Лаборатория аддитивных технологий и инженерной биологии

1. Проведён аналитический обзор современной нормативной и методической литературы. Выполнен анализ современного состояния проблемы, исследуемой в рамках проекта, проведён литературный обзор и патентный поиск технологий синтеза, их ключевых параметров, характеристик используемого оборудования и функциональных материалов. Разработана концепция разработки автоматической системы синтеза олигонуклеотидов и наиболее перспективные варианты технологических решений.
2. Разработаны алгоритмы синтеза олигонуклеотидов. Проведено численно-аналитическое исследование химических реакций синтеза. Разработана численно-аналитическая модель, описывающая протекающие химические реакции синтеза олигонуклеотидов и позволяющая на основе заданных параметров реакции осуществлять подбор реагентов, растворителей и концентраций растворов. Определён перечень реагентов, растворителей и необходимых концентраций растворов, рекомендованных для анализа в рамках математического и компьютерного моделирования.
3. Разработана гидродинамическая модель, позволяющая определять параметры основных функциональных узлов системы, отработать принципы дозирования растворов. Проведено моделирование основных функциональных узлов системы. Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления макетов основных функциональных узлов системы автоматического синтеза. Проведено макетирование основных функциональных узлов системы. Проведены экспериментальные исследования макетов функциональных узлов системы автоматического синтеза. Уточнены технологические требования по геометрии основных узлов системы, размерам каналов подачи растворов и сопла для дозирования, размерам и геометрии реакторов для синтеза.
4. Разработаны экспериментальные образцы функциональных растворов для предварительных исследований. Проведены предварительные экспериментальные исследования составов и концентраций функциональных растворов.
5. Определено основное направление проектирования, уточнены задачи и требования, подлежащие проработки в ходе реализации исследовательской программы. Разработано ТЗ на систему автоматического синтеза олигонуклеотидов. Разработаны ЧТЗ на разработку функциональных материалов и реактивов.
6. Изготовлены макеты функциональных узлов системы автоматического синтеза. Изготовлена экспериментальная установка для отработки технологии прецизионного дозирования.
7. Разработано две образовательных программы дополнительного профессионального образования «Химический синтез и модификация нуклеиновых кислот» и «Геномная инженерия».

1. Проработана конструкция и программное обеспечение макета системы автоматического синтеза олигонуклеотидов (стадия разработки – эскизный проект).
2. Изготовлены макеты основных функциональных узлов системы (роботизированная платформа, подсистема технического зрения, модули перемещения и размещения подложек, модули промывки и просушки дозаторов, модуль шприцевого дозирования и модуль пьезоэлектрического дозирования, технологический бокс) создано программное обеспечение.
3. Проведены экспериментальные и численные исследования гидродинамических и диффузионных процессов в макетах основных узлов системы автоматического синтеза. Даны рекомендации по повышению качества пьезоэлектрического дозирования жидкостей (оптимизация скорости и объёма, устранение сателлитов). Получены экспериментальные и теоретические зависимости физико-химических свойств продуктов реакций от параметров основных узлов системы.
4. Выполнены исследования на совместимость материалов, используемых в гидролиниях системы с растворами реагентов, и установлен перечень конструкционных материалов пригодных для изготовления деталей и узлов системы.
5. Получена зависимость эффективности реакций синтеза от методов функционализации поверхности подложек. Установлены технологические требования, предъявляемые к характеристикам поверхности исходных материалов для изготовления основных функциональных узлов системы синтеза. Выбраны методы функционализации поверхности для различных типов материалов (стекла, ПАОА, СВМПЭ).
6. Подобраны отечественные реагенты и растворители для приготовления функциональных растворов для синтеза олигонуклеотидов.
7. Испытаны материалы для синтеза олигонуклеотидов, выбраны материалы, прошедшие испытания на возможность их использования в качестве твердофазного носителя (ПАОА, СВМПЭ, стекло).
8. Разработан комплект технологической документации (маршрутная и операционные карты, лабораторный технологический регламент и технологическая инструкция) на изготовление функционализированных подложек на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, а также на получение подложек на основе пористого анодированного оксида алюминия.
9. Разработана программа пуско-наладочных работ, а также программа и методики исследовательских испытаний макета системы автоматического синтеза. Проведены пуско-наладочные работы.
10. Составлен перечень задач, которые необходимо решить на этапе разработки РКД.
11. Выполнена апробация образовательных программ по направлениям «Химический синтез и модификация нуклеиновых кислот» и «Геномная инженерия».
12. Проведена школа-семинар по теме «Развитие отечественной приборной базы для реализации технологии твердотельного синтеза олигонуклеотидов».
13. Проведена научно-практическая школа по направлению «Редактирование генома».
14. Проведены стажировки сотрудников ЛАТИБ в организациях ООО «Синтол» и НИИ онкологии ТНИМЦ. Сотрудниками освоены методы секвенирования ДНК (по Сэнгеру и NGS-секвенирование), выполнения фрагментного анализа, биоинформатический анализ.
15. Выполнен ремонт помещений ЛАТИБ, закуплена лабораторная мебель, исследовательское и производственное оборудование, необходимое для дальнейшего выполнения проекта, в том числе:
    • растровый электронный микроскоп Coxem EM-30Plus,
    • оптический интерференционный профилометр Chotest SuperView W1,
    • УФ-лазерный маркиратор G-mark 1000UV,
    • циркуляционный охладитель Термэкс А600,
    • ИК-спектрометр Симекс ФТ-801 с приставками,
    • программное обеспечение COMSOL.

1. разработан Технический проект системы автоматического синтеза олигонуклеотидов по ГОСТ 2.120-2013. Выполнена проработка конструкторских и программных решений, соответствующая стадии – технический проект, разработана пояснительная записка технического проекта. Разработана схема деления структурная системы. Разработан перечень (комплектность) рабочей конструкторской документации на систему;
2. разработана рабочая конструкторская и программная документация на систему автоматического синтеза олигонуклеотидов;
3. разработан комплект эксплуатационной документации на систему автоматического синтеза олигонуклеотидов;
4. разработана программа и методики предварительных испытаний опытного образца системы автоматического синтеза олигонуклеотидов;
5. изготовлен опытный образец системы автоматического синтеза олигонуклеотидов;
6. изготовлен комплект функциональных материалов и реактивов для проведения предварительных испытаний опытного образца. Разработан способ модификации пористых подложек с использованием универсального линкера, позволяющий, в отличие от привитого стартового нуклеотида, выполнять синтез олигонуклеотидов начиная с любого амидофосфита;
7. проведены предварительные испытания опытного образца системы автоматического синтеза олигонуклеотидов. Исследована кинетика и селективность химических реакций синтеза, получаемых продуктов реакций и эффективность синтеза. Определена эффективность разработанной системы синтеза в сравнении с имеющимися аналогами. Показано, что, с помощью разработанной системы струйного дозирования можно формировать споты диаметром от 140 мкм и плотностью выше 100 шт/см2, что значительно превышает возможности стандартных синтезаторов.;
8. скорректирована рабочая конструкторская, программная и технологическая документация и доработан опытный образец по результатам предварительных испытаний опытного образца системы;
9. изготовлен и исследован опытный образец продукции – синтезированные олигонуклеотиды для оценки качества олигонуклеотидов синтезированных с использованием опытного образца. Проведена сборка протяженной двуцепочечной ДНК конструкции методами лигазной циклической сборки с использованием пула синтезированных олигонуклеотидов. Проведена оценка методом секвенирования по Сэнгеру типов и количества встречающихся ошибок: замен, делеций и инсерций. Выполнено сравнение с результатами, полученными с использованием синтезированных олигонуклеотидов на планшетном синтезаторе ASM-2000 (Биоссет). В ходе испытаний на 105 спотах проведен синтез 35 последовательностей олигонуклеотидов в трех повторениях длиной от 10 до 31 нуклеотида. Методом лигазной сборки собран ген длиной 402 нт. Показано, что расход реагентов для синтеза 490 олигонуклеотидов с использованием разработанной Системы по сравнению с планшетными синтезаторами сокращается в 15 раз по ацетонитрилу, деблокирующему раствору, окислителю и кэпирующему раствору и в ~5 000 раз по амидофосфитам;
10. за счет внебюджетных источников выполнено изготовление подсистем дозирования, перемещения и мониторинга для опытного образца системы автоматического синтеза, а также реализовано материально-техническое обеспечение мероприятий реализации программы (ТУСУР и ТГУ);
11. проведено обучение слушателей по образовательным программам «Химический синтез и модификация нуклеиновых кислот» и «Геномная инженерия».
12. проведена школа по геномной инженерии для молодых ученых;
13. проведены 9 стажировок участников исследовательского коллектива в возрасте до 39 лет в организациях, осуществляющих исследования в области генетических технологий (ИХБФМ СО РАН, Региональный инжиниринговый центр Радиоэлектронного приборостроения, Карагандинский университет им. акад. Букетова);
14. проведена школа-семинар по генетическим технологиям: «Развитие отечественной приборной базы для реализации технологии твердотельного синтеза олигонуклеотидов»;
15. дооснащена научно-исследовательская лаборатория “Аддитивных технологий и инженерной биологии”, а также центр коллективного пользования “Импульс”.
16. по результатам исследований в Роспатент подано 4 заявки на изобретение и получено 2 свидетельства на программы ЭВМ.
17. сформулировано предложение по продлению исследовательской программы.

Получены следующие результаты:

1. выполнена модификация подсистемы струйного дозирования с целью снижения смачиваемости поверхности дозаторов рабочими реагентами;
2. доработано программное обеспечение с целью повышения производительности работы системы и реализован режим “печать на лету”;
3. разработана конструкция шприцевых дозаторов с целью повышения степени локализации производства;
4. проработана конструкция проточной ячейки и исследована ее эффективность;
5. выполнена оптимизация конструкции Системы автоматического синтеза олигонуклеотидов по критерию снижения эксплуатационных затрат;
6. выполнена корректировка эксплуатационной документации;
7. проведены испытания системы автоматического синтеза олигонуклеотидов.
   За счет внебюджетных средств проведены следующие работы:
8. изготовлен комплект шприцевых дозаторов для опытного образца Системы автоматического синтеза олигонуклеотидов;
9. доработан и изготовлен опытный образец системы автоматического синтеза олигонуклеотидов;
10. осуществлено материально-техническое обеспечение мероприятий реализации программы.
    Продолжена реализация программ дополнительного профессионального образования по генетическим методам и технологиям:
11. проведено обучение слушателей по образовательным программам «Химический синтез и модификация нуклеиновых кислот» и «Геномная инженерия».
12. проведены 7 стажировок участников исследовательского коллектива в возрасте до 39 лет в организациях, осуществляющих исследования в области генетических технологий (РИЦ АФС и ТНИМЦ «Институт онкологии»);
13. проведена школа по геномной инженерии для молодых ученых;
14. проведена школа-семинар по генетическим технологиям: «Опыт разработки и эксплуатации отечественного синтезатора олигонуклеотидов»;
15. дооснащена научно-исследовательская лаборатория “Аддитивных технологий и инженерной биологии”.
16. по результатам исследований за 2024 год в Роспатент подано 2 заявки на изобретение и получено 4 патента на изобретение.