Аналитическая биотехнология Основные направления, тенденции развития
Аналитической биотехнологией называют совокупность технологий и методов, которые обеспечивают исследования и проведение различного сорта измерений в следующих областях: Ø Ø Ø Ø - геномика, - протеомика, - исследование метаболизма, - поиск новых лекарственных препаратов, - скрининг, анализ структуры и функционального поведения биомакромолекул (ДНК, РНК, белки) и микроорганизмов - скрининг, анализ структуры и функционального поведения низкомолекулярных метаболитов и физиологически активных веществ, - создание аналитических платформ на основе иммобилизованных и стабилизированных форм биомакромолекул, клеточных органелл, целых клеток и тканей, - создание неинвазивных технологий для анализа сложных смесей молекул и организмов.
Аналитическая биотехнология – мультидисциплинарная область. Основные методы и подходы. Ø Ø Ø Ø Ø - Аналитическая спектроскопия (ЯМР, флуоресцентная и др. ). - Масс-спектрометрия. - Хроматография. - Капиллярный электрофорез. - Высокоскоростные лабораторные методы забора и разделения проб, аликвотирования, качественного и количественного анализа. - Быстрое типирование и расшифровка последовательности биомакромолекул. - Биосенсорные технологии (основные типы детекторов и элементов «селекторов» ). - Флуоресцентрные зонды, «квантовые точки» . - Хемолюминесценция. - Клиническая биохимия, экологический мониторинг (традиционные методы, автоматизация анализа, миниатюризация анализа, концепции «лаборатория на чипе» и «у постели больного» ). - Традиционные методы иммуноанализа. - Новые платформы иммуноанализа (тестовые полоски, иммуночипы). - Методы ПЦР (традиционные подходы, on line ПЦР, ПЦР на чипе). - Биочипы (МАГИК-чип (Матрица Гель-Иммобилизованных Компонентов на микрочипе), биочипы на основе жидких кристаллов ДНК, анализ на основе аптамерной ДНК, «клетка на чипе» , «лаборатория на чипе» ). - Конфокальная микроскопия. - Сканирующая зондовая микроскопия. - Микрофлюидные технологии. - Иммобилизация биомакромолекул, клеточных органелл и целых клеток. - Методы анализа сложных смесей ( «биоэлектронный нос» , «биоэлектронный язык» , нейросетевые алгоритмы, кластерный анализ).
Основные технологические тенденции начала 21 века Ø Ø Ø Геномика и протеомика Терапия и новые лекарственные препараты Биомедицинская инженерия Конструирование материалов Интеллектуальные материалы Самосборка Ø Ø Ø Ø Ø Быстрый прототапинг Новые здания Транспорт Энергетические системы Новые материалы Нанотехнологии МЭМС Молекулярная сборка и нанороботы
Геномика и протеомика Ø Генопрофилирование и анализ ДНК Ø Новые биосенсорные системы Ø Клонирование (крупный рогатый скот) Ø Генетически модифицированные организмы (качество и количество пищи, генетические заболевания) Ø Протеомика следующий технологический скачок (регуляция метаболических путей, функций клеток и организмов)
Терапия и новые лекарственные препараты Будут излечены распространенные заболевания Ø Преодолена устойчивость к антибиотикам Ø Понимание того, как конкретное заболевание действует на людей со специфическими генетическими характеристиками Ø Развитие индивидуальных лекарственных форм Ø
Биомедицинская инженерия Новая хирургия Ø Новые человеческие органы Ø Использование неспецифических клеток (стволовые клетки) для усиления или замещения функций мозга и других органов Ø Сенсоры (имплантируемые нано- и микрочипы) Ø Нейропротезы (имплантанты ретиналя, ушной раковины, байпасы спинальных и нервных повреждений) Ø
Технологическая революция: направления, глобальные тенденции и условия реализации Направления Ø «Умные материалы» Ø Био/генетическая инженерия Ø Генетическая инженерии Ø Ульта/гига интеграция Ø Наносборка Ø Микромашины и микроустройства Ø Приборное обеспечение и поддержка «сетевых» технологий Глобальные тенденции Ø Мультидисциплинарный подход Ø Наносистемы Ø Глобальное знание Условия реализации Ø Мультидисциплинарное обучение Ø Мультидисциплинарная квалификация и структура Ø Ориентированные на локальные нужды и источники продукты Ø Смешанное финансирование (государственное и частное)
Приоритетные направления вложения средств в первой половине 21 века лежат в области совместного развития 4 наук: нанотехнологии, биотехнологии, информатики и когнитивных наук Converging Technologies for Improving Human. Nanotechnology, Biotechnology, Information Technology and Cognitive Science (NBIC)
Основные прогнозируемые достижения конца 21 века Эффективные и «умные» роботы Интерфейсы, которые непосредственно свяжут человека и компьютер Ø Сенсорные устройства, предназначенные для постоянной передачи информации о состоянии человеческого организма Ø Значительная часть заболеваний навсегда покинет организм «модифицированного человека» Ø Люди соединятся в единую «мыслящую структуру» Ø Ø
Будущее человечества это роботообразные люди. Период наращивания своих внешних возможностей подходит к концу. Акценты развития смещаются в сторону совершенствования внутренних возможностей человеческого организма. (так же как сейчас покупают автомобиль, в будущем станут приобретать более быстрые ноги, слышащие ультразвук уши или видящие радиоволны глаза)
6 основных мегатрендов в науке и технике Информатика и компьютерные науки Ø Нанонаука и нанотехнологии Ø Биология и биоэкологические подходы Ø Медицина и развитие возможностей человеческого тела Ø Когнитивные науки и повышение интеллектуальных возможностей человека Ø Коллективное поведение и системные подходы Ø
Главные тренды 21 века пересекаются по нескольким направлениям, создавая новые направления Биоинформатика Исследование функций головного мозга Нейроморфная инженерия Персональный сенсорный интерфейс (расширение возможностей органов чувств) Ø Создание интерфейсов, способных транслировать человеческие мысли и желания мириадам технических устройств, окружающих нас Ø Новые стратегии обучения Ø Создание инструментов увеличивающих интеллектуальный потенциал Ø Ø
Всеобщая биоинформационная среда Tissue Informatics Inc.
