WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |

«Мария Рыбалкина НАНОТЕХНОЛОГИИ для всех Большое в малом Мария Рыбалкина Нанотехнологии для всех Н а н о т е х н о л о г и и д л я в с е х Большое в малом Б о л ь ш о е ...»

-- [ Страница 5 ] --

Из оксидов вольфрама осаждают электрохимические сен соры, чутко реагирующие на малейшее содержание нитратов (то есть можно выбирать экологически чистую репку на рын ке), устройства электрохимической энергетики (помните мощ ный взрыв, вызванный маленькой топливной ячейкой из “Тер минатора III”?).

Осаждая поочередно слои оксидов двух разных металлов, получают биметаллический нанокомпозит для устройств маг нитной записи или электрохромные (меняющие цвет под действием тока) устройства. Более того, осаждением наноокси дов нашим ученым удалось получить сверхтонкий высокотем пературный сверхпроводник.

Мягкая литография Обычная фотолитография прекрасно зарекомендовала себя в случае, когда необходимо разместить как можно большее ко ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии личество элементов на маленькой площади полупроводнико вого кристалла. Однако она совершенно не подходит для случа ев, когда те же элементы нужно разместить по большой площа ди, на иных материалах или не на плоских поверхностях.

Технология размещения наноструктур на любых поверх ностях, названа “мягкой литографией”. Она не требовательна к качеству и форме подложки, а потому применять её можно для неровных и гибких поверхностей и даже объёмных фигур.

В качестве примера, демонстрирующего возможности но вой технологии, исследователи из Иллинойского университета (США) показывают полусферу, покрытую матрицей фоточув ствительных транзисторов и способную сыграть роль основно го элемента для широкоугольного цифрового фотоаппарата.

Делают ее так: сперва на выбранную поверхность наносят тонкие плёнки алюминия, кремния и нитрида кремния. Потом поверхность нагревают и методами зондовой микроскопии “рисуют” на ней определенную наноструктуру с характерными размерами в десятки нм. Затем штампуют ею мягкую полимер ную матрицу, которую потом подвергают облучению для зат вердения.

Минимальные размеры элементов, создаваемых этим спо собом, составляют около 10 нм, что позволяет, в принципе, осу ществлять очень плотную запись, но производительность и на дежность оставляют желать лучшего. Тем не менее, мягкую ли тографию ждёт большое будущее.

Рисование и печать Очень удобный способ нанесения наноструктур на поверх ности предложила компания NanoInk, выпускающая самые ма ленькие авторучки на Земле. Точки, линии и буквы, выходя щие из под их “пера”, примерно в десять тысяч раз меньше тех, что создаются с помощью обычной шариковой ручки. Но в от личие от макроскопических “коллег”, данная ручка представ ляет собой зонд АСМ с наконечником из нитрида кремния.

Когда АСМ используется по прямому назначению, возни кает проблема: на наконечнике конденсируется влага из окру жающего воздуха, что ухудшает качество измерений. Оказа лось, частицы воды в образующейся капельке постоянно дви жутся – от наконечника к поверхности и наоборот. Это свой ство решили использовать для перемещения вместе с водой мо www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ лекул “чернил”. Меняя уровень влажности в приборе, задают размер капельки и ширину линии. Ширина линий составила всего несколько десятков молекул, а толщина одну молекулу.

Эту технологию окрестили “перьевой нанолитографией” (dip pen nanolithography).

Рис 181. Cистема кантилеверов «авторучек» и внешний вид установки DPN* Перьевая нанолитография имеет много достоинств: в каче стве "чернил" можно использовать все, что угодно, а писать можно на любой поверхности. "Атомная ручка" найдет приме нение в наноэлектронике: с ее помощью на площади в один квадратный дюйм можно прочертить до 1 млн. линий. Экспер ты отмечают также относительную дешевизну устройства.

