Суматохин Сергей Витальевич

Нанобиотехнологии: становление, современное состояние и практическое значение

Сергей Витальевич Суматохин

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ: СТАНОВЛЕНИЕ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

В 1974 г. на Международной конференции по промышленному производству профессор Токийского университета Норио Танигучи ввел в научный оборот термин «нанотехнология» (от греч. «нанос» — карлик, «техне» — мастерство, «логос» — учение).

СТАНОВЛЕНИЕ НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

В понимании Норио Танигучи нанотехнология — это «технология производства, позволяющая достигать сверхвысокой точности и ультрамалых размеров… порядка 1 нм». Чтобы наглядно представить такой размер, достаточно знать, что 1 нанометр — это примерно длина 10 положенных рядом атомов водорода. В настоящее время под нанотехнологиями понимают конструирование наночастиц (наноструктур), размер которых хотя бы в одном направлении составляет от 1 до 100 нанометров.

Наноструктуры не просто меньше всего, что создавал человек, они являются наименьшими твердыми материалами, которые можно произвести (выделить) и с которыми можно осуществить манипуляции. Наномасштаб уникален, поскольку фундаментальные свойства элементов наномира зависят от их размера в такой степени, в какой не зависят ни при одном другом масштабе. На молекулярном уровне возникают новые физические и химические свойства, определяемые поведением атомов, молекул и нанокомплексов.

К биологическим наноструктурам можно отнести молекулы белков. Их размеры варьируются в пределах от 4 до 50 нм. Размеры строительных блоков белков — аминокислот — составляют около 1 нм. Молекула ДНК, имеющая толщину 1–2 нм, несомненно, является наноструктурой, несмотря на то, что ее длина достигает нескольких миллиметров. Из живых существ к наномиру можно отнести неклеточные формы жизни — вирусы. Их размеры составляют от 10 до 200 нм.

Процессы, в которые вовлекаются наноструктуры (наночастицы), получили название нанопроцессов. Самый главный нанопроцесс в живом организме — биосинтез белка. Явления живой природы, протекающие с участием наноструктур, названы наноявлениями.

Самоочищение листьев лотоса, который на Востоке считается символом чистоты, можно отнести к наноявлениям. Листья лотоса покрыты микробугорками высотой 5–10 мкм, от которых отрастают нановолоски. Благодаря последним, капли дождя не растекаются, а скатываются по поверхности листа, увлекая за собой частицы грязи и очищая листья растения.

Гораздо более древним наноявлением можно считать самовоспроизводство (ауторепликацию) ДНК. Это чрезвычайно сложное явление характеризовало уже первые прокариотические организмы Земли — бактерии, возникшие около 3,5 млрд лет тому назад.

Конструирование наноразмерных структур позволяет придавать уже известным веществам новые свойства или усиливать их действие. На этапе становления нанотехнологий инженерам и ученым был необходим новый метод визуализации с нанометровой разрешающей способностью, позволяющей видеть наночастицы, изучать их характеристики.

Технология сканирующей туннельной микроскопии

В 1981 г. швейцарец Герд Бинниг и немец Генрих Рорер разработали технологию сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), позволявшую ученым визуализировать атомы. В 1982 г. Бинниг и Рорер представили модель первого типа сканирующих зондовых микроскопов — сканирующего туннельного микроскопа. За эту работу они в 1986 г. были удостоены Нобелевской премии по физике.

В сканирующем туннельном микроскопе зондом служит чрезвычайно острая металлическая игла. Если проводить аналогию с оптическим зондовым микроскопом, то в туннельном микроскопе функцию отверстия зонда выполняет острие иглы. Из него вместо света «провисают» квантовомеханические волны электронов, содержащихся в металле острия. Длина таких электронных волн примерно в тысячу раз меньше световой. Поэтому они «освещают» площадку в тысячу раз меньшего размера, чем оптический зонд. Когда электронная волна касается исследуемой проводящей поверхности (это происходит при расстоянии между зондом и поверхностью около 1 нм), электрон с острия может «перепрыгнуть» на поверхность, иначе говоря, туннелировать.

Туннелирование означает появление электрического тока в цепи зонд — поверхность. Правда, тока очень слабого — в миллиардные доли ампера, но усиление его средствами современной электроники проблемы не представляет. Туннельный ток сильно зависит от расстояния между острием и поверхностью. Уменьшение расстояния на пару ангстрем, т. е. примерно на размер атома, увеличивает туннельный ток в тысячу раз.

Технология СТМ позволила не только изучать структуру атомов, но и измерять электрическое или магнитное поля молекул или атомов. Разработка СТМ способствовала прогрессу в исследованиях полупроводниковых и металлических материалов.

С помощью сканирующей туннельной микроскопии были исследованы углеродные нанотрубки — крошечные цилиндры диаметром 0,5–10 нм и длиной примерно 1 мкм, которые являются особой кристаллической формой углерода. Углеродные нанотрубки стали новым материалом.

На основе углеродных нанотрубок разработан новый вид искусственных мышц. Несмотря на то, что размер нанотрубок в 10 тыс. раз меньше толщины человеческого волоса, они способны поднимать вес в 100 ООО раз превосходящий их собственный, а это означает силу, примерно в 85 раз превышающую максимальные возможности натуральных мышц соответствующего размера. Искусственные мышцы созданы из углерода и парафина соответствующего размера. Главный недостаток сканирующей туннельной микроскопии — возможность исследования только проводящих образцов и невозможность работы в жидкостях, что часто исключает работу с биологическими объектами.

Атомно–силовая микроскопия

В 1986 г. Генрих Рорер разработал первый атомно–силовой микроскоп — продолжатель рода сканирующих зондовых микроскопов. Благодаря разработке метода атомно–силовой микроскопии (АСМ) ученые смогли перенести на субнанометровый уровень исследования биологических объектов.