Объект Инструмент, метод получения информации ДНК, гены Автоматизированные системы определения последовательности ДНК, Электрофорез, аффинные сенсорные микроматрицы, Массспектрометрия Белки Электрофорез, Масс-спектрометрия, Аффинные сенсорные микроматрицы Клетки Био анализ, Флуоресцентные зонды, Цифровые изображения Ткани Цифровые изображения, Гиперколичественный анализ (анализ многопараметрической информации) Организм Цифровая радиология (рентген, томография, ЯМР, протонно-лучевая томография), Данные химического и биохимического анализа, Данные медицинских наблюдений Сообщество Совокупные данные медицинских наблюдений
Улучшение здоровья и физических возможностей человека Нано-био процессор Ø Самомониторинг физиологического здоровья и дисфункций с использованием наноимплантируемых устройств ( «чудомедицина» ) Ø Наномедицинские исследования, новая хирургия и роботы, увеличение продолжительности жизни Ø Инвалиды, расширение возможностей или замена органов чувств Ø Интерфейс мозг-машина и мозг-мозг Ø Виртуальное окружение Ø
В технологическом институте штата Джорджия, в Атланте, разработан необычный робот. Он управляется не набором микросхем и программного обеспечения, а массивом из нескольких тысяч нейронов, взятых из крысиного мозга. Такое биоэлектронномеханическое устройство называют "Гибротом" - от словосочетания "гибридный робот". Для управления используется сеть из нескольких тысяч нейронов, выращенных на подложке из 60 компактных электродов. Нейроны были взяты из мозга крысиных эмбрионов. Электроды фиксируют испускаемые нейронами электрические импульсы и через усилитель передают на схемы, управляющие движением робота. Те же самые электроды используются и для обратной связи.
Перерыв
Индивидуальная терапия (через генотипирование и фенотипирование) Корреляция физических (поведенческих) характеристик с генотипом и полиморфизмом Ø Моделирование того, как комбинация особенностей влияет на общее поведение Ø Моделирование того, как ярко выраженные особенности, дают преимущества при одном наборе внешних условий и шансов, но не дают преимуществ, а скорее являются недостатком при другом наборе внешних условий и шансов Ø
Расширение познавательных и коммуникативных возможностей человека Ø Ø Ø Комплексное исследование головного: структура, функции, взаимосвязи (Human Cognom Project) Персональный приборно-сенсорный интерфейс (расширение возможностей органов чувств и других сенсорных систем организма, новые виды сенсоров, память вне головного мозга, улучшение памяти) Улучшение коммуникабельности (ориентация на индивидуальные потребности, персональные информационные системы) Обучение тому, как учить (интерактивные мультимедийные системы) Устройства для повышения творческих способностей (процессоры и сетевые архитектуры для создания новых продуктов)
Безопасность Связь данных, предупреждение угрозы, осознанная готовность Ø Необитаемые боевые машины Ø Боевое обучение и тренировка Ø Детекция и защита Ø Боевые системы Ø Лечение без лекарств, усиление боевых возможностей человека Ø Использование интерфейса мозг-машина Ø
Приоритетные проекты Ø Расширенная реальность Ø Биомедицинский статус (медицинский эквивалент GPS, контроллеры сна, биоаналитический чип ) Ø Технологии выживания (системы защиты, одежда из селективно проницаемых мембран)
Сенсоры и диагностика – приоритет сенсорные микро- и наноматрицы, другие мультимодальные системы для получения информации о состоянии организма и окружающей среды Ø Физиологическое позиционирование – связь между молекулярными параметрами организма и заболеваниями и поведением Ø Решение задач большой размерности – создание технологий формирования биоинформационной среды Ø Создание искусственных органов чувств: интерфейс сенорное устройство-головной мозг и далее головной мозг-машина Ø
Мультимодальный анализатор параметров физиологического состояния человека Цель: Создание средства индивидуального мониторинга Ø Реализация подхода «лаборатория на чипе» позволяет соединить в одном устройстве несколько лабораторных процессов – от обработки проб пациента, проведения анализа, до расчета, интерпретации результатов с последующей передачей информации в базу данных