Авторучка – хорошо, а принтер лучше. Установки, содер жашие матрицы управляемых зондов авторучек (как в «много ножке») вполне могут пригодиться в серийном производстве наноэлектронных устройств. Обратите внимание, что, в отли чие от обычной литографии, здесь не нужно трудоемкое изго товление фотошаблона, а значит, станки «нанохудожники» смогут переключаться на производство все новых и новых на ночипов сразу как только инженеры будут их разрабатывать.

Таким образом, одна и та же фабрика сможет производить мно жество разных типов микросхем.

Биосинтез Другой перспективный инструмент создания наноструку тур – биологические наномашины. Нэд Симэн из Нью йоркского университета уже создал из молекул ДНК “фабрику” по производству одного единственного полимера. Размеры устройства составляют всего 110x30x2 нм. Оно состоит из двух * Перепечатано с www.nanoink.net ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии наномашин, которые Нэд изобрел, скомбинировав опреде ленным образом цепи молекул ДНК.

Рис. 182. Схема и АСМ изображение ДНК наномашины* Ученые заставили эту наномашину работать, добавив в раствор, содержащий ее, фрагменты все той же ДНК. Машина тут же начала собирать из них полимер, повторяющий структу ру первоначальной “фабрики”. Эта наномашина работает по добно информационной РНК, управляющей синтезом белко вой цепочки в организме.

Ученые хотят со временем создать наномашину, работаю щую подобно рибосоме. “Главное применение будущей искус ственной рибосоме будет в синтезе новых материалов по задан ной последовательности, закодированной в ДНК, – говорит Симэн. – В конце концов, мы научимся делать полимеры и но вые материалы в больших количествах и за малый промежуток времени благодаря ДНК машинам”.

Итак, повторим еще раз!

На пути познания природы огромную роль играют инструменты получения информации о ней.

Оптический микроскоп состоит из двух систем линз – окуляра и объектива. Объектив создает первое увеличенное изображение объекта, которое затем увеличивается еще и оку ляром. С помощью таких микроскопов можно получать увели чение до 1000 крат.

Открытие оптической микроскопии привело к бурному развитию многих наук. Были обнаружены микроорганизмы, более полно изучена работа и строение организма, создана кле точная теория, согласно которой все живое на Земле состоит и развивается из одних и тех же клеток.

Предельное разрешение микроскопа, согласно “прин ципу Рэлея”, не может быть больше половины длины волны * Перепечатано с www.nanotechweb.org www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ падающего на объект света. Поэтому с помощью оптического микроскопа невозможно изучать объекты меньше 150 нм. В связи с этим возникла идея заменить свет электронами (с дли ной волны в сотни раз меньше, чем у фотонов).

“Линзы” электронного микроскопа манипулируют пучком электронов подобно тому, как обычные линзы фокуси руют и рассеивают световой поток. Разрешающая способность электронных микроскопов единицы нанометров.

Недостаток электронных микроскопов необходимость работы в полном вакууме и разрушительное воздействие на би ообъекты., что делает их непригодными для исследования воб ласти биологии и биотехнологии.

Этих недостатков лишены СЗМы, обеспечивающие атомарное разрешение. Наиболее популярны среди них тун нельный, атомно силовой и оптический ближнеплольный микроскопы. Сегодня они являются основным аналитическим оборудованием нанотехнологов.

К другие необходимым измерительным приборам отно сятся нановесы, спектрометры, наноинденторы, зондовые ла боратории и т.п.

Чтобы создать любой нанообъект его сначала нужно де тально смоделировать. Программы для моделирования наност руктур можно разделить на три группы:

1) визуализационные (показывают наноструктуры, но ниче го не рассчитывают);

2) вычислительные (позволяют проектировать различные наноструктуры, используя методы математического моделиро вания и законы квантовой физики) 3) нженерные (позволяют разрабатывать наносистемы, описывать их на молекулярном уровне и определять основные электрические, оптические и физические свойства) Возможности компьютерного моделирования наност руктур напрямую зависят от мощности компьютеров и эффек тивности вычислительных алгоритмов.