В основе работы атомно–силового микроскопа лежит использование разных видов силового взаимодействия зонда с поверхностью изучаемого образца. При этом микроскоп позволяет изучать образцы не только в воздушной среде, но и в жидкой. Особое преимущество атомно–силовой микроскопии — ее способность получать трехмерное изображение на уровне отдельных атомов и молекул.

Метод атомно–силовой микроскопии нашел применение в биохимии и молекулярной биологии во всем диапазоне размеров исследуемых объектов — от целых бактерий и клеток различных живых организмов до отдельных белковых молекул. Задачи, решаемые методом атомно–силовой микроскопии в этом диапазоне размеров, чрезвычайно разнообразны: идентификация микроорганизмов по их морфологии, исследование влияния различных веществ на жизнедеятельность клеток, визуализация и контроль образования фермент–субстратных комплексов, контроль размеров, структуры и стабильности различных наноструктур, использующихся для доставки лекарственных средств, визуализация единичных биомолекул и многое другое. Гибкость методик атомно–силовой микроскопии позволяет ученым шире применять их в биохимии, молекулярной биологии и биотехнологии.

Конструирование наноструктур на основе белков

Биологический мир буквально наполнен биологическими нанообъектами, имеющими линейные размеры 1–100 нм по крайней мере в одном измерении. К ним относят молекулы белков, ДНК, РНК и полисахаридов, которые формируют внутриклеточный каркас (цитоскелет) и внеклеточный матрикс, мембранные каналы, систему внутриклеточной сигнализации, молекулярные

машины для синтеза, упаковки и утилизации белков и нуклеиновых кислот, производства энергии, внутриклеточного транспорта и движения клеток.

Внеклеточные структуры также могут иметь наноразмерные характеристики. Так, экзосомы и везикулы, переносящие материал между клетками, имеют диаметр 65–100 нм. Частицы липопротеинов плазмы крови, транспортирующие липиды в организме, составляют 8–50 нм.

Биологические наноструктуры, образуемые на основе белка, называют белковыми наноструктурами. Они очень разнообразны по размерам и трехмерной структуре. Разнообразие белковых наноструктур обусловлено: большим количеством аминокислотных остатков в молекуле полипептида (от нескольких десятков до нескольких сотен); способностью каждого из аминокислотных остатков приобретать около 10 пространственных конфигураций и вступать в разнообразные связи с другими молекулами белка.

Ученые установили, что в живом организме форма и размеры исходных белковых наноблоков более строго определяют форму и структуру надмолекулярных комплексов, чем в искусственных условиях. Это обстоятельство заинтересовало исследователей.

Используя отличия в поведении белковых молекул в искусственных условиях, ученые смогли получать разные белковые наноструктуры, даже такие, которые не образуются в живых организмах. Получаемые белковые наноструктуры выделяют из среды, очищают и кристаллизуют. Затем их изучают с использованием физических и химических методов. Результаты исследований белковых наноструктур используют при конструировании нанокомплексов в лабораторных и производственных условиях.

Рассмотрим первые достижения в этом направлении.

Российские ученые из Института биоорганической химии РАН первыми разработали технологию автоматической сборки наночастиц с помощью молекул некоторых белков, выделенных из палочкообразных бактерий. Эти белки стали использовать в качестве «роботов» на сборочной линии наночастиц.

Собранные таким способом наночастицы представляют интерес для медицины и биотехнологий. К этим наночастицам можно присоединять молекулы лекарств, радиоактивные частицы для диагностики и лечения раковых заболеваний. В наночастицу можно вмонтировать радиоактивный изотоп, флуоресцентную частицу, лекарства, токсины.

Использование белковых наночастиц с антимикробными свойствами

Ученые сингапурского Института биоинженерии и нанотехнологий сконструировали и применили наночастицы с антимикробными свойствами вместо антибиотиков, к которым у микроорганизмов выработалась устойчивость.

Для решения этой проблемы использовали катионные белки. На основе молекул этих белков были созданы самособирающиеся белковые наночастицы. Они обладают антимикробным действием и способны заменять традиционные антибиотики. При этом белковые наночастицы действуют на множество микроорганизмов и уничтожают даже те, у которых выработалась устойчивость против большинства современных антибиотиков.

Испытания созданных наночастиц на некоторых устойчивых к антибиотикам микроорганизмах (бактерий, грибов и дрожжей) показали высокую активность и не обнаружили вредных побочных эффектов. Руководитель этого исследования И-Ян Янг отметил, что сконструированные «наночастицы с лёгкостью «пробивают» мембраны бактерий, дрожжей и грибов, дестабилизируют и убивают клетки». Под электронным микроскопом в мембранах погибших бактерий хорошо видны многочисленные поры, образованные наночастицами.

Лечебное действие этих наночастиц проверили на лабораторных животных. Подопытным мышам вводили в мозг минимальную летальную дозу золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Этот возбудитель вызывает острое воспаление мозга (менингит) и при отсутствии лечения в течение 48 ч приводит к 100 %‑ной гибели. Одновременное и повторное через сутки введение наночастиц с антимикробными свойствами позволило сохранить жизнь многим животным.

Положительный лечебный эффект использования белковых наночастиц с антимикробными свойствами во многом объясняется тем, что они легко преодолевают гематоэнцефалический барьер и борются с инфекцией уже «на местах». Это невозможно для обычных антибиотиков. Полученные результаты подтвердились при проверке на препаратах мозговой ткани подопытных кроликов. Таким образом, сконструированные учеными из Сингапура наночастицы — перспективное средство лечения различных инфекционных заболеваний.

По сравнению с антибиотиками белковые наночастицы с антимикробными свойствами обладают двумя преимуществами: проникают через клеточные и тканевые барьеры, «сооружаемые» организмом вокруг органов, в том числе и больных органов; не приводят к нежелательным побочным эффектам.

