Ключевые слова
биокатализ, биоэлектрокатализ, окислительно-восстановительные ферменты, ферментативный синтез композитных материалов, электропроводящие полимеры, лакказа-медиаторные системы, биокаталитическая трансформация, биосенсоры и биотопливные элементы, глубокие эвтектические растворители

Направления исследований

• Ферментативный синтез электропроводящих полимеров и композитов на их основе
• Биокаталитическая трансформация физиологически активных веществ
• Лакказа-медиаторные системы и их использование в биотехнологии
• Использование глубоких эвтектических растворителей в качестве среды для лакказа-катализируемых реакций полимеризации различных соединений, в том числе биологически активных, и для предобработки лигноцеллюлозного сырья с целью получения продуктов с добавленной стоимостью

Методы фундаментальных исследований:

• методы ферментативной кинетики
• биоэлектрохимические методы исследования электродных реакций
• хроматографические методы анализа
• просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия
• спектральные методы исследований
• ЯМР спектроскопия

Краткая история лаборатории
Лаборатория была создана в 1986 г. Руководитель лаборатории – профессор, д.х.н. Ярополов Александр Иванович. В 1998 году лаборатория была переименована в лабораторию химической энзимологии.

ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Основное направление деятельности лаборатории – изучение гомогенного и гетерогенного катализа медьсодержащими оскидазами, включая фундаментальные и прикладные аспекты. В настоящее время  в лаборатории проводятся исследования по следующим направлениям: идентификация и расшифровка механизма действия оксидоредуктаз в гомогенных и гетерогенных системах; ферментативный синтез электропроводящих полимеров и композитов на их основе; биокаталитическая трансформация физиологически активных веществ с целью получения соединений с новыми свойствами; использование лакказа-медиаторных систем в различных областях биотехнологии; исследование возможности использования глубоких эвтектических растворителей для ферментативных реакций, а также для предобработки лигноцеллюлозного сырья.

• Предложена система отбора органических соединений – потенциальных редокс-медиаторов лакказ, которая значительно упрощает поиск новых медиаторов фермента. Найден новый класс медиаторов с общим названием 1-фенил-3-метил-пиразолоны-5. Показана возможность эффективного использования лакказа-медиаторных систем для делигнификации лигноцеллюлозы и деградации ксенобиотиков.
• Разработан лабораторный макет пористого газодиффузионного биокатода для топливного элемента на основе лакказы, иммобилизованной на высокодисперсных углеродных материалах. Показана высокая операционная стабильность ферментного электрода.
• Предложен подход для получения электропроводящих полимеров с участием лакказы в качестве катализатора окислительной свободно-радикальной полимеризации мономеров и редокс-медиаторов в качестве усилителей действия фермента. Такой подход позволяет проводить полимеризацию мономеров в мягких, экологически совместимых условиях, отвечающих требованиям «белой» биотехнологии.
• На основе ферментативно синтезированного полианилина и углеродных нанотрубок получен композитных материал, который был использован в качестве электроактивного компонента электродов в макете гибкого тонкого суперконденсатора. Толщина сконструированного суперконденсатора составляла 300-400 мкм, плотность энергии и мощности при напряжении 0,7 В – 7,0 Вт/ч и 5,2 кВт/кг.
• Биокаталитическим способом получен хиральный сорбент для высокоэффективной жидкостной хроматографии для разделения оптических изомеров физиологически активных веществ. Хроматографические испытания колонок, упакованных полученным сорбентом, показали высокую энантиоселективность сорбента и хорошую разрешающую способность колонок в разделении аминокислот, их производных и лекарственных препаратов группы профенов (метилкислоты) и бета‑блокаторов (аминоспирты). По 19 тестируемым  рацематам физиологически активных веществ были достигнуты величины селективности от 1.5 до 4.6 при разрешающей способности до 9.54, что в большинстве случаев обеспечивает разделение оптических изомеров до базовой линии.
• Проведена биокаталитическая трансформация флавоноида дигидрокверцитина с участием оксидаз: билирубиноксидазы и высоко редокс-потенциальной грибной лакказы. Продукты ферментативной полимеризации дигидрокверцитина обладали более высокой термостабильностью и антиоксидантной активностью по сравнению с мономером. Анализ спектров ЯМР 1Н и 13С  показал принципиальные различия продуктов полимеризации дигидрокверцитина, полученных с участием билирубиноксидазы и лакказы.
• Система лакказа/медиатор была использована для сополимеризации анилина и 2-аминофенитилового спирта на «мягкой» матрице полисульфокрислоты.  В результате был получен электропроводящий сополимер с реакционноспособными альдегидными группами, к которым можно «пришивать» различные физиологически активные соединения.
• Проведена ферментативная дериватизация природного флавоноида дигидрокверцетина п-аминобензойной кислотой в бифазной системе этилацетат/цитратный буферный раствор. С помощью протонного и углеродного ЯМР и хромато-масс-спектрометрии, установлена структура продукта, который показал доза-зависимый эффект по отношению к культивируемым клеткам рабдомиосаркомы человека линии RD, что представляет интерес для фармацевтики.