Камень преткновения современной нанотехнологии невозможность массового производства высокотехнологичных продуктов. В связи с этим возник проект нанофабрики, созда ющей различные предметы: от одежды до оргтехники. Среди ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии вариантов нанофабрики наиболее популярны проекты конвер гентной и параллельной наносборки.

Основой работы нанофабрики является множество фабрикаторов – управляемых устройств, способных комбини ровать атомы, создавая между ними химические связи. По су ти, фабрикатор – это наноманипулятор, связанный с компью тером и линией доставки сырья. В отличие от мобильного на норобота ассемблера, он неподвижен и привязан к подложке.

Помимо нанофабрики, сегодня разработано большое множество альтернативных способов массового производства наноструктур. К ним относятся, например, электроосаждение, мягкая и перьевая нанолитография, биоисинтез и пр.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Глава 6. Биотехнологии и наномедицина “В самом общем смысле, разница между поня тиями «машина» и “живой организм” заключа ется в «искусственном» и «естественном», соот ветственно, их происхождении. Нанотехноло гии показали возможность создания искус ственных аналогов живых систем, управления естественными процессами и создания на осно ве живых объектов искусственных устройств.

Поэтому разница между этими двумя понятия ми уже не так очевидна”.

Лидия Соколовская В вагонах метро можно увидеть зловещую рекламу Остан кинского мясокомбината, которая гласит, что сей комбинат от казался от применения генетически модифицированного сырья. На плакате почему то изображен спелый помидор, сквозь шкурку которого просвечивает… зародыш рыбы. Под этой жуткой картинкой огромными буквами кровавого цвета Р Ы Б А ?

!

написано: «РЫБА?!» И ниже: «Возможная опасность: для по вышения морозоустойчивости некоторых сортов томатов уче р ы б и й г е н ные добавили в них рыбий ген!». Видимо, реклама предлагает потребителю пораскинуть мозгами – мол, подумай, что тебе до р ы б и й роже: переплатить за килограмм колбасы или же съесть рыбий ген? Надо признать, художник постарался на славу – вся кар г е н тинка выглядит в высшей степени ужасающе. Кстати, тут же рядом с помидором висит фотография очаровательной де вушки, рекламирующей сигареты. Стоит ли говорить, что у за ядлой курильщицы в принципе не может быть столь белозубой улыбки и безупречного цвета лица, как у этой фотомодели?

У любого мало мальски образованного человека подобные «помидорные страсти» вызовут усмешку. Ведь даже из школь ного курса биологии известно, что ДНК любого организма, будь то рыба, человек или помидор, состоит из одних и тех же нуклеотидов, кодирующих одни и те же аминокислоты, из ко торых образуются одни и те же белки. В процессе пищеварения и белки, и ДНК одинаково перевариваются, независимо от то го, произведены ли растения традиционными методами, мето дами селекции или с помощью генетически модифицирован ной ДНК. А уж чтобы из единственного рыбьего гена внутри ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина помидора образовался целый зародыш (для развития которого из икринки потребовалась бы 30 000 генов) – это уж и вовсе что то из раздела фантастики, причем далеко не научной… Тем не менее, на большинство наших сограждан подобный бред действует как красная тряпка на быка. Зная о генной ин женерии в лучшем случае из желтой прессы, переполненной страшилками про мутантов, они, увидев такую рекламу, не ску пятся на «лестные» эпитеты в адрес генных инженеров и всей современной науки. Бьюсь об заклад, что те, кто поддается по добным рекламным трюкам, и понятия не имеют, сколько мил р ы б ь и х г е н о в лионов страшных рыбьих генов содержит в себе безобидный бутерброд с икрой.