Применение нанобиосенсоров в диагностике и лечении заболеваний

На основе механизмов функционирования белков–переносчиков и белков–рецепторов ученые разработали нанобиосенсоры. Нанобиосенсор — это искусственное наноустройство, создаваемое на основе углеродной нанотрубки, в котором чувствительный слой содержит рецепторы (антитела, ферменты) и реагирует на присутствие определяемого компонента в биологическом материале.

Нанобиосенсор генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Высокочувствительные нанобиосенсоры позволяют выявлять специфические белки, вирусы или ДНК в органах, тканях, клетках и биологических жидкостях.

Нанобиосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из биохимического и физического преобразователей, находящихся в тесном контакте друге другом.

Биохимический преобразователь представлен сенсорным белком (белком–рецептором). Анализируемое вещество (тестируемая субстанция) взаимодействует с белком–рецептором. В результате пространственная структура белка–рецептора изменяется, что, в свою очередь, приводит к изменению в физическом преобразователе, который включает флуоресцентный белок. По интенсивности флуоресценции определяются наличие и количество искомого вещества в анализируемом веществе.

Нанобиосенсоры могут быть запрограммированы на обнаружение в биологических жидкостях (слюна, кровь) комплекса белков, являющихся индикаторами развития тех или иных заболеваний. Ученые предполагают, что нанобиосенсоры способны внести революционные изменения в медицинскую диагностику заболеваний.

Для успешного лечения раковых заболеваний важно как можно раньше выявить первые появившиеся раковые клетки в органе. Обнаружить единичные злокачественные клетки можно с помощью нанобиосенсоров. Известно, что в ответ на появление в организме чужеродных веществ (антигенов) иммунная система вырабатывает антитела. Они представляют собой специфические глобулярные белки. Каждый вид антител избирательно взаимодействует с определенным антигеном (белковым рецептором).

Ученые стали использовать антитела, специфичные к рецепторам (антигенам) мембраны раковых клеток. Этими антителами начали покрывать углеродные нанотрубки. В результате получились нанобиосенсоры, способные обнаруживать злокачественные клетки в организме и определять вид опухоли. Кроме диагностики заболеваний нанобиосенсоры могут применяться в направленной доставке лекарств в заданную область организма, органа или клетки.

Направленная доставка лекарств

В классической фармакологии существует термин «лекарственная форма», описывающий способ введения лекарства в организм, например в виде таблеток, раствора для внутривенных инъекций, капель, мазей. Развитие биомедицинской науки привело к созданию новых средств упаковки и направленной доставки лекарств — нанокапсул, наноконтейнеров, многофункиональных магнитных терапевтических наночастиц, векторов.

Отличие новых типов лекарственных форм от стандартных состоит в возможности реализации на их основе технологий направленной доставки лекарств к определенным тканям, клеткам и даже внутриклеточным органеллам.

Одним из средств направленной доставки лекарств является нанокапсула. Обычно нанокапсула представляет собой сферическую полую частицу, состоящую из полимерной, липидной или другой оболочки, окружающей ее внутреннюю полость или содержимое. Нанокапсупы должны быть химически стабильны, биосовместимы с организмом и защищать капсулированное вещество от нежелательного воздействия, например растворения в жидкостях.

Размеры нанокапсул обычно не превышают 100 нм. Нанокапсупы обладают высокой проникающей способностью и могут проходить даже в такие «закрытые» зоны организма, как головной мозг. Нанокапсупы применяют для контролируемого введения инкапсулированных лекарств, а также генетических конструкций, несущих гены ферментов, гормонов.

К наиболее удобным нанокапсулам относятся липосомы. Они представляют собой микроскопические пузырьки с жидким содержимым, окруженные одной или несколькими липидными бислойными мембранами.

Мембрану липосомы обычно формируют из тех же фосфолипидов, которые входят в состав биологических мембран. Это позволяет достичь полной биосовместимости липосом. Создают липосомы различными способами, например подвергая смесь фосфолипидов и воды воздействию ультразвуком, замораживанию и оттаиванию, пропусканию через фильтры с наноразмерными порами. С помощью этих методов можно получить многослойные липосомы, а также крупные и мелкие однослойные липосомы. В зависимости от метода изготовления размеры липосом могут составлять от нескольких микрон до десятков нанометров (наносомы).

Если при создании липосом используется водный раствор лекарства, то часть этого раствора оказывается замкнутой внутри липосомальной капсулы и в таком виде вводится в организм человека. Это важно, когда вводится токсическое вещество, например противораковый агент, или если лекарство необходимо защитить от разрушения до момента его доставки к цели.

Для направленной доставки содержимого липосом и других нанокапсул к их поверхности пришивают адресные молекулы, узнающие поверхность клетки–мишени. Универсальными молекулами, узнающими поверхность клетки–мишени, могут быть антитела. Необходимо лишь знать, против каких поверхностных антигенов клетки их нужно конструировать. Присутствие распознающих молекул на поверхности нанокапсупы позволяет ей сконцентрироваться в заданной области (опухоли, очаге воспаления, около зоны ишемии и т. д.) и доставить туда лекарство.

Липосомы доставляют лекарство в клетки разными способами, например путем слияния с их мембраной, или за счет эндоцитоза. В настоящее время липосомы как нанокапсулы для лекарств используются при лечении рака, а также в составе косметических кремов.

Благодаря широкому развитию фундаментальных биомедицинских исследований антигенные портреты клеток становятся все более подробными, что позволяет находить отличия одних клеток от других на основании характеристик их поверхности.

Дополнительно появляется возможность управлять высвобождением лекарства из средства его доставки. Так, при использовании в качестве нанокапсул специальных наночастиц с металлическим ядром и полимерной оболочкой, в которой содержатся лекарства, можно вызвать их высвобождение при ограниченном нагревании наночастиц. Это достигается наложением переменного магнитного поля или облучением светом лазера, который слабо поглощается биологическими тканями, но хорошо поглощается металлическими наночастицами.