В различные годы сотрудники лаборатории участвовали в исследовательских проектах совместно с другими отечественными лабораториями и международными партнерами. Партнерами Лаборатории являются: НИЦ «Курчатовский институт», ИБФМ РАН, ИФАВ РАН, ИБХФ РАН, Химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, ИФХЭ РАН,  Институт инженерной экологии и химического машиностроения МАМИ, Универстит г. Мальме и Лундский университет (Швеция).

В лаборатории были получены гранты РФФИ и МОН РФ, а также INTAS и Inco-Copernicus.

Сотрудники лаборатории участвуют в различных отечественных и международных мероприятиях в качестве докладчиков и слушателей.

В лаборатории постоянно ведется работа по подготовке молодых специалистов. За время существования лаборатории были защищены 1 докторская и более 10 кандидатских диссертаций.

СОСТАВ ЛАБОРАТОРИИ

1. Khlupova M., Vasil’eva I., Shumakovich G., Zaitseva E., Chertkov V., Shestakova A., Morozova O., Yaropolov A.. Enzymatic Polymerization of Dihydroquercetin (Taxifolin) in Betaine-Based Deep Eutectic Solvent and Product Characterization. Catalysts. 2021. 11(5). Article number: 639
2. Vasil’eva I., Shumakovich G., Khlupova M., Vasiliev R., Morozova O., Yaropolov A. Enzymatic synthesis and electrochemical characterization of sodium 1,2-naphthoquinone-4-sulfonate-doped PEDOT/MWCNT composite. RSC Advances. 2020. 10. 33010-33017
3. Vasil’eva I.S., Shumakovich G.P., Morozova O.V., Khlupova M.E., Vasiliev R.B., Zaitseva E.A., Yaropolov A.I. Efficiency of a fungal laccase in 3,4-ethylenedioxythiophene polymerization. Chemical Papers. 2018. 72(6) 1499-1505
4. Хлупова М.Е., Морозова О.В., Васильева И.С., Шумакович Г.П., Пашинцева Н.В., Ковалев Л.И., Шишкин С.С., Чертков В.А., Шестакова А.К., Кисин А.В., Ярополов А.И. Лакказа-инициированное гетеросочетание дигидрокверцетина и п-аминобензойной кислоты: влияние полученного соединения на культивируемые клетки. Биохимия. 2018. 83(8). 1247-1258
5. G.P. Shumakovich, O.V. Morozova, M.E. Khlupova, I.S. Vasil’eva, E.A. Zaitseva, A.I. Yaropolov. Enhanced performance of a flexible supercapacitor due to a combination of pseudocapacitances of both PANI/MWCNT composite electrode and gel polymer redox electrolyte. // RSC Advances.  2017. V. 7. P. 34192-34196.  DOI: 10.1039/c7ra04801g
6. G.V. Otrokhov, G.P. Shumakovich, M.E. Khlupova, I.S. Vasil’eva, I.B. Kaplan, B.T. Zaitchik, E.A. Zaitseva, O.V. Morozova, A.I. Yaropolov. Biocatalytic approach as alternative to chemical synthesis of polyaniline/carbon nanotube composite with enhanced electrochemical properties. // RSC Advances.  2016. V. 6. P. 60372-60375.  DOI: 10.1039/c6ra12352j
7. Khlupova M., Vasil’eva I., Shumakovich G., Morozova O., Chertkov V., Shestakova A., Kisin A., Yaropolov A. Laccase-mediated biotransformation of dihydroquercetin (taxifolin). // Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. 2016. V. 123. № 1. P. 62-66.  DOI:10.1016/j.molcatb.2015.11.010
8. М.Е. Хлупова, И.С. Васильева, Г.П. Шумакович, О.В. Морозова, В.А. Чертков,  А.К. Шестакова, А.В. Кисин, А.И. Ярополов. «Ферментативная  полимеризация дигидрокверцетина с участием билирубиноксидазы». // Биохимия. 2015. Т. 80 (2). С. 285-295
9. O.D. Hendrickson, O.V. Morozova, A.V. Zherdev, A.I. Yaropolov, S.G. Klochkov, S.O. Bachurin, B.B. Dzantiev. Study of distribution and biological effects of fullerene C60 after single and multiple intragastrical administrations to rats. // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2015. V. 23(7). P. 658-668.  DOI: 10.1080/1536383X.2014.949695
10. G.P. Shumakovich, G.V. Otrokhov, M.E. Khlupova, I.S. Vasil’eva, E.A. Zaitseva, O.V. Morozova, A.I. Yaropolov. Laccase-catalyzed synthesis of aniline oligomers and their application for the protection of copper against corrosion. // RSC Advances. 2014. V. 4(57), P. 30193-30196. DOI: 10.1039/c4ra04836a
11. Yaropolov A.I., Kharybin A.N., Emneus J., Marko-Varga G., Gorton L. Flow-injection analysis of phenols at graphite electrode modified with co-immobilised laccase and tyrosinase. — Analytica  Chimica Acta, 1995, v. 308. p. 137-144 (DOI: 10.1016/0003-2670(94)00404-A)
12. Karamyshev A.V., Shleev S.V., Koroleva O.V., Yaropolov A.I., Sakharov I.Yu. Laccase-catalyzed synthesis of conducting polyaniline. — Enzyme and Microbial Technology, 2003, v. 33, № 5, p. 556-564 (DOI: 10.1016/S0141-0229(03)00163-7)
13. Shleev S.V., Morozova O.V., Nikitina O.V., Gorshina E.S., Rusinova T.V., Serezhenkov V.A., Burbaev D.S., Gazaryan I.G., Yaropolov A.I. Comparison of physico-chemical characteristics of four laccases from different basidiomycetes. — Biochimie, 2004, v. 86, № 9-10, p. 693-703 (DOI: 10.1016/j.biochi.2004.08.005 )
14. S. Shleev, J. Tkac, A. Christenson, T. Ruzgas, A.I. Yaropolov, J.W. Whittaker, L. Gorton. Direct electron transfer between copper-containing proteins and electrodes. — Biosensors & Bioelectronics, 2005, v. 20, № 12, p. 2517-2554 (DOI: 10.1016/j.bios.2004.10.003)
15. Shleev S., Jarosz-Wilkolazka A., A. Khalunina, Morozova O., Yaropolov A., Ruzgas T., Gorton L. Direct electron transfer reactions of laccases from different origins on carbon electrodes. — Bioelectrochemistry, 2005, v. 67, № 1, p. 115-124 (DOI: 10.1016/j.bioelechem.2005.02.004)
16. Морозова О.В., Шумакович Г.П., Горбачева М.А., Шлеев С.В., Ярополов А.И. «Голубые» лакказы. — Биохимия, 2007, t. 72, № 10, c. 1396-1412 (DOI: 10.1134/S0006297907100112)
17. Морозова О.В., Шумакович Г.П., Шлеев С.В., Ярополов А.И. Лакказа-медиаторные системы и их использование. — Прикладная биохимия и микробиология, 2007, t. 43, № 5, c. 583-597 (DOI: 10.1134/S0003683807050055)
18. Shleev S., Shumakovich G., Morozova O., Yaropolov A. Stable ‘floating’ air diffusion biocathode based on direct electron transfer reactions between carbon particles and high redox potential laccase. — Fuel Cells, 2010, v. 10, № 4, p. 726-733 (DOI: 10.1002/fuce.200900191)
19. Shumakovich G., Kurova V, Vasileva I., Pankratov D., Otrokhov G., Morozova O., Yaropolov A. Laccase-mediated synthesis of conducting polyaniline. — Journal of Molecular Catalysis. B. Enzymology, 2012, v. 77, p. 105-110 (DOI: 10.1016/j.molcatb.2012.01.023)
20. Otrokhov G., Pankratov D., Shumakovich G., Khlupova M., Zeifman Y., Vasil’eva I., Morozova O., Yaropolov A. Enzymatic synthesis of polyaniline/multi-walled carbon nanotubecomposite with core shell structure and its electrochemical characterization for supercapacitor application. — Electrochimica Acta, 2014, v. 123. p. 151-157 (DOI: 10.1016/j.electacta.2013.12.089)