Н.А. Семенова (слева) и д.х.н., профессор С.Д. Варфоломеев  обсуждают полученные результаты с аспирантами (слева направо): М.В. Ублинским, А.В. Манжурцевым и П.Е. Меньщиковым (2019 год).

Исследование механизмов действия механических и химических стимулов на головной мозг человека – одна из фундаментальных задач медицины и медицинской химии, позволяющая получить фундаментальные знания о функционировании мозга человека в норме и патологии, а также использовать полученные результаты для практического применения в клиниках. Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) пока единственный метод, позволяющий без повреждения организма человека оценить внутриклеточные концентрации ряда ключевых метаболитов за одно исследование. По теме «Исследование полиферментных процессов в центральной нервной системе человека методами магнитно-резонансной томографии и ядерного магнитного резонанса» была разработана схема ответа энергетического метаболизма мозга человека на нейростимуляцию в норме и при психопатологии (шизофрения), выдвинута и проверена гипотеза об инактивации при нейровозбуждении энергозависимого ретранспорта основного возбуждающего нейромедиатора в мозге при шизофрени; с помощью разработанной методики редактирования локальных 1Н - ЯМР спектров мозга человека in vivo впервые показано, что легкая МРТ- и КТ-негативная черепно-мозговая травма вызывает дисбаланс церебральных концентраций основного тормозного нейромедиатора - гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) и основного возбуждающего нейромедиатора - глутамата за счет роста концентрации ГАМК; проведено изучение нарушения синтеза маркера функциональной активности нейронов N-ацетиласпартата (NAA) в мозге человека при черепно - мозговой травме, а также исследована прижизненная оценка эффектов гипербарической оксигенации на уровни фосфатных метаболитов в головном мозге человека.

В спектрах протонного магнитного резонанса (1Н МРС) мозга человека in vivo интенсивность сигнала NAA изменяется в соответствии с изменением содержания нормально функционирующих нейронов. Для прижизненной неинвазивной оценки уровня таких нейронов в разных отделах мозга в норме и патологии используется сигнал NAA как нейрональный маркер. Большинство известных в настоящее время заболеваний центральной нервной системы, таких как черепно-мозговая травма (ЧМТ), разные виды ишемии и гипоксии и нейродегенеративные заболевания, сопровождаются уменьшением локальных концентраций NAA, измеренных 1Н МРС. Такая взаимосвязь требует исследования процесса синтеза NAA в мозге человека in vivo, а следовательно, определения in vivo концентрации предшественника NAA-аспартата, без знания релаксационных характеристик его сигнала. Впервые была разработана методика одновременного определения аспартата (Asp), глутамата (Glu) и NAA, основного предшественника синтеза N–ацетиласпартил-глутамата (NAAG), в локальных структурах мозга человека in vivo. C помощью созданной методики впервые проведено пилотное исследование влияния тяжелой черепно-мозговой травмы на содержание NAA, Asp и Glu в лобной доле мозга человека. Полученные результаты свидетельствуют о ведущей роли малат-аспартатного шаттла в регуляции синтеза Asp и NAA на различных сроках после тяжелой черепно-мозговой травмы. Исследования проводятся на базе НИИ Неотложной Детской Хирургии и Травматологии г. Москвы. 

За работы в области исследования метаболических процессов в головном мозге человека  в норме и при различных воздействиях современными методами магнитной спектроскопии аспирант А.В. Манжурцев  получил стипендию Президента Российской Федерации для аспирантов на 2018-2019 годы. В 2019 году аспирантом А.В. Манжурцевым  защищена диссертация «Магнитно-резонансная спектроскопия на ядрах 1H и 31P в исследовании метаболических ответов мозга человека на зрительную стимуляцию и гипербарическую оксигенацию» на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности -­ «Биофизика». 