Ученые продолжают разрабатывать новые подходы транспорта в специальных нанокапсулах, необходимых для избирательного разрушения клеток при электромагнитном разогреве, что важно для лечения ряда опухолей. Существенное отличие новых типов лекарств от обычных состоит в возможности реализации технологий их направленной доставки к определенным тканям, клеткам и даже внутриклеточным органеллам. При этом лекарство, а чаще средство его доставки (нанокапсула, наноконтейнер) модифицируется молекулами, узнающими рецепторы на клетках–мишенях. Классический пример — молекулы фолиевой кислоты, которые активно захватываются клетками опухолей.

В отличие от обычного введения лекарства и его распространения по всему организму направленная доставка позволяет снизить дозу вводимого лекарства и минимизировать его побочное действие на другие клетки. При агрессивном лечении опухолей направленная доставка высокотоксичных онкологических препаратов при- | обретает особое значение. Использование) заключенных в наночастицы лекарств сво- дит к минимуму их разрушение и утрату | активности по пути к больному органу. При | этом предотвращаются нежелательные побочные явления и возрастает эффективность применения препарата.

Таким образом, наибольший интерес для медицины представляют два направления использования нанобиосенсоров в совокупности с нанокапсулами: обнаружение антител, специфичных к антигенам больных клеток, и избирательная доставка лекарств непосредственно к больным клеткам.

Бактерии — средство направленной доставки лекарств

Одна из серьезных проблем генотерапии — доставка терапевтической молекулы ДНК внутрь ядра больной клетки. Если это удается сделать, то ДНК производит белки, корректирующие генетическое заболевание.

Группа американских исследователей из Университета Пэрдью в качестве средства направленной доставки лекарств к больным клеткам предложила использовать безвредные штаммы бактерий. Они способны проникать в клетку и доставлять внутрь ядра полезный «груз» из наночастиц.

Сначала ученые присоединили ДНК к поверхности наночастиц. Затем прикрепили их к бактериям в качестве полезного «груза». После этого «нагруженная» бактерия проникала в клетку и доставляла ДНК в ядро, заставляя его синтезировать светящийся зеленым флуоресцентный белок.

Ученые предположили, что наночастицы могут нести на себе лекарства, гены, наносенсоры. Полезный «груз» можно выбирать так, чтобы при доставке в различные участки клетки он мог выполнять как диагностическую, так и лечебную функцию.

Участвовавший в исследовании Рашид Башир отметил, что «существует множество комбинаций бактерий и наночастиц, мы можем выбирать из них ту, которая больше всего подходит для данных клеток. Другими словами, мы можем лечить самые разные заболевания». При проведении экспериментов ученые использовали культуры раковых клеток развившихся в различных тканях, включая кишечные, печеночные, яичников, груди. В результате был предложен новый метод, позволяющий доставлять генетический материал в различные органы, включая печень и почки.

Преимущество нового метода доставки лекарств в клетки состоит в том, что бактерия может нести на себе сразу сотни нано частиц. Каждая из них, в свою очередь, — сотни молекул лекарств. Благодаря этому можно вводить в клетки и относительно крупные структуры, например наносенсоры, углеродные нанотрубки.

Наносенсоры могут применяться для j регистрации активности внутри клеток при ранней диагностике рака. Их можно использовать для наблюдения за развитием заболевания и успешностью лечения. Доставленные в клетки и подвергнутые действию света углеродные нанотрубки могут нагреваться и убивать только больные клетки.

Использование бактерий для получения наночастиц металлов

Группа немецких биологов из Научно–исследовательского центра в г. Дрезден — Россендорф в захоронениях урановой руды на отработанном руднике в Саксонии обнаружила бактерию Bacllus sphaercus JG-A12. Для защиты от действия урана эта бактерия образует очень прочную наружную белковую оболочку с множеством нанопор.

Немецкие ученые поместили бактерии в солевой раствор палладия и наблюдали за ними в инфракрасном спектре. В ходе наблюдений было обнаружено, что в нанопорах оболочки бактерии образуются нанокластеры палладия. Получаемые с помощью бактерий наночастицы окружены мембраной, поэтому их легко можно выделять из раствора.

В ходе дальнейших исследований ученые установили, что по сравнению с палладием, получаемым традиционным способом, палладий из оболочки бактерий проявляет большую каталитическую активность, например при очистке автомобильных выхлопных газов.

Бактерии с палладиевыми нанокристаллами ученые поместили в реактор для очистки сточных вод, где ядовитые соли хромовой кислоты превращаются в безвредные соединения хрома. «Естественный» катализатор в виде бактерий с палладиевыми нанокристаллами оказался чрезвычайно устойчивым. Он функционировал три месяца, тогда как стандартные промышленные устройства работают меньше недели. Исследователи предполагают, что такой способ очистки растворов и синтеза катализаторов может стать общепринятым для химических производств, но для этого понадобится примерно 10 лет.

Помимо палладия, бактерии оказались способными извлекать из растворов платину и другие металлы. Зная способ и место соединения металла и оболочки Bacllus sphaercus JG-A12, исследователи генетически настроили бактерии на получение наночастиц золота диаметром от 5 до 15 нм. Наночастицы золота применяют в медицине при терапии злокачественных опухолей и лечении токсоплазмоза. Ученые предполагают, что направленная доставка с помощью золотых наночастиц ДНК, антигенов и лекарств является одним из перспективных направлений в биомедицине.

С помощью бактерий исследователи научились получать наночастицы серебра и сплава золота с серебром. Это стало несомненным успехом, так как производить наночастицы в таком узком диапазоне размеров биологическими методами ранее никак не удавалось. Формируемые в бактериях наночастицы металлов представляют интерес для различных наноконструкций и технологических производств.