Система Ридер - Электроника - Механика Картридж - Микрофлюидик - МЭМС - Реагенты - Сенсоры - Калибровка и контроль Анализ результатов - Модем - Интернет -Беспроволочная Сервер связь - Анализ данных - Контроль качества - Сервис и диагностика - Сравнение результатов - Хранение данных - Передача данных - Определение оператора или пользователя
«Разработка и создание экспериментального образца мультимодального анализатора параметров физиологического состояния человека» Ø Успешная реализация данной НИР позволит создать технологические основы производства биосенсорных матриц и начать разработку имплантирнмого или носимого на запястье мультимодального анализатора до 26 -30 основных биохимических показателей физиологического состояния организма
«Выявление связей между индивидуальными генетическими, биохимическими и физиологическими параметрами организма человека и его конкретными заболеваниями и особенностями поведения» Ø Цель: Создание методологии индивидуальной терапии и коррекции состояния организма человека Ø Результатом работы будут методы оценки рисков возникновения сердечно-сосудистых патологий на основе знания молекулярного полиморфизма индивидуума, а также создание методологии индивидуальной терапии и коррекции состояния организма человека.
«Создание программного комплекса анализа многомерной биологической информации» Цель: Создание технологий работы с многомерными массивами биологической информации, генерировать структуру регуляторных сетей человека. Создание следующего поколения мультимодальных анализаторов физиологического состояния человека. Ø Успешное развитие этой работы позволит существенно продвинут вперед работы по созданию мультимодальных сенсоров для индивидуального контроля физиологических параметров человека, а также по выявлению взаимосвязей многопараметрических данных, получаемых сенсорными матрицами, в ходе исследования генома и протеома человека, отдельных органов и тканей, клеток. Ø
«Создание искусственных органов чувств: интерфейс сенсорное устройство-головной мозг» Цель: Создание интерфейса сенсорное устройствоголовной мозг как основы интерфейса головной мозгмашина. Ø Результат: Создание новых технических устройств, способных к преобразованию электромагнитных и химических сигналов в сигналы тактильных или термо рецепторов кожи. Разрабатываемые системы могут быть использованы в следующих целях: Ø -создание систем видения в недоступных человеческому глазу областях спектра, Ø -создание системы «химического зрения» , позволяющей фактически ощущать присутствие в окружающей среде токсичных веществ, Ø -создание первого прототипа интерфейса головной мозг машина. Ø
Литература Ø Ø Ø Ø Биосенсоры: основы и приложения. Ред. Э. Тернер, И. Карубе, Дж. Уилсон. М. , Мир, 1992. Analytical Biotechnology. A. M. Krall, T. G. M. Schalkhammer. 2002. http: //www. ntmdt. ru/, Принципы СЗМ, СЗМ методики. R. A. Guijt-van Duijn et al. Miniaturized analytical assay in biotechnology// Biotechnology Advances 21 (2003), 431 -444. www. pointofcare. net www-leti. cea. fr http: //www. biochip. ru/job. html Скуридин С. Г. и др. Молекулярные конструкции на основе жидких кристаллов двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот: образование, свойств, практическое использование. // Жидкие кристаллы, 2003, вып. 3, 48 -68. W. R. Vandaveer IV et al. Recent developments in amperometric detection for microchip capillary electrophoresis // Electrophoresis, 2002, 23, 3667 -3677. W. Gopel et al. Bioelectronic noses: a status report. Part 1 // Biosensors & Bioelectronics, 1998, v. 13, N 3 -4, 479 -493. Ch. Ziegel, W. Gopel et al. Bioelectronic noses: a status report. Part 2 // Biosensors & Bioelectronics, 1998, v. 13, 539 -571. http: //ru. ntmdt. ru/SPM-Techniques/Basics/3_SOM/3_2_Confocal_microscopy/text 248. html , Конфокальная микроскопия. http: //www. nsu. ru/psj/lector/maltsev/ , Оптика биологических систем. http: //www. gcms. ru/lcline/proteomics/hancock. html , Вклад масс-спектрометрии с анализаторами "ионная ловушка" в протеомику (перевод статьи) William S. Hancock. Ю. И. Головин Введение в нанотехнологию. М. , «Издательство машиностроение-1» , 2003. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направлений исследований. М. , «Мир» , 2002.
Скачать презентацию Аналитическая биотехнология Основные направления тенденции развития Аналитической
Аналитическая биотехнология введение.ppt