4.Биотехнология, медицина и здравоохранение

ВВЕДЕНИЕ

Нанотехнология позволяет ученым, инженерам и медикам перейти к крупно­масштабным исследованиям в области биологии и здравоохранения на кле­точном и молекулярном уровне. В 21 в. эти исследования приведут к новым биотехнологическим производственным процессам, а также к принципиаль­ным изменениям в методах медицины.

4.1. Состояние исследований и разработок

Благодаря развитию сканирующей микроскопии и аналитических методов оптического сканирования в последние годы ученым удалось наблюдать хи­мические процессы и микроскопические структуры в биологических систе­мах с недостижимым ранее разрешением. Новейшие аналитические методы дают возможность детально изучать микроскопическое строение живых кле­ток и химических процессов на молекулярном уровне. Например, АСМ по­зволяет выявлять направление и величину очень слабых молекулярных сил, определяющих связи рецептор-лиганд на поверхности клеток. Микроскопи­ческие электронные зонды позволяют измерять параметры ионного обмена клетки с окружением или величину электрического тока в нервных волокнах. Новейшие высокоразрешающие оптические приборы в сочетании с флуорес­центными светоизлучающими зондами, обладающими химической селектив­ностью, позволяют изучать химические процессы на поверхности и внутри живой клетки. Такая аналитическая аппаратура дает возможность исследо­вать биохимические процессы и взаимодействия клеток внутри организма.

Биологические клетки содержат внутри себя естественные «молекулярные двигатели» совершенной конструкции. Примером таких природных нанома-шин является Fl-АТФаза, представляющая собой часть значительно более крупного, встроенного в мембрану комплекса, обеспечивающего синтез АТФазы в митохондриях (рис. 4.1). Размеры данной структуры не превышают 10 нм, и она представляет собой весьма надежный и функционально совер­шенный двигатель, работа которого обеспечивается естественными биохими-

Рис.4.1. Молекулярный протеиновый двитгатель F1-ATФаза. На рисунке из журнала Science показано активное волокно, прикрипленное к ротору двигателя.Вращение волокна,создаваемое протеиновым двигателем,позволяет наблюдать в микроскопе его работу.

ческими процессами. В 1998 г. премия Амершама по биотехнологии и фарма­кологии была вручена молодому японскому исследователю Хироюки Нодзи, которому удалось экспериментально продемонстрировать работу этого моле­кулярного двигателя, присоединив к нему длинное молекулярное актиновое волокно и проследив его вращение в оптическом микроскопе. Детальное ис­следование строения и функционирования этого протеинового двигателя (и аналогичных ему молекулярных биосистем) имеет огромную научную и прак­тическую ценность .

В последние несколько лет ученые разработали технологию быстрого кар­тирования генетической информации в молекулах ДНК и РНК, включая опре­деление мутаций и уровней экспрессии. В этой технологии используется мат­рица микрочипов ДНК, что имеет сходство с литографической технологией формирования рисунка при промышленном производстве интегральных схем.

В настоящее время технологии такого типа приобретают коммерческое значение и находят применение в биотехнологических исследованиях и произ­водственных процессах. Разработка новых типов химических матриц позволит расширить возможности таких технологий и применить их, например, в био­логических устройствах обработки информации или для анализа белков и дру­гих биомолекул. Миниатюризация устройств на основе родственных аналити­ческих процессов, в частности электрофореза, повышает эффективность таких технологий и снижает стоимость многих важных аналитических методик, на­пример секвенирования ДНК или создания фингерпринтов (пептидных карт). В качестве примера можно привести исследование [2], которое имело целью заменить утомительный, медленный и дорогой метод секвенирования ДНК в гелевых пластинах на анализ с использованием миниатюрных интегральных систем (рис. 4.2).

Рис.4.2.Фотомозаика чипа для фракционирования ДНК. Изображение составлено

Используя биологические системы в качестве образца, ученые пытаются создать путем самосборки еще более сложные системы. Самосборка становит­ся необходимым условием во многих процессах, поскольку уменьшение разме­ров компонентов делает манипулирование ими слишком медленным для прак­тических целей. Сложные биологические системы можно рассматривать как модели, по которым создаются отдельные компоненты, объединяемые в даль­нейшем единственным возможным способом в требуемую трехмерную нано-структурную систему. Для создания новых материалов можно воспользоваться знаниями, полученными при исследовании биологических систем. Например, изучив молекулярную структуру паутины (которая является одним из самых прочных материалов, известных в настоящее время), можно использовать по­лученные данные для конструирования новых композитных полимерных ма­териалов, обладающих повышенной прочностью.

Наночастицы, диаметр которых намного меньше 1 мкм, были использова­ны для разработки эффективных методов доставки лекарственных препаратов и генов внутрь клеток. Дело в том, что многие ценные лекарственные препараты нерастворимы в воде и часто с трудом проникают внутрь клеток. Однако такие соединения можно связать с наночастицами указанных разме­ров. Частицы-носители движутся в кровотоке, почти не создавая опасности за-

Рис.4.3.устройство называемое <<генным ружьем>> с помощью которого нано-

упорки капилляров и других мелких кровеносных сосудов (что обычно проис­ходит при введении в кровь нерастворимых порошков). Метод позволяет суще­ственно повысить эффективность и скорость воздействия лекарственных препаратов на ткани человеческого организма. Аналогично, наночастицы, пе­реносящие на себе фрагменты ДНК, могут использоваться для введения спе­цифических генов в намеченные клетки организма (рис. 4.3).

Способность макромолекул ДНК к регулируемой и высокоорганизован­ной сборке делает их идеальным материалом для нанотехнологий. Например, молекулы ДНК применялись для конструирования матриц, которые путем самосборки легко превращаются в запланированные двухмерные структуры. Эти матрицы состоят из жестких пластинок ДНК (площадью около 60 нм²), образованных антипараллельными цепями ДНК, которые соединены двой­ными перекрестными связями, аналогичными тем, которые наблюдаются при редукционном делении клеток (мейозе). Точную форму и периодичность расположения пластинок можно модифицировать, изменяя последователь­ность азотистых оснований ДНК, что позволяет формировать специфиче­ские решетки с наноразмерными программируемыми структурами. Такой подход в будущем может привести к использованию сконструированных ДНК-кристаллов в качестве основы для кристаллизации макромолекул, для создания новых катализаторов и молекулярных сит, для сборки молекуляр­ных электронных схем или биочипов будущих ДНК-компьютеров. Анало­гично, субстраты и подложки из биомолекул могут применяться для исследо­вания уникальных структурных особенностей РНК и полипептидных цепочек или при проведении высокоспецифичных реакций между нуклеино­выми кислотами и белками.

Устройства, которые используются сейчас для регулирования взаимодейст­вия ДНК на поверхностях, могут найти применение для управления процесса­ми самосборки. В этих устройствах электрические поля используются для уста­новки частиц в определенных позициях (или их смещения с этих позиций) на

поверхности. Такой же подход может использоваться и для точной установки заряженных биологических молекул (ДНК, РНК, белки), клеток и других на-норазмерных или микроскопических заряженных частиц.