Получение магнитных наночастиц с помощью бактерий

Магнитными наночастицами называют наночастицы, имеющие постоянный или наведенный магнитный момент. Ученым долгое время не удавалось получать магнитные наночастицы одинакового размера и формы. В ходе исследований было обнаружено, что магниточувствительные бактерии (Magnetotactc bactera) при комнатной температуре синтезируют кристаллы магнетита одинаковой формы и близкие по размерам. Для этого у магниточувствительных бактерий есть специальные органеллы — магнетосомы. Обычно в клетке бактерии содержится от 15 до 20 кристаллов магнетита, которые помогают ей ориентироваться относительно геомагнитного поля.

Специальную технологию выращивания однородных кристаллов магнетита с помощью магниточувствительных бактерий разработали английские ученые из университета Лидса. Для этого бактериями покрывали участки золотой подложки. Затем ее помещали в раствор солей железа. При температуре +80 °C на покрытых бактериями участках образовывались однородные нанокристаллы магнетита.

В дальнейшем было выяснено, что размеры магнитных наночастиц зависят от условий культивирования бактерий. Изменяя эти условия, исследователи получали магнитные наночастицы нужного размера. Они накапливались в цитоплазме бактерий и легко выделялись из них.

В настоящее время синтезирован широкий спектр магнитных наночастиц на основе железа, кобальта, никеля, оксидов железа, ферритов. В биомедицине наиболее широкое применение получили частицы наноразмерного оксида железа. Это обусловлено их низкой токсичностью и стабильностью магнитных характеристик.

Магнитные наночастицы активно используются в биомедицинской диагностике n vtro. Благодаря своим малым размерам магнитные наночастицы связываются непосредственно с клеткой или биомолекулой. Это значительно увеличивает чувствительность анализа, и в исследуемом образце выявляется присутствие даже нескольких клеток или молекул.

Магнитные свойства наночастиц используются при разработке новых методов выделения и очистки нуклеиновых кислот и белков. На основе магнитных наночастиц создаются высокочувствительные биосенсоры. Они позволяют изучать межмолекулярные взаимодействия (белок–белковые, ДНК — ДНК и ферментативные).

Актуальной областью биомедицинского использования магнитных наночастиц стала разработка новых подходов к лечению онкологических заболеваний. Они основаны на том, что некоторые виды опухолевых клеток более чувствительны к высоким температурам, чем здоровые клетки.

Свойство индуктивного нагревания магнитных наночастиц при изменении внешнего магнитного поля позволят использовать их для гипертермического разрушения опухолевых клеток. При этом английские ученые обратили внимание на то, что выделенные из магнетосом бактерий магнитные наночастицы уничтожают раковые клетки более эффективно, чем синтетические наночастицы.

Магнитные наночастицы применяются в направленной доставке лекарств в химиотерапии опухолей. Это позволяет значительно снизить дозу лекарства, побочные эффекты и нивелировать его негативное воздействие на организм. При связывании противоопухолевого лекарства с магнитной наночастицей его можно направлять к органу или определенным клеткам.

Получение ферментов с помощью бактерий

Многие из разработанных в настоящее время методов получения наночастиц дорогостоящи. Данное обстоятельство сдерживает широкое применение нанобиотехнологий. Поэтому представляют интерес исследования, основанные на простых и относительно дешевых способах получения биологических наночастиц с помощью бактерий.

Природными нанообъектами являются синтезируемые бактериями ферменты. Обычно ферменты — это белковые молекулы, молекулы РНК или их комплексы, которые синтезируются в клетках и ускоряют (катализируют) скорость протекания биохимических реакций в миллионы и миллиарды раз. Так, одна молекула фермента каталазы за 1 сек расщепляет до 10 000 молекул опасной для клеток перекиси водорода.

Молекулы ферментов участвуют в осуществлении всехпроцессовобмена веществ и реализации генетической информации. Без участия ферментов невозможны переваривание и усвоение пищевых веществ, синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов в клетках.

В клетках бактерий большинство ферментов синтезируется под воздействием какого–либо вещества (индуктора), чаще всего субстрата. При отсутствии этого вещества контролирующие синтез фермента гены заблокированы, а фермент содержится лишь в незначительных количествах.

Важное преимущество бактерий как источников получения ферментов — возможность повышения их продуктивности методами селекции, мутагенеза, генной инженерии. Изменяя состав питательной среды, можно регулировать образование ферментов бактериями.

Устройства, в которых осуществляются биохимические реакции с участием бактерий, называют ферментерами, или биореакторами. Такое устройство может содержать большое количество бактерий или смесь реагентов и ферментов.

Совокупность последовательных операций: от внесения бактерий в заранее приготовленную и нагретую до требуемой температуры среду до завершения процесса роста клеток или биосинтеза целевого продукта называют ферментацией. По окончании ферментации образуется сложная смесь, состоящая из бактерий, раствора непотребленных питательных компонентов и накопившихся в среде продуктов биосинтеза, например ферментов.

Важным свойством ферментов является способность сохранять эффективность и специфичность действия за пределами клетки. В отличие от химических катализаторов, ферменты нетоксичны. Они функционируют в мягких условиях, используют «доступное сырье, включая отходы. Катализируемые ферментами реакции применяются для обеспечения нанотехнологических циклов за пределами организма, получения искусственных наноматериалов.

Получение биотоплива с помощью фотобиореакторов

Ограниченность запасов углеводородов вынуждает ученых искать новые способы получения топлива. Одним из таких методов является производство биотоплива с помощью сине–зеленых водорослей (цианобактерий). Ученые предполагают, что к 2050 г. биотопливо будет составлять более | четверти производимого в мире топлива.

Суть производства биотоплива с помощью сине–зеленых водорослей состоит в том, что в молекулу ДНК этих микроорганизмов ученые встроили ген, контролирующий образование большого количества этилового спирта (этанола). Затем в ДНК цианобактерий встроили второй ген, ограничивающий естественную тенденцию этих водорослей к максимальному росту и размножению. Под действием второго гена сине–зеленые водоросли размножаются всего несколько дней. Затем они переключаются на синтез этилового спирта, используемого в качестве биотоплива. Этот метод позволил добиться максимального выхода этилового спирта при минимальной биомассе водорослей.

