В России выделили фермент для сельского хозяйства, устойчивый к нагреву и перепадам кислотности
Фосфор — один из важнейших элементов для сельского хозяйства. Он нужен животным для роста костей и обмена веществ, а растениям для развития корней и созревания плодов. Но большая часть фосфора, уже присутствующего в почве и кормах, находится в недоступной для животных и растений форме. Это требует добавления специальных ферментов, которые помогают увеличить усвояемость данного элемента. Проблема в том, что сегодня препараты на основе таких ферментов быстро разрушаются при нагревании, теряют свои свойства, из-за чего многократное их использование невозможно. В результате фермерам приходится покупать больше добавок, что ведет к росту затрат на выращивание растений и содержание животных. Ученые Пермского Политеха и Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН впервые выделили фермент из бактерий, обитающих в среде содового шламохранилища. Его модифицированные формы проявляют 95–97% активности, а также работают в 1,5–2 раза дольше существующих аналогов. Разработка позволяет снизить затраты на дорогие минеральные добавки.
Среди множества минеральных элементов, используемых в сельском хозяйстве, особую роль играет фосфор. Он необходим животным, так как входит в состав костной ткани, участвует в энергетическом обмене, поддерживает работу нервной системы и процессы деления клеток. Не менее значим фосфор и для растений: он стимулирует развитие корней, ускоряет цветение и созревание плодов, повышает устойчивость к засухе и болезням.
Данный элемент уже присутствует и в почве, и в кормах для животных, но находится в биологически недоступной для них форме и не усваивается. Это приводит к тому, что животные чаще болеют, их иммунитет ослабевает, размягчаются кости, а также снижается продуктивность: куры дают меньше яиц, коровы — меньше молока. Дефицит сказывается и на растениях: они медленно растут, поздно цветут, плоды мельчают, а урожайность падает.
Чтобы высвободить этот «недоступный» фосфор, нужен особый фермент — фитаза. Это белок, который осуществляет биохимические реакции в организмах, а также расщепляет соли фитиновой кислоты, содержащиеся в зерне, семенах и кормах, делая фосфор доступным для животных и растений. Фитаза повышает усвояемость этого минерального элемента и позволяет снизить потребность в дорогостоящих добавках.
В промышленности этот фермент часто используют в свободной форме, то есть просто растворяют в жидкости. Это самый простой, однако неэффективный способ, поскольку природная форма фитазы чувствительна к внешним условиям. При нагревании, резких изменениях кислотности или даже при долгом хранении она быстро теряет свойства. В результате большая часть фермента разрушается до того, как успевает выполнить свою функцию, что делает его использование экономически невыгодным. Другой способ — иммобилизация, то есть закрепление на твердом носителе. При таком подходе фермент становится более устойчивым к воздействию высоких температур, менее подвержен разрушению, однако традиционные методы иммобилизации, применяющиеся исследователями, часто приводят к снижению его активности (до 50–70%).
Основной проблемой при производстве кормов на основе фитаз является их разрушение под действием высоких температур. Фермент значительно снижает свою активность, из-за чего дальнейшее его использование требуется уже в больших объемах, что приводит к увеличению затрат. Еще одной сложностью является способность фитаз работать в основном в кислой среде, характерной для желудка животных. В других же отделах пищеварительной системы активность фермента падает, что приводит к снижению усвояемости фосфора организмом и также требует использования добавок в большом количестве.
В связи с этим, для сельского хозяйства очень важен такой фермент, который бы выдерживал нагревание при производстве кормов, работал в изменяющихся внешних условиях, а также сохранял свои свойства после нескольких применений.
Ученые Пермского Политеха и Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН впервые выделили фитазу из бактерий, обитающих в среде содового шламохранилища. Фермент при нагреве разрушается медленнее, сохраняет активность при разной кислотности среды и работает в 1,5–2 раза дольше по сравнению с существующими аналогами. Статья опубликована в журнале «Прикладная биохимия и микробиология». Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
Исследователи использовали в качестве среды для выделения именно содовый шлам, поскольку он отличается более агрессивными условиями – высокой щелочностью и высокой концентрацией солей. Там обитают микроорганизмы, устойчивые к неблагоприятным воздействиям окружающей среды. Это позволит применять их в условиях нагрева и перепадов кислотности.
Из выделенных бактерий ученые получили фитазу. Но сам по себе природный фермент — это растворенный белок, поэтому его необходимо было закрепить на твердом носителе.
— Мы попробовали два известных способа закрепления. Первый — физический: раствор фитазы добавили в гель из альгината – вещества, извлекаемого из бурых водорослей, и далее придали ему форму, получив маленькие шарики, внутри которых находился фермент. Второй способ — химический: фермент прикрепили к поверхности гранул из хитозана – вещества, которое получают из панцирей ракообразных. Нами были выбраны именно данные материалы, поскольку их нередко используют в биотехнологии: они не токсичные, дешевые и безопасные для животных и растений, — рассказала Ксения Иванова, студентка кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ.
Однако даже при использовании известных способов иммобилизации для каждого конкретного образца необходимо изучить влияние закрепления на твердом носителе на конечные свойства. Ученые измеряли, сколько активности сохраняется при воздействии различных температур и кислотности среды, а также при многократном ее использовании.
— Полученные образцы мы сравнили с другими фитазами, которые уже используются в сельском хозяйстве. Результаты анализа показали, что при закреплении на носителе удалось сохранить 95–97% активности. У других препаратов при иммобилизации активность падает в среднем до 50–70%. Фермент также сохранял активность в очень широком диапазоне pH — от 3 до 12. У аналогов диапазон работы уже: большинство активны только в кислой среде (pH 4–6), а при повышении pH быстро теряют активность, — поделилась Юлия Максимова, заведующая лабораторией молекулярной биотехнологии Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН.
Наиболее значимый результат связан с длительностью использования фермента. После шести циклов работы подряд закрепленная фитаза сохраняла 70% своей исходной активности. Это означает, что один и тот же препарат можно использовать многократно, что значительно снижает затраты. Для сравнения: существующие фитазы после 4–5 циклов использования сохраняют не более 50–60% активности. У некоторых аналогов этот показатель падает до 38–43%. Таким образом, разработка пермских ученых работает в 1,5–2 раза дольше, чем известные ферменты.
Полученный препарат можно использовать в кормопроизводстве, чтобы повысить усвояемость фосфора. Это позволит снизить добавление дорогих и экологически опасных минеральных добавок. Кроме того, фитазу можно вносить непосредственно в почву. Фермент высвободит связанный фосфор из органических соединений, и растения смогут его усваивать. Это снизит потребность в удобрениях и позволит сделать сельское хозяйство более экологичным.
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно