Бидний тухай
Багш ажилтан
Кератин нь шувуу, мөлхөгч, сээр нуруутан амьтадын өд, үс, эвэр, туурай, хучуур эдэд ихээр агуулагддаг холбогч эдийн уураг юм. Кератин манай гариг дээр хамгийн өргөн тархсан уургуудын нэг бөгөөд түүний амьтадад механик хамгаалалт болдог, бат бөх шинж чанартай, ус, сул хүчил шүлтэд уусдаггүй байдал нь инженер, судлаачдын анхаарлыг ихэд татаж кератин суурьтай био материал буюу бүтээгдэхүүн гарган ашиглах томоохон сэдлийг өдөөж байна. Кератин уураг нь цистэйн (7-13%), аланин, глицин, серин, валин зэрэг тодорхой төрлийн амин хүчлийг их хэмжээгээр агуулдаг ба лизин, триптофан, метионины агууламж багатай байгалийн биополимер юм. Кератины молекулын бүтэц нь өөрчлөх боломжтой карбоксил, амин, тиол, гидроксил зэрэг олон идэвхтэй бүлгүүдийг өөртөө агуулдаг. Кератины молекул дээрх эдгээр химийн бүлгүүд нь хоорондоо харилцан үйлчилж, ковалент бус (дисульфидын холбоо, устөрөгчийн холбоо, гидрофобын холбоо, ионы холбоо) дотоод ба молекул хоорондын холбоог үүсгэдэг бөгөөд ингэснээр кератины макромолекулын агрегатуудыг үүсгэдэг. Кератинд α болон β уургийн хоёрдогч бүтцийн аль нь давамгай байгаагаас шалтгаалж альфа (α) болон бета (β) гэсэн хоёр ангилалд хуваадаг ба α кератин нь үс, ноос, эвэрлэгийг бүрдүүлдэг бол β-кератин нь өд, мөлхөгчдийн хайрс зэргийг бүрдүүлдэг. Өөрөөр хэлбэл сульфидын холбоо бага буюу β-кератиныг зөөлөн кератин, сульфидын холбоо их α-кератиныг хатуу кератин гэж ангилдаг. Дисульфидын холбоо нь молекул хоорондын хөндлөн холбоосыг дэмждэг тул кератин нь биофилмийн маш сайн түүхий эд болох боломжтой. Дэлхий нийтээр асар их хэмжээний кератин агуулсан хог хаягдлыг хүнс, арьс шир, нэхмэл эдлэл гэх мэт салбарууд ихээр үйлдвэрлэдэг. Статистикийн мэдээгээр дэлхий дээр жил бүр 2.5 сая тонн ноос, 40 гаруй сая тонн үс, 65 сая гаруй тонн өд үйлдвэрлэдэг. Одоогийн байдлаар кератин агуулсан эдгээр хог хаягдлын ихэнхийг хогийн цэгт хөрсөнд булдаг ба үлдсэн хэсэг нь физик, химийн үйлчлэлд тэсвэртэй учир байгальд он удаан жил задралгүй орчны янз бүрийн бохирдлыг бий болгож байна. Иймээс кератин агуулсан хог хаягдлыг дахин боловсруулах, ашиглах, кератин дээр суурилсан функциональ материалыг хөгжүүлэх нь хүрээлэн буй орчны бохирдол, эрчим хүчний хомсдолыг шийдвэрлэх улмаар улс орнуудын тогтвортой хөгжилд чухал ач холбогдолтой хэмээн үзэж байна. Монгол орны хувьд малын гаралтай түүхий эд боловсруулах үйлдвэрүүдэд ихэвчлэн мах үйлдвэрлэлийн дайвар бүтээгдэхүүн болох арьс, шир, ноос, ноолуурыг ашиглаж байна. Боловсруулах үйлдвэрүүд хангалтгүйн улмаас түүхий эд эцсийн боловсруулалтад орж чадалгүй хаягдаж байгаль орчинд сөрөг нөлөө үзүүлж байна. Тиймээс малын гаралтай хаягдал түүхий эдийг боловсруулж өртөг шингээх, шинэ дэвшилтэт материал гарган авч төрөлжүүлэх шаардлага байна. Статистик мэдээллээр хонин сүргийн тоо толгой нэмэгдэж буйтай холбоотой ноосны нөөц нэмэгдэж байгаа боловч үйлдвэрийн аргаар боловсруулж буй хэмжээ буурч нөөцлөлт нэмэгдэж байна. Мөн ноолуурын үйлдвэрлэл, арьс шир боловсруулах явцад үйлдвэрийн шаардлага хангахгүй бүдүүн ширхэгт үс, ноос, хялгас ихээр гарч цаашид боловсруулах шийдлээ хүлээж байна. Монгол орны хувьд хог хаягдлын менежмент төдийлөн сайн хөгжөөгүй бөгөөд нэг жилд ойролцоогоор 3 сая гаруй тонн хог хаягдал үүсдэгээс 212 мянга гаруй тонн нь гялгар уутны хаягдал байдаг. Манай орон уг хаягдлын 17.5%-ийг нь дахин боловсруулдаг бөгөөд үлдсэн хог хаягдлын дийлэнх (2.8 сая тонн) хувийг хөрсөнд дарж булдаг. Гялгар уут буюу хуванцрын хаягдал нь макро болон микро түвшинд хөрс, агаар болон усны бохирдлыг үүсгэж байна. Кератин дээр суурилсан биофилм нь гялгар уут, пласткийг орлох байгаль орчинд ээлтэй дараагийн нэг шийдэл байж болох юм. Эдгээр шаардлага болон өөрсдийн туршлага дээр үндэслэн кератины байгалийн шинж чанарыг алдагдуулалгүйгээр нимбэгийн хүчилтэй холимог биофилмийг химийн болон физик холбоо үүсгэх байдлаар дэвшилтэд функцианол материал гарган авах оновчтой нөхцөлүүдийг тогтоохоор уг судалгааны төслийг дэвшүүлж байна. Үүний тулд энэ ажлын хүрээнд • Төрөл бүрийн малын гаралтай үс, ноос, хялгаснаас химийн аргаар кератин уураг гарган авч, гарц, физик химийн шинж чанарыг тогтооно. • Биофилм тогтох кератин болон нимбэгийн хүчлийн тохиромжтой харьцааг тогтооно. • Биофилмийн механик шинж чанарыг сайжруулахад тохиромжтой ионжуулагч цацрагийн тохиромжтой тун, хугацааг тогтооно. • Гарган авсан биофилмийн найрлага, нэмэлтээр үүссэн холбоо, механик шинж чанарыг нарийвчлан тогтооно. Кератин дээр суурилсан биофилм гарган авах талаар одоогоор зөвхөн 5 эрдэм шинжилгээний өгүүлэл 2019-2022 оны хооронд хэвлэгдээд байгаа бөгөөд шинэ тутамд хөгжиж буй судалгааны чиглэл юм. Бид 2020 оноос кератины судалгааны чиглэлийг МУИС дээр хөгжүүлж байгаа ба энэ ажлыг гүйцэтгэх бэлтгэлийг дараах байдлаар хангаад байна: 1. Хонины ноосноос химийн аргаар кератин уураг гарган авах оновчтой нөхцөлүүдийг урьдчилсан байдлаар тогтоосон a. Сүүлийн 3 жилийн хугацаанд Монгол хонины ноосноос химийн аргаар лабораторид кератин гарган авах аргуудыг харьцуулан судалж арга тус бүрийн оновчтой нөхцөлүүдийг тогтоосон. b. Монгол орны хөрснөөс ноос, өд задлах өндөр идэвхтэй бактерийн цэвэр өсгөврүүдийг гарган авсан. 2. МУИС-ийн наноматериалын лаборатори энэ төрлийн судалгааны ажлыг гүйцэтгэх зарим багаж тоног төхөөрөмжөөр хангагдсан 3. Энэ чиглэлийн судалгаа хийх онол арга зүйн бэлтгэлтэй болсон. Сүүлийн 3 жил энэ чиглэлийн судалгааны ажлаар манай багаас 5 бакалавр, 2 магистрын судалгааны ажлыг гүйцэтгэж амжилттай хамгаалсан. 4. Уг чиглэлээр манай баг Америкийн химийн нийгэмлэгээс гаргадаг Q1 ангиллын if-4.1 ACS-Omega сэтгүүлд судалгааны ажлаа энэ онд хэвлүүлсэн. 5. Химийн аргаар хонины ноосноос кератин уураг гарган авах талаар 1, био утаслаг гарган авах талаар 1, нийт 2 оюуны өмчийг МУИС-ийн нэр дээр оюуны өмчийн газарт мэдүүлээд байна.
Keratin, a connective tissue protein abundant in feathers, hair, horns, hooves, and epithelium of birds, reptiles, and vertebrates, stands out as one of the most pervasive proteins on Earth. Its mechanical shielding for animals, robust properties, and resistance to water and weak acids and alkalis have captured the attention of engineers and researchers, fostering the exploration and application of keratin-based biomaterials and products. Functioning as a natural biopolymer, keratin encompasses a substantial quantity of specific amino acids, including cysteine (7-13%), alanine, glycine, serine, and valine. Conversely, it maintains a low content of lysine, tryptophan, and methionine. The molecular structure of keratin boasts numerous reactive groups such as carboxyl, amine, thiol, and hydroxyl, offering avenues for modification. These chemical groups on the keratin molecule interact, establishing non-covalent intra- and intermolecular bonds, such as disulfide bonds, hydrogen bonds, hydrophobic bonds, and ionic bonds, consequently forming keratin macromolecular aggregates. Categorized into two classes, alpha (α) and beta (β), keratin's distinction lies in the prevalence of either α or β protein secondary structures. α-Keratin gives rise to hair, wool, and cornea, while β-keratin contributes to feathers and reptile scales. Essentially, soft keratin, characterized by β-keratin with fewer sulfide bonds, and hard keratin, characterized by α-keratin with an abundance of sulfide bonds, exemplify this classification. Due to the promotion of intermolecular cross-linking by disulfide bonds, keratin emerges as a promising raw material for biofilms. Globally, industries such as food, leather, and textiles generate a substantial volume of waste containing keratin. Statistics reveal staggering figures, with the world producing 2.5 million tons of wool, over 40 million tons of hair, and more than 65 million tons of feathers annually. Currently, a significant portion of these keratin-rich wastes ends up in landfills, and the remainder proves resistant to both physical and chemical degradation, contributing to persistent environmental pollution that lingers for many years without decomposition in nature. Recognizing the urgency of addressing this issue, the recycling and utilization of keratin-containing waste, coupled with the development of functional materials based on keratin, emerge as crucial strategies. These endeavors are deemed essential not only for mitigating environmental pollution but also for tackling energy shortages, thus fostering the sustainable development of nations. In Mongolia, by-products of meat production, such as leather, wool, and cashmere, undergo processing in animal raw material plants. However, due to inadequate processing facilities, these raw materials often fail to reach the final processing stage, leading to environmental harm as they are discarded. Consequently, there is a pressing need to enhance the processing of animal waste raw materials, extracting advanced materials and diversifying their applications. Statistics indicate a rise in wool stock due to an increase in sheep numbers, but industrial processing has decreased, resulting in a surplus of raw materials. In the production of cashmere and leather processing, a significant amount of coarse hair, wool, and hair that do not meet industry standards are generated, prompting the search for solutions in further processing. Mongolia faces challenges in waste management, generating over 3 million tons of waste annually, with plastic bag waste accounting for more than 212,000 tons. The country presently recycles only 17.5% of its waste, with the majority (2.8 million tons) being disposed of in landfills. This mismanagement of plastic bags and other plastic waste contributes to soil, air, and water pollution on both macro and micro scales, necessitating urgent and comprehensive waste management solutions. Keratin-based biofilms represent a promising environmentally friendly alternative to traditional plastics, especially in the context of replacing plastic bags. Our research project aims to establish optimal conditions for the production of advanced functional materials capable of forming a robust chemical and physical bond with a citric acid-mixed biofilm while preserving the inherent properties of keratin. The key objectives of this project include: Chemical Extraction of Keratin: We will extract keratin protein from various animal sources such as hair, wool, and fur, assessing both yield and physicochemical properties to ensure a comprehensive understanding of the material. Optimal Keratin-Citric Acid Ratio: Determining the ideal ratio of keratin to citric acid is crucial for the successful formation of the biofilm, balancing structural integrity with environmental considerations. Ionizing Radiation Enhancement: Investigating the appropriate dose and duration of ionizing radiation to enhance the mechanical properties of the biofilm, ensuring its durability and functionality. Detailed Biofilm Composition Analysis: A comprehensive analysis will be conducted to identify the composition of the resulting biofilm, the bonds formed through additions, and a thorough examination of mechanical properties. Keratin-based biofilm production is an evolving research area with only five academic papers published between 2019 and 2022. Commencing our efforts in 2020, we have been at the forefront of developing the keratin research field at National University of Mongolia, meticulously preparing for our innovative work in the following ways: 1. Optimal Keratin Extraction Conditions: Over the past three years, we have established preliminary optimal conditions for extracting keratin protein from sheep's wool through chemical methods. This involved a thorough comparison and assessment of various extraction methods in our laboratory. a. In-depth research has led to the identification of the most effective conditions for each extraction method, ensuring the highest quality and yield of keratin from Mongolian sheep wool. b. We have successfully obtained pure cultures of highly active wool and feather decomposing bacteria from Mongolian soil, enriching our understanding of the biological aspects of keratin decomposition. 2. Laboratory Tools and Equipment: The nanomaterials laboratory at NUS has been equipped with the necessary tools and equipment to facilitate our research in this field, ensuring a state-of-the-art environment for experimentation and analysis. 3. Theoretical and Methodological Preparedness: Over the past three years, our team has garnered comprehensive theoretical and methodological expertise, successfully defending five bachelor's and two master's research projects in this field. 4. Publication in Prestigious Journal: Our team has contributed to the academic discourse by publishing research work in the Q1 category if-4.1 ACS-Omega journal, a publication issued by the American Chemical Society this year, further establishing our presence in the scientific community. 5. Intellectual Property Filings: Notably, we have filed two intellectual properties in the name of National University of Mongolia with the Intellectual Property Office. These filings encompass advancements in extracting keratin protein from sheep's wool through chemical methods and producing biofibers, showcasing our commitment to innovation and contributing valuable insights to the field.