Шутки шутками, но об уровне информированности обще ства о достижениях генетики убедительно говорят результаты общественного опроса: по различным данным, от трети до двух третей опрошенных считают, что генетически модифицирован ные помидоры вредны, потому что содержат гены, а обычные хо роши тем, что в них генов нет! Это позволяет шарлатанам мани пулировать чувствами и страхами людей с целью наживы. Ведь как ни крути, а определить точное содержание ГМО (генети чески модифицированных организмов) в тех же мясопродуктах невозможно: почти все комбикорма российские фермеры заку пают на Западе, а это, как правило, ГМ корма. А там они не подлежат маркировке, и достоверно определить, что ела на завтрак американская или российская корова, не cможет ника кая экспертная комиссия.

Казалось бы – какое нам дело до мясокомбината, отвоевав шего дополнительный процент перепуганных обывателей? Но ведь потом те же обманутые (и, вероятно, подстрекаемые про изводителями химических удобрений) граждане начинают про тестовать против внедрения ГМО, что не может не тормозить научный прогресс, тем более в нашей многострадальной стра не. Этот «праведный гнев» порой доходит до настоящего варва рства: летом 2000 года в Калифорнии студенты «зеленые» заб рались на опытное поле и сожгли новые сорта кукурузы, выве денные в результате долгих лет селекции (не имеющей никако го отношения к генной инженерии!), помножив на ноль много летний кропотливый труд ученых.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Все это напоминает невежественные выходки вроде унич тожения ткацких станков луддитами или протесты против пер вой сельхозтехники, когда крестьяне шли с вилами на “желез ного дьявола” – трактора. Многие возразят, что сегодня речь идет о “святая святых” – молекуле ДНК, и что такие экспери менты – первейший грех против природы и самого Бога. Но помилуйте, не то же ли самое утверждали в Средние века прес ледователи первых ученых, пытавшихся проникнуть в тайны строения человеческого тела путем анатомирования трупов? На каком уровне находились бы современная медицина и биоло гия, если б не те первые «святотатцы» (во многих случаях, кста ти, люди глубоко верующие)?

Я отнюдь не являюсь адептом трансгенных продуктов и не собираюсь агитировать читателей в их пользу. Нельзя не приз нать, что компании, производящие ГМ продукцию, часто гото вы ради коммерческой выгоды выбросить на рынок недоста точно проверенный сорт – уж в таком обществе мы живем. Но все же мне очень претит необоснованное паникерство и насаж дение невежества, препятствующее развитию высоких техноло гий, особенно в России. Тем не менее, дыма без огня не бывает, и в этой главе я постараюсь изложить основы биотехнологий и попутно рассказать о достигнутых результатах, отразив их воз можные плюсы и минусы.

Основные понятия биотехнологии Биотехнология – это совокупность методов для придания Б и о т е х н о л о г и я биологическим объектам заданных свойств с целью их использования в разных отраслях производства.

Развитие и становление современной, основанной на зна ниях о строении и функциях ДНК, биотехнологии приходится на вторую половину ХХ века. Биотехнология работает с биомо лекулами (ДНК, белки и т. д.), микроорганизмами (бактерия ми, микроскопическими грибами, дрожжами, спорами, виру сами и т. д.), клетками и тканями растений и животных. Все это можно рассматривать как наноструктуры, поэтому часто био технологию считают одним из разделов нанотехнологии.

Многие биотехнологические производства человечество освоило задолго до того, как были открыты не только основные ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина законы биологии, но и существование самих микроорганизмов.

К ним относятся, например, производства хлеба, вина, пива, уксуса, кефира, сыра и т. п.

Где только ни применяются достижения современной на нобиотехнологии:

В пищевой, фармацевтической, химической, нефтяной про В п и щ е в о й, ф а р м а ц е в т и ч е с к о й, х и м и ч е с к о й, н е ф т я н о й п р о мышленности микробы производят многие продукты, пищевые м ы ш л е н н о с т и добавки и комбикорма, синтезируют и очищают сложные хи мические вещества, контролируют состав растворов.

В экологии микроскопические работники очищают сточные В э к о л о г и и воды, разлагают отходы и мусор, поглощают вредные вещества.

В энергетике бактерии вырабатывают горючие газы и лик В э н е р г е т и к е видируют последствия нефтяных загрязнений, а полученный с помощью дрожжей или микробных ферментов спирт добавля ют в бензин. Микробы занимаются фотосинтезом, восстанав ливают топливные ячейки, а недавно ученые сделали из бакте рии “живую” нанобатарейку.

В сельском хозяйстве используются трансгенные (генети В с е л ь с к о м х о з я й с т в е чески измененные) растения и животные, биологические сред ства защиты растений, бактериальные удобрения, фитогормо ны, стимулирующие рост растений. Не за горами использова ние в животноводстве клонированных и даже генетически мо дифицированных животных.

В электронике биологические объекты уже служат деталями В э л е к т р о н и к е микросхем и датчиков, а в будущем возможно создание пол ностью живых компьютеров. Изучение молекулярной природы нейронов сделало возможным соединение живых нервов с мик рочипами, а удивительное вещество бактериородопсин управ ляет лучами света.

В машиностроении биомолекулы и микроорганизмы уже се В м а ш и н о с т р о е н и и годня составляют основу примитивных наномашин, синтези рующих по заданной программе сложные полимеры и свои ко пии. Живые мышцы приводят в движение микророботов, а мо лекулы ДНК собирают наночастицы в трехмерные структуры.

В основе биотехнологии лежат процессы, протекающие в клетке. Известно, что первыми живыми обитателями Земли были так называемые прокариотные клетки, которые и сфор мировали ту среду, в которой появились все другие организмы.

Около двух с половиной миллиардов лет они были единствен www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ ными живыми существами на планете, и только 1 млрд. лет на зад, когда произошла «неопротерозойская революция», на Зем ле появились и стали распространяться эукариоты.

Наследственная информация всех известных науке существ записана в молекулах ДНК, входящих в состав хромосом. При нято делить организмы на две группы по наличию у них ядра, отделяющего хромосомы от цитоплазмы клетки.

Прокариоты (от лат. «pro» – до + греч. «karyon» – ядро) – П р о к а р и о т ы это безъядерные организмы, к которым относятся бактерии и цианобактерии (сине зеленые водоросли). В отличие от них, эукариоты (от греч. «eu» – полностью + «karyon» – ядро) имеют э у к а р и о т ы четко оформленное ядро с оболочкой, отделяющей его от ци топлазмы. К ним относятся грибы, растения и животные.

Типичный прокариот включает следующие основные под системы:

геном (инструкция по сборке РНК и белков);

механизм репликации ДНК (производство ее новых копий);

рибосомы (синтез белка);

цитозоль (управление обменом веществ);

мембрана (взаимодействие с внешней средой и синтез АТФ ).

Рис 183. Основные подсистемы прокариотной клетки 16.

.

Аденозинфосфорные кислоты – нуклеотиды, содержащие аденозин (аденин + углевод рибоза) и А д е н о з и н ф о с ф о р н ы е к и с л о т ы один, два или три остатка фосфорной кислоты (соответственно, аденозинмонофосфат – АМФ, аденозиндифосфат – АДФ и аденозинтрифосфат – АТФ). Они есть во всех организмах (от микроба и растения до человека) и играют важнейшую роль в обмене веществ и энергий, т. к. присоединение к ним фосфатных групп сопровождается аккумуляцией энергии, а отщепление – выделением энергии, используемой для различных процессов жизнедеятельности. АТФ – универсальный аккумулятор и переносчик энергии во всех живых организмах.