В рамках научной темы «Физико-химические основы и принципы функционирования биологических макромолекул, регуляторных и надмолекулярных систем различной степени сложности; новые методы исследования, использование в современных высоких технологиях» лаборатория кинетики и механизмов ферментативных и каталитических реакций проводит совместные исследования с лабораторией компьютерного моделирования биомолекулярных систем и наноматериалов (зав. лаб. – д.х.н., проф. А.В. Немухин) и лаборатория химической кибернетики МГУ им. М.В. Ломоносова.  В результате успешного сотрудничества впервые методами молекулярного моделирования исследован полный каталитический цикл гидролиза н-ацетиласпартата ферментом человека аспартоацилазой. Аспартоацилаза (ASPA) — один из ключевых ферментов центральной нервной системы, осуществляющий каталитический гидролиз N-ацетиласпарагиновой кислоты (NAA), представленной в мозге в высокой концентрации. Структурные вариации фермента, отражающиеся на каталитической активности, связаны с рядом нейропатологий, прежде всего, с болезнью Канаван. Энергетические профили стадий химических превращений от фермент-субстратного комплекса до продукта рассчитаны методами квантовой механики – молекулярной механики, профили входа субстрата и выхода продуктов – методами молекулярной динамики. Построена полная кинетическая схема многостадийного процесса, объясняющая экспериментальные исследования реакции. Получена детальная структурная информация, недоступная экспериментальным методам. Результаты по компьютерному моделированию полного каталитического цикла аспартоацилазы признаны важнейшими фундаментальными достижениями ИБХФ РАН 2016 года. В 2018 году важнейшим достижением Института в 2018 году стало компьютерное моделирование флуоресцентных белков (д.ф.-м.н. Б.Л. Григоренко, д.х.н. А.В. Немухин). Флуоресцентные белки являются важнейшими маркерами для визуализации процессов в живых системах. Компьютерное моделирование строения, спектров и фотохимических свойств флуоресцентных белков необходимо для прогнозирования новых более эффективных биомолекулярных меток. В данной работе по результатам суперкомпьютерных расчетов методами квантовой химии и молекулярной динамики установлены механизмы формирования хромофоров в флуоресцентных белках и характеризованы структуры и спектры нового класса маркеров – инфракрасных флуоресцентных белков на основе фитохромов. Результаты моделирования представлены в обзорной статье в наиболее авторитетном международном химическом журнале Chemical Reviews (импакт-фактор 52,6) и опубликованы в высокорейтинговых журналах: Chemical Review, Journal of American Chemical Society, Chemical Physics Letters.

Научная тема Института «Химические аспекты энергетики», которой руководит чл.-корр. РАН С.Д. Варфоломеев, объединяет усилия трех лабораторий: лаборатории кинетики и механизмов ферментативных и каталитических реакций (зав. лаб. – д.х.н., проф. С.Д. Варфоломеев), лаборатории химии антиоксидантов (зав. лаб. – к.х.н. В.Б. Вольева), лаборатории химической стойкости полимеров (зав. лаб. – к.х.н. С.М. Ломакин) и лаборатории экобиокатализа кафедры химической энзимологии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Проект «Разработка методов получения биотоплива на основе микробиологических подходов, включая переработку органических материалов» выполняется совместно с кафедрой химической энзимологии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Данное направление исследований очень актуально для мировой прикладной науки. В лаборатории впервые были разработаны высокоэффективные биокатализаторы в виде иммобилизованных в криогель поливинилового спирта клеток анаэробных консорциумов для конверсии в метан различных субстратов: отходов сельского хозяйства (гидролизатов стеблей топинамбура, свекловичного жома, багассы), отходов перерабатывающей промышленности  (древесные опилки, стоки молокозавода). Была показана универсальность разработанного способа получения подобных  биокатализаторов (массовое соотношение компонентов биокатализаторов, физико-химические характеристики применяемых сред и процесса иммобилизации) на примере разных по составу метаногенных анаэробных консорциумов. Была продемонстрирована возможность длительного функционирования полученных биокаталитических систем со стабильными характеристиками по конверсии различных исходных субстратов.

Было исследовано влияние введения веществ с газотранспортной функцией (их химической структуры и концентрации) на эффективность процесса метаногенеза под действием свободных и иммобилизованных клеток анаэробного консорциума. Установлена оптимальная концентрация веществ в среде культивирования иммобилизованного анаэробного ила, позволяющая увеличить выход биогаза. Показано, что введение веществ с газотранспортной функцией в среду культивирования свободных клеток ингибирует получение биогаза. Данные работы проводятся совместно с ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (Ковалев Д.А., Ковалев А.А.).

В рамках темы «Химические аспекты энергетики» совместно с лабораторией химии антиоксидантов (зав. лаб. – к.х.н. В.Б. Вольева) проводились исследования по разработке технологических основ получения высокооктановых биодобавок к автомобильному топливу. Созданы октаноповышающие и стабилизирующие оксигенатные добавки к бензинам, получаемых на основе полиолов из возобновляемого сырья, существенно (на 12-15ед.) повышающие октановые число и улучшающие фазовую стабильность топливных композиций. Использование предлагаемых добавок позволяет до 30% сократить расход нефтяных углеводородов в топливных композициях и уменьшить токсичность выхлопных газов. Разработана лабораторная технологическая схема получения высокооктановых добавок к автомобильному топливу. Проведены испытания октаноповышающей способности добавок моторным методом. Получен патент РФ №2365617 на изобретение «Октаноповышающая добавка к бензину». Планируется проведение научно-технических исследований для создания опытной установки получения кеталей, разработка технологических регламентов процесса синтеза на пилотных установках в проточной и стационарной системах, скрининг гетерогенных катализаторов для получения кеталей, разработка технологического регламента промышленного производства октаноповышающей добавки.