Для генетически модифицированных сине–зеленых водорослей ученые сконструировали систему фотобиореакторов, названную «топливной фермой». Она не требует постоянного притока свежей воды и занимает небольшое пространство. В процессе фотосинтеза сине–зеленые бактерии непрерывно вырабатывают и выделяют биотопливо в окружающую их жидкую среду. Сепаратор регулярно отделяет биотопливо от воды и других веществ, которые возвращаются обратно в систему биореакторов. «Топливная ферма» обладает высокими экономическими и экологическими характеристиками по сравнению с другими биотехнологиями производства биотоплива.

ГЛОССАРИЙ

Агрегация белков — взаимодействие белковых молекул посредством вторичных структур (участков правозакрученных альфа–спиралей) с образованием надмолекулярных агрегатов.

Антиген — высокомолекулярное соединение, способное специфически стимулировать иммунокомпетентные лимфоидные клетки и обеспечивать тем самым развитие иммунного ответа

Антитело — белок (иммуноглобулин), синтезируемый В-лимфоцитами в организме животного в ответ на попадание в него чужеродного вещества и обладающий специфическим сродством к этому веществу.

Атомно–силовой микроскоп — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, используемый для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного, позволяющий исследовать проводящие и непроводящие поверхности.

Белок — высокомолекулярное органическое соединение, построенное из остатков аминокислот и играющее первостепенную роль в процессах жизнедеятельности всех живых организмов.

Белок–переносчик — трансмембранный белок, который, изменяя свою пространственную структуру, осуществляет перенос молекулы вещества через липидный слой мембраны.

Белок–рецептор — специфический белок, находящийся в клеточной мембране и способный, связываясь с сигнальными веществами (лигандами), воспринимать передаваемый ими внешний сигнал.

Биомакромолекулы — молекулы биополимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов).

Биомасса — выраженное в единицах массы (веса) или энергии количество живого вещества организмов, приходящихся на единицу площади или объема.

Биополимеры — высокомолекулярные природные соединения (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные), которые состоят из повторяющихся, сходных по структуре низкомолекулярных соединений (мономеров), являются структурными частями живых организмов и играют важную роль в процессах жизнедеятельности.

Биосенсор — аналитическое устройство, в котором для определения химических соединений используются реакции этих соединений, катализируемые ферментами, или реакции, проходящие в органел–лах, клетках или тканях.

Биосинтез — образование органических веществ из более простых соединений, протекающее в живых организмах или вне их под действием ферментов.

Биосовместимость — свойство вещества или материала, контактирующего с тканями живого организма, встраиваться в организм пациента, не вызывать побочных клинических проявлений. Хорошая биосовместимость означает отсутствие негативных реакций и иммунного ответа, плохая — иммунизацию, токсичность, отторжение.

Биотопливо — топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Гематоэнцефалический барьер — гистогематический барьер между кровью, цереброспинальной жидкостью и нервной тканью. Гематоэнцефалический барьер является физиологическим «фильтром», регулирующим обмен веществ между кровью и тканями мозга.

Генная инженерия — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

Генотерапия — совокупность генно–инженерных и медицинских методов, направленных на внесение изменений в

генетический аппарат соматических клеток человека для лечения заболеваний.

Геомагнитное поле — магнитное поле Земли, генерируемое внутриземными источниками.

Гипертермия — вид термотерапии, основанный на контролируемом, временном повышении температуры тела, отдельного органа или части органа, пораженного патологическим процессом, свыше 39 °C до 44–45 °C.

Гормоны — биологически активные органические вещества, вырабатываемые определенными клетками и предназначенные для управления функциями организма, их регуляции и координации.

Дезоксирибонуклеиновая кислота — полимер (полинуклеотид), формируемый мономерами — нуклеотидами.

Диагностика in vtro — медицинские тесты, проводимые в контролируемом окружении вне живого организма.

Зелёный флуоресцентный белок — белок, который флуоресцирует в зелёном диапазоне при освещении его синим светом.

Злокачественная опухоль — опухоль, свойства которой чаще всего делают её крайне опасной для жизни организма, в отличие от свойств доброкачественной опухоли.

Индуктивное нагревание — нагрев проводников источниками переменного магнитного поля.

Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым радиоизлучением.

Каналообразующие белки — белки, формирующие при изменении своей пространственной структуры каналы (поры), сквозь которые проникают ионы и другие неорганические вещества.

Катализатор — вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции.

Катионные белки — белки, которые в растворе обретают положительный заряд.

Лазер — оптическое квантовое устройство, преобразующее различные виды энергии (световой, электрической, тепловой, химической) в энергию когерентного, узконаправленного светового излучения в результате вынужденного (стимулированного) излучения или вынужденного рассеяния света.

Магнетит — минерал черного цвета, обладающий магнитными свойствами.

Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения.

Магнитный момент — основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества.

Модификация белков — химические превращения полипептида: разрезание молекулы на фрагменты; сшивание отдельных фрагментов полипептида в новую молекулу; соединение простых белков с разнообразными веществами с образованием сложных белков — гликопротеинов, липопротеинов, металлопротеинов и др.; химические превращения отдельных аминокислот в составе полипептида (окисление, образование дисульфидных и водородных связей).

Мономеры — низкомолекулярные соединения, сходные по структуре и способные реагировать между собой с образованием высокомолекулярного соединения — полимера.

Мутагенез — внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК.

Нанобиокомплексы — сложные биологические структуры надмолекулярного (субклеточного) уровня организации жизни (клеточная мембрана, субъединица рибосомы и т. п.).

