НАНОТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ Интересующие вопросы n n

НАНОТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ

Интересующие вопросы n n n n польза нанотехнологий (зачем они вообще нужны человечеству); опасные последствия применения их в жизни; почему в России боятся нанотехнологий? способна ли Россия «догнать и перегнать» Запад и Азию в сфере нанотехнологий? что придет на смену нанотехнологиям и придет ли вообще что-то? каково применение их в разных сферах – медицине, IT, автомобилестроении, в быту, при освоении космического пространства, в роботостроении, в оружии будущего и в других областях? наконец, многих сегодня просто интересует, что такое вообще нанотехнологии.

История нанотехнологии n n Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н. э. он впервые ввел слово "атом", что в переводе с греческого означает “нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества. 1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

История нанотехнологии n n 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации.

История нанотехнологии n n 1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей. 1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии"

История нанотехнологии n 1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп (туннельный), способный показывать отдельные атомы. Основой изобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра.

n n n Нанобактерии — круглые либо овальные органо-минеральные структуры размером от 30 до 200 нм, способные к самостоятельному размножению. Термин нанобактерии впервые ввёл Ричард Морита в 1988, однако "отцом" нанобактерий считается Роберт Фолк. Начиная с 1992 он опубликовал серию работ по нанобактериям. Живая природа нанобактерий до сих пор признается не всеми.

Сравнение бактерий и вирусов по размерам

Структуры, напоминающие нанобактерии, найденные в образцах метеорита

Известно, что: n n n n Нанобактерии имеют клеточное строение Они имеют исключительно малый, сопоставимый с размером мельчайших вирусов. В отличие от вирусов, они способны размножаться вне живых клеток, в том числе на искусственных питательных средах. Они содержат ДНК неустановленной (пока) структуры и ограниченное количество специфических белков (до нескольких десятков). Рост и размножение нанобактерий сопровождается синтезом нуклеиновых кислот и белков. Скорость роста нанобактерий исключительно низкая – примерно в 10000 раз меньше, чем скорость роста обычных бактерий Одни и те же нанобактерии, предположительно, с "одинаковым успехом" способны расти как в окружающей среде, так и внутри эукариотических организмов.

n n n Метаболизм нанобактерий, по-видимому, сильно отличается от метаболизма других организмов, и по неясным пока причинам тесно связан с процессами биоминерализации. Нанобактерии не синтезируют собственные аминокислоты (и, возможно, нуклеотиды), а используют уже готовые, полученные из окружающей среды Концентрация растворенных веществ, и, следовательно, осмотическое давление внутри нанобактерий не отличается от окружающей среды. В связи с этим нанобактериям не требуются энергозатратные системы поддержания внутриклеточного гомеостаза.

n Нанотехнологии – технологии, которые имеют дело с объектами размером не более 100 нм и используют их уникальные свойства, возникающие вследствие того, что в наночастицах, благодаря их малым размерам, существенно изменяются физикохимические свойства вещества.

Мировой рынок нанотехнологий к 2015 году n Общий объем рынка – 1 трил. $ n Основные продукты на рынке: Наноматериалы; n Нанобиотехнология; n Наноэлектроника n

ДНК - структура наноразмеров. Наиболее обычная конформация ДНК - это B-ДНК (в центре), которая закручена в правостороннюю двойную спираль диаметром около 2 нанометров. Один полный оборот спирали занимает приблизительно 3, 5 нанометра, на которых помещается от 10 до 10, 5 пар оснований. В особых условиях ДНК может образовывать левостороннюю двойную спираль, называемую Z-ДНК (справа).

ДНК В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ n n n ДНК - идеальная молекула для создания структур нанометровых размеров. Создавая цепи с соответствующими комбинациями комплементарных (взаимодополнительных) оснований, которые преимущественно связываются между собой, образуя цепи двойных спиралей, цепи ДНК можно запрограммировать так, чтобы они самособирались в сложные структуры. "Строительные леса" из ДНК могут удерживать молекулы - гости в регулярной решетке для целей кристаллографии. Они могут также поддерживать электронные устройства молекулярных размеров или использоваться для создания материалов с точно заданными молекулярными конфигурациями. Машины нанометровых размеров из ДНК могут функционировать на основе того, что части их структуры изменяются при переходе от одной конформации ДНК к другой. Этими движениями можно управлять химическим путем или при помощи специальных цепей ДНК.

Конструирование с помощью ДНК

Постгеномные технологии возникли на основе знаний о геномах живых систем, прежде всего, генома человека

n n n Геномика — раздел молекулярной генетики, посвященный изучению генома и генов живых организмов. Геномика сформировалась как особое направление в 1980— 1990 -х гг. вместе с возникновением первых проектов по секвенированию геномов некоторых видов живых организмов. Первым был полностью секвенирован геномбактериофага в 1980 г. Следующим этапным событием было секвенирование генома бактерии Haemophilus influenzae (1995). После этого были полностью секвенированы геномы еще нескольких видов, включая геном человека (2001 — первый черновой вариант, 2003 — завершение проекта).