Түлхүүр үгс:Сүүлийн жилүүдэд материал судлалын салбарт гарсан нэг дэвшил бол тухайн материалыг нанотехнологийн тусламжтай нанохэмжээст (1-100 нм) түвшинд гарган авах, инженерчлэх болмжтой болсон явдал юм. Үний үр дүнд шинэ шинж чанартай материалуудыг гарган авч, энерги, оптик инженерчлэл, хүнс, хөдөө аж ахуй, компьютер, электроник, гоо сайхан, анагаах ухаан түний дотор эмчилгээ, оношилгоо зэрэг бүхийл салбарт ашиглаж тухайн салбаруудын хөгжлийг хурдасгаж байна. Наноматериалуудыг хими, физик, биологийн гэсэн үндсэнд 3 аргаар гарган авдаг. Химийн болон физикийн аргуудыг ашиглахад хоёрдогч хаяагдлууд гардаг учир байгаль орчинд хор уршиг дагуулдаг. Биологийн аргаар наноматериал гараган авах нь байгаль орчинд үзүүлэх нөлөө бага илүү ногоон технологи юм. Биологийн аргаар наноматериал гарган авах явцад тухайн организмын гаралтай нэгдлүүд нь нанобүтэцийн гадаргууд холбогдож тогворжуулж өгдөг. Тэгснээр тухайн наноматериалын хүний биед үзүүлэх хоруу чанар багсаж илүү био-нийцтэй болдог. Биологийн аргаар наноматериал гарган авхад мөөгөнцөр болон дрожжууд ихээхэн тохиромжтой учир нь эдгээр организмууд металлын давсуудыг ангижруулж нанобүтэц рүү шилжүүлдэг хоёрдогч метаболизмийн бүтээгдэхүүнүүд болон ферментүүдээ тэжээлт орчин руу ихээр ялгаруулдаг. Байгалийн гаралтай зэрлэг жимэснүүд нь дрожжийн өсөж, үржихэд тохиромжтой нүүрс усны эх үүсвэр ихээр агуулдаг учир амьдрах таатай орчин болдог. Уг судалгааны ажлаар Монгол орны зэрлэг жимэснээс ялгасан дрожжийн цэвэр өсгөвөрүүдийн төрөл бүрийн нанохэмжээст метал сууртай бүтэцүүдийг нийлэгжүүлэх потенцал, тохиромжтой нөхцлийг тогтоох юм. Үүний үр дүнд Монгол орны байгалын гаралтай дрожжууд шинэ тутамд хөгжиж буй салбарт судалгааны эргэлтэнд орж, илүү аюулгүй бионийцтэй нанохэмжээст материал гараган авах технологиуд хөгжүүлэх суурь болох юм.
One of the advances in materials science in recent years has been the ability to produce and engineer materials at nanoscales (1-100 nm) using nanotechnology. As a result, new materials are being developed and used to accelerate the development of most fields, including energy, optical engineering, food, agriculture, computers, electronics, cosmetics, and medicine. Nanomaterials are obtained in three main ways: chemical, physical, and biological. The use of chemical and physical methods is harmful to the environment due to secondary emissions. Biosynthesis of nanomaterial is a greener technology with less environmental impact. In the process of biological production of nanomaterials, the compounds of the organism bind to the surface of the nanostructure and stabilize it. This reduces the toxicity of the nanomaterial to the human body and makes it more bio-compatible. Fungi and yeasts are ideal for the biological synthesis of nanomaterials because these organisms release large amounts of secondary metabolic products and enzymes into the nutrient medium that reduces metal salts and converts them into nanostructures. Natural wild fruits are a good source of carbohydrates for yeast to grow and reproduce. The study will identify the potential and suitable conditions for the production of various nanoscale metal-based structures of yeast cultures isolated from wild berries in Mongolia. As a result, Mongolia's natural yeasts will be put into research in emerging industries and will form the basis for the development of technologies for the production of safer bio-compatible nanomaterials.
Түлхүүр үгс:
