X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Нанотехнология – это отрасль науки фундаментальной и науки прикладной, а также раздел науки, изучающий возможности применения технических средств и новшеств современных изобретений, раскрывающиеся в совокупном объёме представления теоретических аспектов, прикладных основ изучения, работы по исследованию аналитико-синтетической, методической и методологической составляющей применения продуктов научного труда с определённой структурой на атомном уровне, что достигается использованием регулируемого манипулирования структурами наномира – атомами и молекулами как отдельными объектами исследования. Нанобиотехнологии – это раздел в нанотехнологиях, посвящённый направленному изучению взаимодействия наночастиц и живых организмов, а также разработке возможных способов моделирования и практического применения биологических наноструктур, наноявлений и нанопроцессов в экспериментальной биологии, медицине, экологии, сельском хозяйстве и других отраслях науки и техники.

Исследование наноструктур, наноявлений и нанопроцессов является целенаправленной задачей современной науки, выявившей безграничные перспективы способов и методов изучения наномира как прикладных основ развития техники, технологии, науки, в том числе биологии, медицины, фармации. Нанотехнологии представляют весьма большой интерес в современных исследованиях, поскольку способствуют мировоззренческим преобразованиям в понимании современного мира, его основ и возможностей существования вещества. А. Стайкман писала в журнале Technology review, что на уровне наноявлений, нанопроцессов и нанообъектов исчезает принципиальное различие между живым и неживым, так что граница таким образом между различными формами существования вещества фактически стирается. Так, производится поиск объединения различных свойств материалов неживой природы (к примеру, электропроводность) с характеристиками, являющимися основополагающими принципами материалов живого (примером могут послужить самоорганизация и адаптивные возможности живого).

Раскрывая основные направления развития нанотехнологий, существующие и развивающиеся в настоящий период времени, необходимо выделить следующие возможности исследования наномира:

Моделирование и воспроизведение наноявлений и наномеханизмов живых систем в лабораторных и производственных условиях;

Получение наночастиц и наноматериалов с участием живых организмов;

Разработка методов и способов использования наноструктур и нанопроцессов для вторжения в живой организм с целью его исследования, диагностики состояния и лечения.

Возможности нанобиотехнологий в области преобразования наномира при исследовании биологических объектов оказываются прямой предпосылкой и поводом становления уникального и интересного направления в современной медицине, развивающегося в настоящее время, – наномедицины. Наномедицина – это исправление, направленное и теоретически обоснованное и подкреплённое конструирование, а также контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных с помощью современных технологий наноустройств и наноструктур. Наномедицина обеспечивает создание технологий, нацеленных на управление с использованием наноматериалов и наночастиц комплексом физических, химических и биологических процессов, протекающих непосредственно в живом организме на молекулярном уровне и определяющих его состояние здоровья и возможности развития заболевания в силу причин, опосредованных преобразованиями и ошибками на молекулярном уровне.

Нанобиотехнологии в медицине – наномедицина – развиваются в следующих направлениях:

- Нанодиагностикумы на основе молекулярных детекторов и биосенсоров и флуоресцентных наночастиц;

- Нанопоровые секвенаторы индивидуальных геномов;

- Наночастицы в качестве контейнеров с целью доставки лекарств и вакцин;

- Наночастицы-лекарства;

- Синтетические геномы как системы саморазмножающиеся;

- Нанобиоинженерия – репарация органов и тканей при помощи создаваемых наноматериалов;

- Нанороботы для медицины – устройства, настраиваемые для поиска очагов поражения тканей, которые способны устранять данные поражённые участки, а также наноустройства, способные имитировать и исполнять функции различных клеток организма (например, эритроцитов).

Метод использования нанодиагностикумов на основе молекулярных детекторов и биосенсоров и флуоресцентных наночастиц раскрывается в возможности видеть белки – маркёры заболеваний при помощи молекулярных детекторов – нанодиагностикумов – на основе сканирующих микроскопов высокого разрешения или нанопроводов и нанопор. Таким образом, детекторы, измеряющие не концентрацию тех или иных белков, а считающих единичные молекулы белков с целью поиска отдельных характеристик позволяют регистрировать белки, являющиеся маркёрами различных заболеваний, так что их использование целесообразно и актуально для наномедицины. Задача детектирования белков – маркёров заболеваний включает необходимость выделения и концентрирования белков из сложных смесей (такой смесью может оказаться, к примеру, плазма крови), что может быть решено при помощи селективного захвата и концентрирования белков на поверхности нанобиочипов. В итоге на поверхности нанобиочипа осуществляются биоспецифические межмолекулярные взаимодействия, называемые биоспецифическим фишингом. Следовательно, реализуется возможность выделения белков с низким их содержанием из биологической жидкости, которые так концентрируются и в дальнейшем идентифицируются при использовании атомно-силовой микроскопии. Перспективы метода представляются весьма яркими для достижения целей идентификации заболеваний на молекулярном уровне.

В настоящее время оказывается актуальным и перспективным применение нанопоровых секвенаторов индивидуальных геномов. Информация о геноме человека представляет собой основу развития персонифицированной медицины – медицины, направленной на излечение заболеваний конкретного человека с конкретными метаболическими характеристиками основных процессов обеспечения жизнедеятельности организма данного человека, определяемых его генетическими особенностями. Проект «Геном человека» оказался результатом использования достижений данного аспекта применения нанобиотехнологий. Методологической основой установления генетических характеристик становится секвенирование генома, которое основано на использовании физических различий между четырьмя нуклеотидами. Эти различия выявляют, протягивая ДНК через нанопору и регистрируя при этом электрический сигнал, возникающий в электронной структуре нанопор. В итоге было создано устройство на основе нанопор, регистрирующее отдельные олигонуклеотиды. Такой подход даёт возможность сконструировать портативные, относительно дешёвые, быстродействующие наноустройства для секвенирования генетического материала, которые могут найти широкое практическое применение в современный период.