Применение постгеномных технологий n n Для определения геномного полиморфизма Для создания новых лекарств Для ранней диагностики рака (протеомные технологии) Нанобиотехнологии

Протеомика n n Новая научная дисциплина, которая занимается инвентаризацией белков и выявляет белки, ответственные за те или иные патологические процессы Она устанавливает связь между набором белков и началом развития заболевания (ранняя диагностика)

Протеиновая структура рибосомы реалистичная модель

Проблемы протеомики n n Огромное разнообразие белков: 30000 генов х 200 возможных модификаций = 6000000 белков. Огромный диапазон концентраций – от нескольких молекул до сотен миллионов

Нанотехнологии в медицине наномедицина n n n Нанодиагностикумы Наночастицы как контейнеры для доставки лекарств и вакцин Наночастицы как лекарства Синтетические геномы Нанороботы медицинского назначения Наноматериалы в регенеративной медицине

Нанотехнологии в медицине неномедицина n n Нанороботы, разыскивающие внутри организма очаги заболеваний и устраняющие их Наноустройства, выполняющие функции эритроцитов, тромбоцитов и макрофагов

Ученые показали, что обычная бактерия может работать в качестве транспорта по доставке лекарств, что открывает новые возможности в области генной терапии. Размеры наночастиц – от 40 до 200 нанометров, их ученые прикрепили на поверхность бактерии специальными молекулами-линкерами. На одной бактерии можно разместить до нескольких сотен наночастиц, расширив таким образом количество и «типы» грузов, которые нужно доставить.

Преимущества ноносистем по доставке лекарств n n Повышается растворимость многих лекарств Улучшается их проникновение в клетки Способность проникать через мембранные барьеры Уменьшается токсичность

Три аллотропных состояния углерода n n n Графит Алмаз Фуллерены n В 1985 году была обнаружена и синтезирована принципиально новая форма углерода – фуллерен.

n n Фуллере ны — молекулярные соединения, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов углерода. Углеродные нанотрубки — протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров

Фуллерены и нанотрубки

Структуры модифицированных фуллеренов

Нанокапсулы доставки лекарств в крови

Перспективы использования фуллеренов в медицине n n n Органические производные фуллерена обладает активностью против вируса СПИД Способность действовать в качестве биологических антиоксидантов Использование в фотодинамической терапии Использование как контрастирующих агентов в ЯМР-томографии Фуллерены весьма перспективны для диагностики, терапии рака и иммунотерапии Фуллерены не токсичны для человека

n n Искусственные клетки крови нанометрических размеров – “респироциты” (эритороцитарные нанороботы). В 250 раз эффективнее эритроцитов

n n Механический фагоцит – способен полностью уничтожать бактерии, вирусы и микропаразиты размером менее 2 мкм, что позволит очистить кровь животного или человека от заражения В 80 раз эффективнее по сравнению с макрофагами

Механические тромбоциты Структура и основные функции тромбоцитов хорошо известны. Тромбоцит это сфероидальная безъядерная клетка крови диаметром ~ 2 мкм с продолжительностью жизни в среднем 10 дней. В здоровой человеческой крови концентрация тромбоцитов составляет ~ 250000 клеток на мм 3. Попадая в место кровотечения тромбоциты активируются, слипаются в комок и закупоривают кровеносный сосуд, останавливая кровотечение. Интересно, что было найдено несколько необычных способностей тромбоцитов - они способны к фагоцитозу как микропаразитов как и посторонних частиц вообще, могут медленно передвигаться по стенкам кровеносных сосудов, вытягивая ложноножки.

n Учёные из Института молекулярной биологии РАН приступили к сертификации биочипов для выявления разновидностей вируса гепатита С. Рыночный потенциал новой технологии огромен: с использованием традиционных методов не удаётся установить разновидность вируса в каждом третьем случае, тогда как биочипы позволяют спрогнозировать тяжесть протекания болезни и назначить правильную терапию с эффективностью, близкой к 100 процентам.

