CC BY
99
УДК 668.411:674.032.14
Ю.П. Джиоев Г.В. Юринова 2, Б.Г. Сухов 3, С.М. Попкова 1, Т.В. Ганенко 3, Н.Н. Погодаева 3, Д.К. Васильева 2, Е.Б. Ракова 1, Л.А. Сафронова 4, В.С. Подгорский 3, Б.А. Трофимов 3
ГЕМИЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ИХ НАНОБИОКОМПОЗИТЫ -ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИНБИОТИКИ
1 Научный центр проблем здоровья семьи и репродукции человека СО РАМН (Иркутск)
2 Иркутский государственный университет (Иркутск)
3 Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН (Иркутск) 4 Институт микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного НАН Украины (Киев)
Из древесины лиственницы сибирской (Larix sibirica) выделены и охарактеризованы природные нанокомпозиты.гемицеллюлозы, арабиногалактана и флавоноидов. Синтезированы, и. охарактеризованы также нитро- и сульфоэфиры арабиногалактана и. кальциевая, соль сульфоэфиров арабиногалактана. Тестовыми исследованиями со штаммом. Bifidobacterium, bifidum. показано, что все полученные водорастворимые производные бета-гемицеллюзы арабиногалактана являются, перспективными комплексными, пребиотиками (за исключением, нитроэфиров арабиногалактана).
Ключевые слова: бета-полисахариды, арабиногалактан, пребиотики, пробиотики, нанобиокомпозиты, синбиотик
HEMITSELLYULOZA AND THEIR NANOBiOCOMPOSiTES - PERSPECTIVE NANOSTRUCTURED SINBIOTICS
Yu.P. Dzhioev 1, G.V. Yurinova 2, B.G. Sukhov 3, S.M. Popkova 1, T.V. Ganenko 3,
N.N. Pogodaeva 3, D.K. Vasiljeva 2, E.B. Rakova 1, L.A. Safronova 4, V.S. Podgorskij 3,
B.A. Trofimov 3
1 Scientific Center of Family Health and Human Reproduction Problems SB RAMS, Irkutsk
2 Irkutsk State University, Irkutsk
3 Institute of Chemistry of A.E. Favorskii SB RAS, Irkutsk
4 Institute of Microbiology and Virology of D.K. Zabolotny of National Academy of Sciences of Ukraine,
Kiev
Natural nanocomposites hemicellulose arabinogalactan and flavonoids isolated (from Siberian larch) and characterized. Additionally nitro- and sulfo-esters of arabinogalactan and its calcium salt are synthesized and characterized. All of the derivatives of the beta-hemicellulose arabinogalactan. are water-soluble and are promising prebiotics on the example test-strain Bifidobacterium, bifidum. (except for the nitrate esters of arabinogalactan).
Key words: beta-polysaccharides, arabinogalaktan, prebiotics, nanobiocomposites, sinbiotic
Арабиногалактан является природным полисахаридом, выделяется промышленно из лиственницы сибирской ^апх sibiricа) и является продуктом с высоким пребиотическим потенциалом (не разрушается в желуде человека и животных, однако, легко расщепляется ферментами пробиотических микроорганизмов и усваивается ими в кишечном тракте), являясь как субстратом, так и наноконтейнером для многих биологических объектов [5, 10, 13]. Установлено, что выделяемый из древесины лиственницы по щадящей технологии арабиногалактан-сырец представляет собой нативные нанобиоконъюгаты группы флавоноидов и арабиногалактана. Флавоноиды содержатся в количестве приблизительно 3 %, и в основном представлены дигидрокверцетином, а также аро-мадендрином и минорным в этой группе кверцетином [10]. Нанобиоконъюгаты флавоноидов и арабиногалактана наследуют наноморфологию самого арабиногалактана (сфероиды со средним гидродинамическим диаметром 200 нм), хорошо растворимы в воде (в отличие от практически нерастворимых в воде свободных чистых флавоноидов) и в самых разных средах (включая воду)
проявляют высокоэффективные антирадикальные свойства (установлено на липофильной ДФПГ [ди-фенилпикригидразидной], а также гидрофильной АБТС [азинобензотиазолинсульфокислотной] моделях) [10].
