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

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.