Наночастицы могут быть использованы как контейнеры для доставки лекарств и вакцин. Таким образом, с помощью инструментов наномира могут быть реализованы принципы «адресной доставки» лекарственных веществ к органам и клеткам-мишеням. Существует два направления «адресной доставки» лекарственных веществ: пассивный направленный транспорт (облегченное проникновение естественных барьеров) и специфическая доставка (через “узнавание” патологической ткани). Использование наносистем для транспорта лекарственных препаратов позволяет не только увеличить биодоступность последних, но и обеспечить поступление препарата в определённые органы и клетки-мишени.

Наночастицы сами могут проявлять качества лекарств. Лекарства в виде наночастиц обладают целым рядом преимуществ: высокой скоростью растворения, повышенной биодоступностью, быстрым терапевтическим эффектом. При использовании подобных лекарств снижаются риски развития большого количества побочных эффектов.

Нанотехнологии позволяют реализовать возможности развития нового раздела науки – нанобиоинженерии. Нанобиоинженерия, к примеру, раскрывается в использовании репарации органов и тканей при помощи наноматериалов. Особые свойства наноматериалов могут быть использованы для выращивания искусственных органов и тканей. Возможности применения наноматериалов находят своё отражение как в России, так и за рубежом. К примеру, за рубежом существует методика восстановления хрящевой ткани, которая по механическим и биохимическим свойствам оказывается близка к естественному хрящу. В России осуществляется использование биосовместимых наноматериалов для восстановления механических свойств зубной эмали.

Примером наноустройств, создаваемых в рамках нанобиотехнологий, становятся нанороботы. Нанороботы для медицины – это устройства, разыскивающие очаги поражения тканей и устраняющие их, и наноустройства, имитирующие функции различных клеток (например, эритроцитов). Возможности таких наноустройств оказываются весьма разнообразными. К примеру, механический наноробот помещается в кровяное русло, направляется в сердце, «осматривает» его, находит поврежденный клапан и с помощью микроскальпеля проводит операцию. Также наноробот может, помещаясь в организм пациента, находить и уничтожать больные клетки.

Примером достижений нанобиотехнологий в медицине может оказаться использование наномоторов. Таким наномотором может быть фермент АТФ-синтаза – механическое устройство, образованное двумя совместно работающими роторными наномоторами, обеспечивающими таким образом синтез АТФ. Существуют и другие белковые наномоторы линейного движения, они относятся к трём большим семействам белков: миозин, динеин, кинезин.

В современной нанобиотехнологии также находит широкое применение использование молекулярных наносит. Первое контролируемое импульсами напряжения молекулярное наносито было сконструировано Шарлем Мартином с коллегами в Университете штата Колорадо в 1995 г. Мембрана Ш. Мартина включает в себя массив цилиндрических золотых нанотрубок с внутренним диаметром 1,6 нм. Когда трубки положительно заряжены, положительные ионы через мембрану не проходят, что позволяет разделять отрицательные и положительные ионы. Напротив, когда трубки заряжены отрицательно, пропускаются только положительно заряженные ионы, что также обеспечивает разделение ионов. Такого типа наноустройства способствуют достижению точного контроля ионного транспорта и, как следствие, реализации значительной избирательности на молекулярном уровне.

В современной нанотехнологии находит применение создание синтетических геномов в качестве саморазмножающихся систем. К примеру, в 2008 г. Крейг Вентер и Клайд Хатчисон синтезировали первый в мире искусственный геном. Внедрение искусственного генома в бактериальную клетку без генетического аппарата привело к созданию искусственной бактерии Mycoplasma laboratorium. Таким образом, впервые за всю историю науки синтезирована живая система.

В заключение следует отметить, что нанобиотехнологии в настоящее время развиваются стремительными темпами. Так, происходит совершенствование наномедицины, раскрытие новых направлений исследования в наномедицине. Совершенствуются принципы лечения заболеваний, а также уровни рассмотрения метаболических и функциональных изменений при возникновении заболевания в организме. Помимо всего прочего, использование нанотехнологий формально позволяет стереть непреодолимую грань между живым и неживым веществом, живой и неживой природой. Добавим, что нанотехнологии являются реальностью сегодняшнего дня, и их развитие – одно из ключевых направлений совершенствования всей современной науки, в том числе биологии, медицины и фармации.

Список литературы

1. Арчаков А.И. Нанобиотехнологии в медицине: нанодиагностика и нанолекарства. // Биомедицинская химия. – 2010. – Том 56, вып. 1. – С. 7-25.

2. Горобец С.В., Горобец О.Ю. Перспективы развития нанобиотехнологии. // Химия, физика и технология поверхности. – 2007. – Вып. 13. – С. 265-272.

3. Сыч В.Ф., Дрождина Е.П., Санжапова А.Ф. Введение в нанобиологию и нанобиотехнологии: учебное пособие для учащихся 10-11 классов средних общеобразовательных учреждений. – СПб: Образовательный центр «Участие», Образовательные проекты, 2012. – 256 с.

4. Stikeman A. Nano Biomaterials: new combinations provide the best of both worlds. // Technology Review. – 2002. – Р. 35-42.

Код для цитирования: Скопировать