Основные объекты нанобиотехнологии

Основные объекты нанобиотехнологии: организм в целом, ткани, отдельные клетки, внутриклеточные органеллы, макромолекулы, небольшие неорганические молекулы и наконец отдельные атомы.

Живые организмы по типу составляющих их клеток можно разделить на эукариоты и прокариоты. Эукариотические клетки имеют ядро, в то время как у прокариот отчетливо выраженное ядро отсутствует. В переводе с греческого кариос означает ядро, эу - предлог "с", а про - до, перед. У эукариот носитель наследственной информации - ДНК - окружена ядерной оболочкой

Многоклеточные организмы - хорошо организованная совокупность клеток. Основные группы организмов: растения, животные, грибы и некоторые колониальные виды бактерий и сине-зеленых водорослей. В многоклеточных колониях прокариот все клетки одинаковы, тогда как в эукариотических организмах клетки различаются по форме и функциям, т.е. дифференцированы.

Размеры самого организма могут варьироваться от 50 мкм (представитель царства грибов) до десятков метров (крупные животные и деревья). Размеры составляющих их клеток на близки друг к другу: обычно их поперечник составляет 10...50 мкм. Исключений очень немного: высокоспециализированные нервные клетки (например, гигантский аксон кальмара может иметь толщину ~ 1 мм). Другой хрестоматийный пример - одноклеточные гигантские водоросли, размер которых может достигать нескольких миллиметров.

Клетка может быть определена как минимальная структурная единица жизни, способная к самовоспроизведению. Она отграничена от окружающей среды липидно-белковой оболочкой, которая называется клеточной мембраной. Биологические мембраны имеют толщину порядка 10 нм и представляют собой очень привлекательный объект для различных нанотехнологий. С одной стороны, они защищают содержимое клетки от окружения, а с другой - обеспечивают управляемую двустороннюю селективную проницаемость для тех или иных веществ в процессе метаболизма.

Рис.2. Макро-, микро- и нанообъекты в молекулярной биологии

Перенос вещества через плазматическую мембрану имеет фундаментальное значение для всех живых клеток. Извне в клетку должны поступать питательные вещества и метаболиты, богатые энергией. Одновременно через мембрану должны выводиться ненужные клетке соединения.

Кроме того, живая клетка поддерживает определенную разность концен­траций ионов К⁺, Na⁺, Сl¯ и т.д. по обе стороны от мембраны. В процессах мем­бранного переноса выделяют: простую диффузию (из области с высокой концентрацией в область с низкой); облегченную диффузию (с помощью белков-переносчиков) и активный транспорт (из области с низкой концентрацией в область с высокой). Все эти процессы представляют громадный интерес для нанобиотехнологии, поскольку позволяют: эффективно фильтровать и сепарировать вещества на атомно-молекулярном уровне; проводить селективно необходимые реакции в смеси; обнаруживать токсины и обезвреживать их; диагностировать и лечить многие болезни.

Любая клетка содержит множество структурных единиц меньшего размера, которые называются органеллами. Они выполняют различные специфические функции, например вырабатывают энергию или приводят клетку в движение. Органеллы погружены в жидкую цитоплазму, удерживаемую клеточной мембраной. Размеры органелл лежат в диапазоне 20 нм ... 10 мкм.

Прокариоты - простейшие живые клетки. К ним относятся такие одноклеточные организмы, как бактерии и сине-зеленые водоросли. В прокариотической клетке хромосома напрямую контактирует с цитоплазмой, а в эуакариотической - помещается в ядре, отделенном от цитоплазмы мембраной.

Хромосома в прокариотической клетке всего одна. Она представляет собой непрерывный кольцевой тяж двухцепочечной ДНК. В вытянутом состоянии длина молекулы ДНК может достигать 1 мм, но в клетке она туго свернута в компактную спиральную структуру.

Эукариотические клетки обладают рядом структурных особенностей, которые отсутствуют в более простой, прокариотической клетке. В многоклеточ­ных высших организмах имеется множество разновидностей клеток, отличающихся функциями и морфологией. Общим для них является то, что нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) находятся в ядрах, окруженных ядерной мембраной. ДНК упакована в отдельные хромосомы, число которых зависит от вида организма (так, у человека в каждой диплоидной клетке 46 хромосом, а у огурца - 14).

Рибосома - сложная органелла, в которой осуществляется синтез белка как в прокариотах, так и в эукариотах. Ее размер составляет несколько десятков нанометров. Энергия, необходимая для функционирования клетки, запасается, как правило, в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ).

К нанообъектам можно отнести вирусы с размерами 10...200 нм и белки, размеры которых лежат в диапазоне от единиц до десятков нанометров. Белки синтезируются из 20 аминокислот, соединяемых прочными пептидными связями. Размеры каждой из аминокислот порядка 1 нм. Полипептидные цепи содержат сотни - тысячи последовательно соединенных аминокислот и представляют собой некое подобие нанопроволок. В результате многократных изгибов и сворачивания образуется глобула белка, удерживаемая в этом положении слабыми (нехимическими) связями.

Носитель генетической информации - ДНК представляет собой также двойную полипептидную цепь, свернутую в спираль с шагом 3,4 нм и диаметром 2 нм (рис.3).

Связи между спиралями осуществляются с помощью четырех комплементарных пар азотистых оснований (А, С, Т и G). Спаривание спиралей происходит за счет слабых водородных связей между этими основаниями. На один виток спирали приходится 10 пар оснований. ДНК человека содержит около 1,4 • 10⁸ нуклеотидов.

Рис.3. . Структура молекулы ДНК:

Самосборка и самоорганизация

Самосборка и самоорганизация играют ключевую роль в жизни всего живого. В частности, сложные белковые макромолекулы собираются из 20 простых аминокислот. Внутриклеточные структуры, клеточные мембраны находятся в динамическом равновесии с окружающей средой, реагируя на изменения в ней.

Обычно Природа использует сильные химические (ковалентные) связи для построения молекул, а их самосборку и самоорганизацию устраивает с помощью более слабых, легко перестраиваемых связей (водородных, ван-дер-ваальсовых и др.). Это обеспечивает устойчивость и стабильность самих строительных блоков и вместе с тем позволяет легко пересоединять их и устраивать новые комбинации. В отличие от чисто химического синтеза органических молекул, возможные ошибки при сборке таких супрамолекулярных структур легко самоустраняются без вешнего вмешательства.

Таким образом, Природа для создания организмов от самых простых до высших практикует стратегию "снизу вверх", осуществляемую методами самоорганизации и самосборки.

Простейшие виды самоорганизации в неорганических материалах наблюдаются в процессе гетероэпитаксиального роста пленок, образования гетероструктур, сверхрешеток, управляемой кристаллизации аморфных сплавов и других процедур создания наноструктур и наноматериалов.

Разумеется, эти явления не нарушают второго закона термодинамики, а напротив, идут в полном соответствии с его требованиями в сторону уменьшения свободной энергии в системе.

В живых организмах и системах ситуация осложняется тем, что они по определению не являются замкнутыми и равновесными, как того требует классическая термодинамика. За счет обмена веществом, энергией и информацией с внешней средой и сброса в нее излишней энтропии самоупорядочение в таких системах может осуществляться в гораздо больших масштабах, чем в неживой природе.

Однако и того, что можно реализовать в системе из атомов и простых органических молекул, используя элементы самосборки и самоорганизации, вполне достаточно, чтобы осуществить многие полезные технологические процессы.

Генная инженерия

Наиболее захватывающими и многообещающими разделами нанобиотехнологии, , являются те, которые оперируют молекулами ДНК. Эта область науки и технологии называется генной инженерией. Выдающиеся достижения генной инженерии:

1944 г. - Эверн, Маклеод и Маккарти показали, что генетический материал представляет собой молекулы ДНК;

• 1953 г. - Дж. Уотсон и Ф. Крик установили первичную структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали;

• 1961-1966 гг. - расшифрован универсальный четырехбуквенный генетический код;

• 1973 г. - Г. Бойер и С. Коэн положили начало технологии рекомбинантных ДНК;

• 1978 г. - фирма Genetech (США) выпустила первую партию человеческого инсулина, полученного с помощью рекомбинантной технологии и бактерии Е.соli: (Eshericha Coli - кишечная палочка, наиболее изученный микроорганизм - непатогенная бактерия длиной < 1 мкм);

• 1990 г. - официальное начало работы над коллективным международным проектом "Геном человека";

• 1995 г. - опубликованы подробные генетические карты человека, описывающие крупные домены генетического кода;

• 1996 г. - ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд дол.;

• 1997 г. - клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки;

• 2005 г. - закончено секвенирование молекулы ДНК человека с точной локализацией каждого гена.

Генетическая информация об организме закодирована в последовательности нуклеотидных оснований ДНК. Осознание этого факта привело к революции в биологии и ее многочисленным последствиям, а также породило массу как реальных проектов, так и спекуляций.

В 1973 г. Стэнли Коэн и Герберт Бойер с сотрудниками разработали способ переноса генетической информации из одного организма в другой. Этот метод,

получивший название "технология рекомбинантных ДНК", позволил ученым выделять конкретные гены и вводить их в организм нового хозяина.

Союз технологии рекомбинантных ДНК и биотехнологии породил очень динамичную исключительно интересную дисциплину - молекулярную биотехнологию, или нанобиотехнологию, поскольку в ней все интересные объекты и процессы имеют наномасштабный уровень.

Одно из многочисленных перспективных направлений использования информации, полученной при секвенировании ДНК человека, - генная терапия. К настоящему времени из примерно 10 тыс. известных заболеваний человека треть относится к наследственным болезням. В отношении последних актуальны выявление конкретных генов, которые ответственны за конкретную болезнь, и их местонахождение в ДНК.

В процессе выполнения программы "Геном человека" удалось выявить гены, ответственные почти за все эти заболевания. Знание их причин на молекулярном уровне помогает перевести на совершенно новую основу раннюю диагностику и лечение многих болезней. Так, ряд генно-инженерных средств уже работает на благо здоровья человека: антикоагулянты (для лечения больных с инфарктом миокарда), эритропоэтрин (стимулирует образование эритроцитов), ростовые факторы (ускоряют заживление ран), человеческий инсулин (для лечения диабета), интерфероны (препятствуют размножению вирусов), вакцины (в частности, против гепатита В) и многое другое.

Важность и перспективность генно-инженерных технологий и продуктов хорошо осознаются не только учеными, но и экономистами, и промышленниками. Сейчас биотехнологическая и фармацевтическая индустрии - одни из наиболее динамично развивающихся и инвестирующих в науку колоссальные средства (несколько десятков миллиардов долларов в год!).