Коллективная монография под редакцией чл.-корр. РАН С.Д. Варфоломеева, выпущенная издательством «Научный мир» в 2017 году. Книга посвящена обсуждению фундаментальных проблем химии и биотехнологии конверсии биомассы в топливо и полимерные материалы. В монографии рассмотрены химические основы деполимеризации природных биополимеров (биомассы), новые биотоплива из биомассы, процессы конверсии биомассы в технологически значимые продукты. Анализируются возможности получения новых материалов, биопластиков, полиэфиров, обсуждается синтез и свойства целлюлозы.

В рамках темы «Химические аспекты энергетики» совместно с лабораторией химической стойкости полимеров (зав. лаб. – к.х.н. С.М. Ломакин) впервые разработан новый высокоселективный метод импульсного флэш-пиролиза техногенного лигносодержащего сырья с целью создания биотоплив и полезного сырья для химической промышленности.

Создано новое поколение интумесцентных антипиренов на основе возобновляемого природного сырья для конструкционных материалов и изделий из древесины и полиэфирных смол. В 2016-2018 гг. разработана уникальная технологии приготовления и применения интумесцентных антипиренов на основе окисленного растительного сырья (серия “АРБОКСИД”) для конструкционных строительных материалов и изделий из древесины и целлюлозы с целью придания им огнестойкости и расширения областей их применения в строительстве и производстве изделий общегражданского назначения. В настоящее время на производственной базе ПАО Татнефть уже создана установка промышленного синтеза антипирена “АРБОКСИД” производительностью 2 т в месяц, что в перспективе позволит использовать отходы производства деревообрабатывающих предприятий и производить подобные антипирены непосредственно на территориях древесно-стружечных комбинатов.

Лаборатория кинетики и механизмов ферментативных и каталитических реакций  сотрудничает с рядом научных организаций: Национальным медицинским исследовательским центром «Научно-исследовательский институт морфологии человека РАМН», ООО «Ангиоген», кафедрой химической энзимологии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, Федеральным государственным бюджетным учреждением «Национальный медицинский исследовательский центр детской гематологии, онкологии и иммунологии имени Дмитрия Рогачева» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ «НМИЦ ДГОИ им. Дмитрия Рогачева» Минздрава России), Федеральным научным агроинженерным центром ВИМ (Москва), Торакальным хирургическим  отделением Московского научно-исследовательского онкологического института имени П.А. Герцена, Федеральным государственным бюджетным учреждением «Научно-исследовательский институт пульмонологии Федерального медико-биологического агентства» (ФГБУ «НИИ пульмонологии» ФМБА России), Федеральным государственным бюджетным учреждением науки  «Государственный научный центр Российской Федерации Институт медико-биологических проблем Российской академии наук» (ГНЦ ИМБП РАН), Федеральным государственным бюджетным учреждением "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина"  (ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А.Гагарина), Отделением клиники лучевых методов диагностики, НИИ Неотложной Детской Хирургии и Травматологии, Московским физико-техническим институтом (МФТИ).

Результаты всех исследований лаборатории были широко представлены на всероссийских и международных конференциях, съездах и симпозиумах: международная конференция «Биоантиоксидант, международный конгресс "Биотехнология: состояние и перспективы развития", международная конференция "Биокатализ. Фундаментальные основы и применения", международная конференция «BIOCATALYSIS-2019: FUNDAMENTALS and APPLICATIONS», 2019 год; конференция «Химические аспекты возобновляемой энергетики»,
2014 и 2016 года и др.

Участники 12-ой Международной конференции «BIOCATALYSIS-2019: FUNDAMENTALS and APPLICATIONS», Санкт-Петербург - Валаам - Кижи, 24-28 июня 2019 года

Фундаментальные и прикладные исследования лаборатории были поддержаны грантами РФФИ, РНФ и международными грантами. В результате плодотворных совместных исследований за прошедшее десятилетие в лаборатории выпущен целый ряд монографий, коллективных сборников, учебных пособий; сотрудниками лаборатории опубликовано свыше 300 статей в российских и зарубежных журналах, получены международные патенты и патенты Российской Федерации. 

Коллективные монографии и учебные пособия под редакцией чл.-корр. РАН С.В. Варфоломеева за последние годы (2010-2019 г.г.)

Большую помощь в организации и проведении конференций оказывали к.х.н. С.В. Лущекина, к.х.н. В.И. Найдич, к.х.н. И.Г. Гачок, к.х.н. Е.А. Зайцева и др. Большая работа по подготовке второго издания классического университетского учебника профессора С.Д. Варфоломеева «Химическая энзимология», вышедшего в издательстве «Научный мир» в 2019 году, была выполнена помощником С.Д. Варфоломеева, кандидатом химических наук Валерией Иосифовной Найдич.

Помощник  научного руководителя Института, с.н.с. к.х.н. Валерия Иосифовна Найдич 

Избранные публикации

Сотрудники лаборатории

Варфоломеев Сергей Дмитриевич
Варфоломеев Сергей Дмитриевич
член-корр. РАН, профессор
Телефон:
8 (499) 137-64-20
E-mail
sdvarf@sky.chph.ras.ru