Новейшие разработки в области нано(био)технологий в медицине n n Создание искусственных ресничек Создание биосенсоров на основе измерения проводимости отдельных фрагментов ДНК (для диагностики опасных мутаций и повреждений ДНК) Создание биороботов и решение проблем старения Создание искусственной кожи и сетчатки

n Создание фотокаталитических нанокомпозитных покрытий для: Антимикробной очистки воздуха в помещениях n Для защиты памятников культуры от биопоражения n

Биогенное выветривание Биообрастания памятников Мхи

Микробное сообщество • Высокая деструктивная активность • Связь с различными формами разрушения камня • Устойчивость к внешним воздействиям • Усвоение различных источников C и N 2 • Способствует аккумуляции на поверхности камня атмосферных загрязнений • Неограниченный рост • Сложный состав и структура

Памятник младенцу Бутурлину Николаю до и после защитной обработки

Защитные покрытия на основе фотокаталитического эффекта Под воздействием света образуется активный кислород, который подавляет биодеструкторов и способствует удалению загрязнений n n n Высокая адгезия, стойкость и прочность Разрабатываются с использованием нанотехнологий Долговечность Самоочищение Высокая антимикробная активность Экологическая безопасность

Схема золь-гель синтеза Термином «золь-гель процесс» обычно обозначают технологию получения технически ценных неорганических и элементорганических микро- и нанокомпозиционных материалов на основе превращения гомогенных растворов в золь и далее в гель.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве n n n Борьба с вредителями и болезнями растений Получение сельскохозяйственных продуктов При упаковке и хранении пищевых продуктов. При помощи наночастиц серебра, обладающих активным антимикробным действием, можно эффективно дезинфицировать различные виды продуктов Повышение урожайности с. х. культур Биологически активные подкормки скота на основе нанотехнологий позволяют снизить заболеваемость животных, повысить их массу

ТРАНСГЕННЫЕ РАСТЕНИЯ. ЧТО ЭТО ТАКОЕ? n n Трансгенными могут называться те виды растений, в которых успешно функционирует ген (или гены) пересаженные из других видов растений или животных. Делается это для того, чтобы растение реципиент получило новые удобные для человека свойства, повышенную устойчивость к вирусам, к гербицидам, к вредителям и болезням растений. Пищевые продукты, полученные из таких генноизмененных культур, могут иметь улучшенные вкусовые качества, лучше выглядеть и дольше храниться. Также часто такие растения дают более богатый и стабильный урожай, чем их природные аналоги.

Создание трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям: n n n Получение сортов с/х культур с более высокой урожайностью Получение с/х культур, дающих несколько урожаев в год (например, в России существуют ремантантные сорта клубники, дающие два урожая за лето) Создание сортов с/х культур, токсичных для некоторых видов вредителей (например, в России ведутся разработки, направленные на получение сортов картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок) Создание сортов с/х культур, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям (например, были получены устойчивые к засухе трансгенные растения, имеющие в своем геноме ген скорпиона) Создание сортов растений, способных синтезировать некоторые белки животного происхождения (например, в Китае получен сорт табака синтезирующий лактоферрин человека). Трансгенные растения – продуценты вакцин и лекарств

Нанотехнологии в экологии n n Мониторинг окружающей среды (создание высоко чувствительных нанобиосенсоров) Разработка наночипов на основе клеток природных и модифицированных микроорганизмов для мониторинга состояния окружающей среды Устранение последствий загрязнения окружающей среды (особенно в районах захоронения радиоактивных отходов) Безотоходные нанотехнологические методы в промышленности

1. Нанодиагностика и нанодетекция n n Это конструирование биологических узнающих систем. Исследователи разрабатывают наноструктурные истемы детекции биоорганических субстанций, бактерий, вирусов для использования в молекулярной биологии, медицине, экологии, криминалистике. Создаются нанобиосенсоры для генодиагностики, наркодиагностики, мониторинга лекарств, нанокомплексы, пригодные для внутривенного введения, состоящие из биосенсоров с наночастицами ). В рамках этого направления будут разрабатываться системы гигиенического надзора безопасности нанотехнологического производства и нанопродукции и фактически будет создана отдельная дисциплина наноэтика.

2. Нанолекарства n n n Это конструирование новых лечебных препаратов. Создаются лекарства для клеток#мишеней и клеточных наноструктур, включая генотерапию, новые противоопухолевые, кардиотропные и психотропные средства, новые антибиотики, иммуномодуляторы, аллерготропины и наноантитела для лечения иммунодефицитов, аллергии, опухолей и аутоиммунных заболеваний. Ученые работают над адресным преодолением клеточных мембран, различных биологических барьеров для адресной доставки лекарств.

3. Нановакцины n n Это конструирование иммуногенов, миниантител, наноантител. В первую очередь, речь идет о создании вакцин нового типа против туберкулеза, СПИДа, гепатитов, гриппа и других новых и возвращающихся социально значимых инфекций. С помощью нанотехнологий становятся возможными противоопухолевая защита организма, адресное стимулирование или подавление его иммунитета.

4. Нанотрансгенез, или трансгенное наноконструирование n Трансгенез бактерий, вирусов, создание различных векторных наноконструктов. n Трансгенез растений n Трансгенез животных.

5. Нанобионика n n n Создание нанокомпонентов для новых кровезаменителей. Создание нанотрубок для депонирования в тканях биоактивных субстанций. Создание безаллергенных биоматериалов. Создание энерготрасформирующих наносистем и нанороботов. Создание модельных живых клеток и искусственных вирусов.

Благодарю за внимание!