Этот полисахарид представляет интерес для создания на его основе комплексных синбио-тиков, несущих в своем составе максимальное сбалансированное количество необходимых для пробиотических микроорганизмов макро- и микроэлементов, а также других необходимых органических веществ, как химически конъюгированных с макромолекулами арабиногалактана, так и находящихся в этих макромолекулах в виде супрамолекулярных нанобиокомпозитов [7 — 9, 14]. Благодаря своим универсальным свойствам он успешно применяется в пищевой, фармакологической, косметологической, сельскохозяйственной промышленности. Использование арабиногалактана в сочетании с бактериями рода Bifidobacterium является одним из наиболее успешных синби-отических продуктов, представленных сегодня на рынке. Синбиотический комплекс в составе арабиногалактана и бифидобактерий хорошо за-
рекомендовали себя как в качестве биологических активных добавок (БАД), так и функциональных продуктов корреляции и модуляции многих жизненно важных процессов в организме человека и животных [1—3, 7—10, 13].
Исходя из этого, целью данной работы было проведение лабораторно-экспериментальных исследований по изучению метаболических свойств видов бифидобактерий при совместном культивировании с наноструктурированными производными арабиногалактана.
материалы и методы
В качестве пробиотического препарата в одном случае использовали сухой коммерческий антагонистически активный штамм бифидобактерий — B. bifidum № 1, при концентрации 5 x 108 КОЕ/мл (бифидумбактерин) (ЗАО «ПАРТНЕР» Москва) в сочетании с моногидратом лактозы — до средней массы 0,85 г. Другой пробиотик, бифидум (№ 791 БАГ) жидкой консистенции состоял из двух видов — B. bifidum, B. longum в сочетании с обезжиренным молоком, автолизатом дрожжей и гидролизатом молочного белка, содержащим не менее 1 x 1010 КОЕ/мл.
Полисахарид арабиногалактан использовали разной степени очистки (очищенный и неочищенный с примесями флавоноидов), в комплексе с элементами S (серы) и Ca (кальция), NO2 (молекулярная масса 12 кДа.)
Среды для выращивания бифидобактерий готовили на основе тиогликолевой, в которой в результате автоклавирования при 2 атм. разрушали углеводы, таким образом получая голодную тиогликолевую среду.
результаты и обсуждение
Тестовыми исследованиями со штаммом Bifidobacterium bifidum показано, что эти нанобиокомпозиты флавоноидов и арабиногалактана, а также специально очищенный арабиногалактан (без флавоноидов) могут быть единственными источниками углерода для пробиотических микроорганизмов. При использовании совместно с альтернативным источником углерода, глюкозой, арабиногалактан и его нанобиокомпозиты с фла-воноидами ингибируют микробную утилизацию глюкозы, однако не влияют на общие физиологические метаболические процессы микробов.
В различных этерифицирующих системах проведено нитрование и сульфирование арабино-галактана лиственницы сибирской с получением его соответствующих эфиров различной степени этерификации. Из кислых сульфатов арабинога-лактана получена также их кальциевая соль. Тестовыми исследованиями со штаммом Bifidobacterium bifidum также показано, что сульфоэфиры арабиногалактана и их кальциевая соль являются эффективными пребиотиками. Напротив, водорастворимые нитроэфиры (с умеренной степенью этерификации), несмотря на содержание в них азота, отрицательно влияют на рост и метаболизм
бифидобактерий. Особенности взаимодействия пробиотических микроорганизмов и новых производных арабиогалактана детализируются.
Таким образом, предварительные результаты проведенных исследований по совместному культивированию арабиногалактана с бифидобактериями позволяют предполагать реальную возможность применения нанобиокомпозитного комплекса (арабиногалактан и его биокомпозиты с пробиотическим микроорганизмом) в качестве синбиотического продукта. Значение результатов по исследуемой тематике позволит выйти на новый современный уровень, где происходит смена парадигм в медицине и фармакологии — акцент на персонифицированную медицину и замена многих лекарственных препаратов — антибиотиков на продукты функционального питания. Поэтому, создание новых синбиотиков на основе гемицеллюло-зынх соединений и их производных с элементами биогенных металлов в сочетании с пробиотическими компонентами с заложенными свойствами биологического и генетического модулирования процессов как межмикробного взаимодействия, так и процессов взаимоотношении между микро и макроорганизмом является новым этапом для разработок функциональных препаратов целевого и индивидуального действия.
Работа выполнена при финансовой поддержке международного гранта РФФИ — Украина за 2012 г. (грант 12-03-90433-Укр_а).
ЛИТЕРАТУРА
1. Arunachalam K.D. Role of bifidobacteria in nutrition, medicine and technology // Nutrit. Res. — 1999. - Vol. 19, N 10. - P. 1559-1597.
2. Binder H.J., Mehta P. Short-chain fatty acids stimulate active sodium and chloride absorption in vitro in the rat distal colon // Gastroenterology. — 1989. - Vol. 96. - P. 989-996.