Нанобиосенсор — искусственное наноустройство, в котором чувствительный слой, содержащий рецепторы (антитела, ферменты и т. п.) непосредственно реагирует на присутствие в биологическом материале определяемого компонента. При этом он генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Конструктивно нанобиосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей — биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом.

Нанобиотехнологии — раздел в нанотехнологиях, посвященный изучению воздействия наночастиц на живые системы, а также разработке способов применения биологических наноструктур и нанопроцессов в медицине, экологии, сельском хозяйстве и других отраслях производства.

Нанокапсула — наночастица, состоящая из полимерной, липидной или другой оболочки, окружающей ее внутреннюю полость или содержимое.

Нанокластеры — разновидность наночастиц, представляющая собой аморфную или поликристаллическую наноструктуру, хотя бы один характерный размер которой | находится в пределах 1–10 нм. Кластер — объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться | как самостоятельная единица, обладающая определенными свойствами.

Нанокомплексы — надмолекулярные (более крупные по размеру) биологические структуры, образуемые: макромолекулами белков, нуклеиновых кислот, углеводов и их комбинациями (сложные белки, нуклеопротеиды и др.); регуляторными молекулами (гормоны, ферменты, медиаторы, разнообразные биологически активные вещества); молекулами воды, липидов и других 1 веществ; ионами; атомно–молекулярными комплексами, состоящими из неразрывно | связанных ионов и молекул воды, а также молекул всех перечисленных выше органических веществ в клетке.

Нанометр — одна миллиардная часть метра.

Нанопоры — поры с размерами, находящимися в нанодиапазоне (-1–100 нм).

Нанопроцессы — процессы, в которые вовлекаются наноструктуры (наночастицы).

Наносенсор — чувствительное устройство для передачи информации о наноча–стицах на макроскопический уровень.

Наноструктуры — объекты, размеры которых лежат в диапазоне от 1 до 100 нанометров (нм).

Нанотехнологии — фундаментальные технологии, основанные на манипуляциях с наноструктурами.

Наночастица — изолированный твердофазный объект, имеющий отчетливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которого во всех трех измерениях составляют от 1 до 100 нм. Твердые частицы размером менее 1 нм обычно относят к кластерам, более 100 нм — к субмикронным частицам.

Наноявления — явления, протекающие с участием наноструктур.

Нуклеиновые кислоты — полинуклеотиды, фосфоросодержащие высокомолекулярные органические соединения, образованные остатками нуклеотидов; обеспечивают хранение, реализацию и передачу наследственной информации, «записанной» в виде последовательности нуклеотидов.

Нуклеотиды — нуклеозидфосфаты, соединения, из которых состоят нуклеиновые кислоты, многие коферменты и другие биологически активные соединения; каждый нуклеотид построен из азотистого основания (пуринового или пиримидинового), углевода (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты.

Олигомеризация белков — процесс объединения полипептидов (протомеров, субъединиц) в олигомерную структуру (оли–гомерную молекулу).

Полипептид — полимер, образованный в результате соединения множества аминокислот (мономеров) посредством пептидных (азот–углеродных) связей.

Полупроводниковые материалы — материалы, которые занимают по своей удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличающиеся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводниковых материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Рецептор — молекулярная или клеточная структура, воспринимающая внешние и внутренние стимулы, преобразующая их в химические или электрические сигналы и запускающая формирование биологического ответа.

Рецепторы внутриклеточные — рецепторы, расположенные на поверхности клеточного органоида.

Рецепторы мембранные — рецепторы, локализованные в клеточной мембране.

Рибонуклеиновая кислота — линейный полимер, образованный ковалентно связанными рибонуклеотидными мономерами.

Самоорганизация белка — самосборка и самоукладка молекулы белка в естественную (нативную) трехмерную структуру.

Селекция — наука о методах создания новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов с полезными для человека свойствами.

Сенсорный белок — белок, выполняющий функцию восприятия сигнала, чаще всего, это белок–рецептор, расположенный в клеточной мембране.

Сепаратор — аппарат, разделяющий продукт на фракции с разными характеристиками. Например, отделяет одну жидкость от другой или взвесь от жидкости.

Сканирующий зондовый микроскоп — микроскоп, позволяющий получать трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением изображения поверхности и её локальные характеристики. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом.

Субнанометровый уровень — уровень долей нанометра.

Субстрат — химическое вещество, подвергающееся превращению под действием фермента.

Технология сканирующей туннельной микроскопии предназначена для исследования поверхности проводящих веществ и материалов на атомном уровне и формирования трехмерного изображения поверхности, позволяет создавать на поверхности вещества (материала) искусственные наноструктуры путем перемещения отдельных атомов

Токсоплазмоз — паразитарное заболевание человека и животных, вызываемое токсоплазмами.

Трансмембранный белок — белок, молекула которого пронизывает клеточную мембрану.

Трансплантация генов (трансгенез) — встраивание новых генов в ДНК организма–хозяина (организма–реципиента).

Углеродная нанотрубка — полая цилиндрическая структура диаметром от десятых до нескольких десятков нм и длиной от одного до нескольких сотен микрометров и более, образованная атомами углерода и представляющая собой свернутую в цилиндр графеновую плоскость.

Уран — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, относится к семейству актиноидов.

Ферменты — белковые молекулы, реже молекулы РНК или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах.

Ферриты — химические соединения оксида железа Fe_20_3 с оксидами других металлов, обладающие особыми магнитными свойствами, сочетающие высокою намагниченность и полупроводниковые или диэлектрические свойства.

Флуоресцентные белки — белки, характеризующиеся способностью к интенсивной люминесценции в узком спектральном диапазоне.

Флуоресценция — кратковременное свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения. Хромовая кислота — кристаллическое вещество красного цвета. Окрашивает раствор в желтый цвет. Выделена в свободном состоянии при охлаждении насыщенных водных растворов хромата. Химическая формула Н 2Сr0_4.

Эндоцитоз — процесс поглощения веществ клетками путем втягивания (инвагинации) участка клеточной мембраны и образования в цитоплазме мембранного пузырька (эндосомы) с внеклеточным содержимым.

Литература

1. Бактерии смогут «выращивать» наноэлектронику. Нанодайджест. Режим доступа: http://nanodgest.ru/stat/ssledovana–razrabotk/bakter–smogut–vyrashchvat–nanoelektronku.

2. Бактерии способны добывать платиноиды из отходов. Режим доступа: http://www.mneral.ru/News/21583.html.

3. Бактерии–извозчики. Нанотехнологический портал Nano News Net Режим доступа: http://www.nanometer.ru/2007/06/20/nanopartcle_3615.html.

4. Володин А. Осязающие микроскопы // Квант. — 1991. — № 4. — С. 2–7. Режим доступа: http://www.physbook.ru/index.php/Kvant _Осязающие_микроскопы.

5. Дайджест ОГОНЬ ИННОВАЦИЙ — ежедневная внутренняя рассылка новостей для Лаборатории регенеративной медицины МФТИ по темам науки, инноваций, биологии, медицины и медицинской техники. Режим доступа: http://ljrate. ru/post/21751 /126249.

6. Десять в минус девятой. Популярно о нанотехнологиях // Популярная механика. — № 9. — 2009. Режим доступа: http://vechnayamolodost.ru/pages_8/nanotehnol/galoponan7e.html

7. Дыкман Л. А., Хлебцов Н. Г. Золотые наночастицы в биологии и медицине: достижения последних лет и перспективы. Режим доступа: http://cyberlennka.rU/artcle/n/zolotye–nanochasttsy–v-biologii–i–medtsne–dostzhenya–poslednh–let-i-perspektivy.

8. Зарайский Е. И. Нанобиотехнология / Проблемы современной нанотехнологии: учебно–методическое пособие / Сост. Н. В.Губина, И. Б.Морзунова, Е. Н.Тихонова. — М.: Дрофа, 2010. — С. 107.

9. Курек Д. Атомно–силовая микроскопия: увидеть, прикоснувшись. Режим доступа: http://biomolecula.ru/content/956.

10. Нанотехнологии: использование бактерий для доставки «грузов» внутрь клеток. Режим доступа: http://www.bioinformatx.ru/nanotehnolog/nanotehnolog–spolzovane–baktery–dlya–dostavk–gruzov-vnutr–kletok.html.

11. Народицкий Б. С, Ширин–ский В. П., Шляхтин О. А., Нестерен–ко Л. Н. Нанокапсула. Режим доступа: http:// thesaurus.rusnano.com/wk/artcle1279.

12. Новые магнитные наночастицы эффективно убивают раковую опухоль теплом. Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/news/2011/novye–magntnye–nanochasttsy–effektivno–ubvayut–rakovuyu-opukhol–teplom

13. Павленко А. Нанотехнологии. История. Режим доступа: http://cryogenc. physcs, by/ndex, php/ru/scentfc–actvtes/ useful/299-nanotechnology–hstory.

14. Перши на А. Г., Сазонов А. Э., Мильто И. В. Использование магнитных наночастиц в биомедицине. Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск. Режим доступа: http://www.ssmu.ru/ bull/08/2/12pe.pdf.

15. Природные ферменты для производства биотоплива. Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/news/2010/prrodnye–fermenty–dlya–prozvodstva-biotopliva.

16. Созданы искусственные мышцы из углерода и парафина Режим доступа: scencehttp://iscience.ru/201/2/11/22/sozdany–skusstvennye–myshcy-z–ugleroda–i-parafina/

17. Сыч В. Ф., Дрожжина Е. П., Санжапова А. Ф. Введение в нанобиологию | и нанобиотехнологии. Учебное пособие для| учащихся 10–11 классов общеобразовательных учреждений. — СПб.: Образовательные проекты, Школьная лига, 2014. — 256 с.

18. Топливная ферма: Солнечный дизель. | Режим доступа: http://www.boethanol.ru/ boethanol/news/toplvnaja_ferma_solnechnyjj_dzel.

19. Трусов Л. А. Бактерии знают толк в магнитных наночастицах. Режим доступа: http://www.nanometer.ru/2007/12/21/magnetizm_5467.html.

20. Ферментеры и биореакторы Режим доступа: http://bio–rus.ru/articles/34.html

21. Чугунов А. Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био» ittp://biomolecula.ru/content/620#112.

22. Ширинский В. П. Липосома. Режим доступа: http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1075

23. Ширинский В. П., Борисенко Г. Г. Нанообъекты биологические. Режим доступа: http://thesaurus. rusnano.com/wk/article571.

24. Ширинский В. П., Борисенко Г. Г., Бородин П. А. Доставка лекарственных средств. Режим доступа: http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article141

25. Шуленбург М. Наночастицы — крохотные частицы с огромным потенциалом. Возможности и риски. — Бонн, Берлин, 2008.

«Биология для школьников». — 2014. — № 4. — С. 27–45.

Content

Суматохин Сергей Витальевич Нанобиотехнологии: становление, современное состояние и практическое значение

Сергей Витальевич Суматохин НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ: СТАНОВЛЕНИЕ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

СТАНОВЛЕНИЕ НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

Технология сканирующей туннельной микроскопии

Атомно–силовая микроскопия

Конструирование наноструктур на основе белков

Использование белковых наночастиц с антимикробными свойствами

Применение нанобиосенсоров в диагностике и лечении заболеваний

Направленная доставка лекарств

Бактерии — средство направленной доставки лекарств

Использование бактерий для получения наночастиц металлов

Получение магнитных наночастиц с помощью бактерий

Получение ферментов с помощью бактерий

Получение биотоплива с помощью фотобиореакторов

ГЛОССАРИЙ