3. Robinson R.R., Causey J., Slavin J.L. Nutritional benefits of larch arabinogalactan // Advanced Dietary Fiber Technology / Ed. McCleary B.V., Prosky L. -Blackwell Science Ltd.: Oxford, UK, 2001. - P. 443451.
4. Synthesis and characterization of novel water soluble amphotericin B - arabinogalactan conjugates / T. Ehrenfreund-Kleinman [et al.] // Biomaterials. -2002. - Vol. 23, N 5. - P. 1327-1335.
5. Арабиногалактан - перспективная нано-структурированная трансмембранная матрица для иммобилизации лекарственных средств / Б.Г. Сухов [и др.] // Химический журнал Казахстана. -2007. - Вып. 7. - С. 125.
6. Арабиногалактан лиственницы - перспективная полимерная матрица для биогенных металлов / С.А. Медведева [и др.] // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. -2002. - № 7. - С. 45-50.
7. Беловеж М.Ф, Ермакова А.К., Чистякова Л.В. Влияние арабиногалактана, выделенного из древесины лиственницы сибирской, на хлебопекарные достоинства муки мягкой пшеницы и качество
хлеба // Химия Растительного сырья. — 2009. — № 1. — С. 161 — 166.
8. Бондаренко В.М. Молекулярно — генетические и молекулярно-биологические исследования представителей родов Bifidobacterium и Lactobacillus // Вестник РАМН. — 2006. — № 1. —
C. 21—27.
9. Вахитов Т.Я., Петров Л.Н., Бондаренко В.М. Концепция пробиотического препарата, содержащего оригинальные микробные метаболиты // Журн. микробиол. — 2005. — № 5. — С. 108—114.
10. Медведева Е.Н., Бабкин В.А., Остроухо-ва Л.А. Арабиногалактан лиственницы — свойства и перспективы использования (обзор) // Химия растительного сырья. — 2003. — № 1. — С. 27 — 37.
11. Медведева С.А., Александрова Г.П., Грищенко Л.А. Арабиногалактан лиственницы, перспективная полимерная матрица лекарственных средств // II Всерос. конф. Химия и технология рас-
тительных веществ. Казань, 24 — 27 июня 2002 г. — Казань, 2002. - С. 101-102.
12. Полисахарид арабиногалактан как перспективная матрица для иммобилизации лекарственных средств / Б.Г. Сухов [и др.] // Химия и медицина: тез. докл. VI Всеросс. научн. семинара. Уфа, 2007. - С. 95-96.
13. Селезнева Н.В., Сергеев А.С., Гребенщиков А.В. Синбиотики - как функциональный компонент питания человека // Современные наукоемкие технологии. - 2009. - № 4. - С. 67-68.
14. Средство, обладающее антимикробной активность / Г.П. Александрова [и др.] // Патент РФ № 2278969. - 2006.
15. Трофимов Б.А., Сухов Б.Г. Нанокомпозиты медицинского назначения на основе природных полимеров // В кн.: «Наука и нанотехнологии». Материалы научной сессии Президиума СО РАН. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. - С. 155.
Сведения об авторах
Джиоев Юрий Павлович - к.б.н., старший научный сотрудник Института эпидемиологии и микробиологии ФГБУ «НЦ ПЗСРЧ» СО РАМН (664025, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 3)
Юринова Галина Валерьевна - к.б.н., доцент кафедры физико-химической биологии ФГБУ ВПО ИГУ
Сухов Борис Геннадьевич - кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, Иркутский институт химии им. А.Е.
Фаворского СО РАН
Попкова София Марковна - д.б.н., зав.лабораторией микроэкологии Института эпидемиологии и микробиологии ФГБУ «НЦ ПЗСРЧ» СО РАМН (664025, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 3)
Ганенко Татьяна Васильевна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН (г Иркутск, ул. Фаворского, 1)
Погодаева Наталья Николаевна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН
Васильева Дарья Константиновна - студентка биолого-почвенного факультета ФГБУ ВПО ИГУ
Ракова Елена Борисовна - к.б.н., научный сотрудник Института эпидемиологии и микробиологии ФГБУ «НЦ ПЗСРЧ» СО РАМН (664025, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 3)
Сафронова Лариса Анатольевна - к.б.н., старший научный сотрудник отдела инноваций и трансферных технологий Института микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного НАН Украины
Подгорский Валентин Степанович - академик НАН Украины, директор Института микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного НАН Украины
Трофимов Борис Александрович - доктор химических наук, профессор, академик РАН, директор Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН