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Мембрана содержит механизмы переноса веществ: субстра М е м б р а н а тов – внутрь клетки, а продуктов ее жизнедеятельности – нару жу. Поступающие из внешней среды субстраты (химические со единения органического и неорганического происхождения) в результате электрохимических преобразований расходуются на синтез необходимых клетке соединений, в т. ч. АТФ – универ сального переносчика энергии. У фотосинтезирующих орга низмов мембраны обеспечивают накопление разницы электри ческих потенциалов, возникающих под действием света при участии молекул хлорофилла.

ц и т о з о л ь Одна из главных подсистем клетки – цитозоль – представ ляет собой внутреннюю полужидкую среду клетки. Это своеоб разный «котел» всех метаболических превращений. Механиз мы обмена веществ в клетке направлены на ее рост и развитие.

Для этого необходимы энергия и строительные блоки (амино кислоты) для производства белков. И то, и другое получается в результате переработки поступающих извне веществ. Энергия образуется в результате расщепления сложных веществ – ката болизма, а строительные блоки – в результате синтеза, анаболиз ма. Катаболизм и анаболизм представляют собой две основные части метаболизма – обмена веществ.

Наследственная информация закодирована в парах нуклео Г е н тидов на двойной спирали ДНК. Ген – это участок ДНК, коди рующий свойства определенного белка или молекулы РНК и соответствующий какому либо признаку организма. А полный г е н о м о м набор генов называется геномом.

Геном бактерий включает несколько тысяч генов, располо х р о м о с о женных линейно на макромолекуле ДНК, называемой хромосо мой. В отличие от эукариотных клеток, имеющих большое чис м о й ло незамкнутых хромосом, клетки прокариот содержат всего одну кольцевую хромосому.

Прокариоты размножаются бесполым путем, посредством деления клеток после репликации ДНК. Репликация представ ляет собой процесс, когда ДНК дочерних клеток получаются из одной нити материнской и одной нити вновь синтезированной ДНК. Как это происходит?

Джеймс Уотсон и Френсис Крик, открывшие в 1953 году структуру ДНК, доказали, что ее молекула состоит из тысяч со единенных между собой маленьких молекул четырех видов – www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ нуклеотидов, или оснований: гуанина (G), цитозина (С), тимина (T) и аденина (A). Па ры нуклеотидов связаны между собой водо родными связями, причем таким образом, что аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином.

Именно таким, комплементарным, обра зом соединяются между собой две нити спи рали ДНК: напротив тимина из одной нити Рис 184. Схема всегда будет находиться аденин из другой и соединений нуклеотидов в молекуле ДНК ничто иное.

Такое расположение позволило объяснить механизмы реп ликации ДНК: двойная спираль расплетается c образованием двух репликативных вилок, на каждой из которых начинается встречный синтез второй нити. В этом процессе принимает участие специальный белок – ДНК полимераза, который, про ходя вдоль нити материнской ДНК, последовательно считыва ет нуклеотиды и строит на их основе вторую нить (по принци пу комплементарности).

Рис 185. Репликация ДНК Таким образом, каждая из исходных нитей материнской ДНК получает по точной копии ее бывшей «партнерши». Нук леотидные нити достраиваются из так называемых предшест венников, поступающих из цитозоля и образуемых из пентоз, оснований, АТФ, ферментов и др. молекулярных соединений.

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Превращение информации в активный белок происходит на рибосоме. Мы уже встречались с этим механизмом в первой главе.

р и б о с о м е Для нормального развития и функционирования клетки ей необходимо поддерживать постоянный обмен веществ с внеш ней средой, получая из среды различные субстраты и выводя в нее некоторые продукты жизнедеятельности.

В качестве субстратов используются, в основном, различ ные углеродсодержащие соединения – глюкоза, крахмал, спир ты и органические кислоты, углекислота, метан, парафины и т.

д., широко распространенные в природе.

А вот в качестве продуктов, как оказалось, микроорганиз мы способны синтезировать многие чрезвычайно полезные ве щества – различные белки, ферменты, аминокислоты, витами ны, гормоны, антибиотики и прочие биологически активные соединения. Другими словами, бактерии являются настоящи ми молекулярными фабриками по производству необходимых человеку веществ.

Эти свойства микробов легли в основу множества биотех нологических производств, начало которым положило широ комасштабное производство антибиотика пенициллина в 40 х годах ХХ столетия.

Общая схема биотехнологического производства Центральное звено любого биотехнологического процесса ш т а м м – штамм, то есть совокупность микроорганизмов одного вида, обладающих специфическими физиолого биохимическими признаками.

Биотехнологическое производство может быть направлено либо на получение максимально возможного количества био массы (например, производство хлебопекарных дрожжей), ли бо на достижение максимума выхода продуктов жизнедеятель ности клеток. В естественных условиях обмен веществ в клет ках осуществляется по принципам строжайшей экономии, что У г л е в о д ы 17. Углеводы – обширная группа органических соединений, входящих в состав всех живых организмов. Представители этого класса веществ по составу отвечают общей формуле CmH2nOn, то есть углерод + вода (отсюда название). Примерами углеводов являются глюкоза: C6H12O6, сахароза C12H22O11, крахмал C6H10O5 и др.

Углеводороды – органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и У г л е в о д о р о д ы водорода. Углеводороды являются основным компонентом большинства нефтей и природных газов. Общая формула для предельных углеводородов: CnH2n+2 Например, метан СH4, этан С2H6, пропан С3H8, бутан С4H10 и т. п.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ обеспечивается сложной системой его регуляции. Поэтому за дача промышленных микробиологов состоит в создании мута нтных форм микроорганизмов – сверхпродуцентов соответ ствующих веществ.

Биотехнологи добиваются сверхсинтеза необходимого продукта метаболизма, что достигается как путем изменения генетической программы организма, так и посредством нарушения его регуляторных систем.

Для выделения из природных популяций сверхпродуктив ных штаммов используются разнообразные методы.

Селекция – это искусственный отбор организмов с лучши ми в своем поколении показателями. Главный недостаток этого метода – его чрезвычайная длительность.

Более эффективен индуцированный мутагенез, основанный на мутагенном воздействии рентгеновского и УФ излучения или некоторых химических соединений. Мутагены вызывают изменения ДНК, приводящие к сдвигу метаболических реак ций, в результате чего часть обычных клеток превращаются в сверхпродуцентов.

Как правило, методы мутагенеза и селекции используются в совокупности. Например, так были получены высокопродук тивные штаммы бактерий Bacillus subtilis, способные выделять до 75 кг витамина В2 из тонны питательной смеси.

Достижения в области генетики и молекулярной биологии позволили биотехнологам начиная с 70 х гг. прошлого века, пе рейти от слепого отбора штаммов мутантов к сознательному конструированию геномов, используя для этой цели технологию рекомбинантной ДНК – основу современной генной инженерии.

Подробнее об этих механизмах будет рассказано чуть позже, а пока ознакомимся с общей схемой микробиологического про изводства и вкратце «пройдемся» по достигнутым результатам.

Общая схема микробиологического производства состоит из следующих основных этапов:

1. Подготовка питательной среды.

П о д г о т о в к а п и т а т е л ь н о й с р е д ы Питательная среда служит источником органического угле рода – основного строительного элемента жизни. Микроорга низмы поглощают широкий спектр органических соединений – от метана (СH4), метанола (СH3OH) и углекислоты (СO2) до ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина природных биополимеров. Кроме углерода клетки нуждаются в азоте, фосфоре и других элементах (K, Mg, Zn, Fe, Cu, Mo, Mn и др.) Важный элемент подготовки питательных сред – стери лизация с целью уничтожения всех посторонних микроорганиз мов. Ее проводят термическим, радиационным, фильтрацион ным или химическим методами.

2. Получение чистых штаммов для внесения в ферментер.

П о л у ч е н и е ч и с т ы х ш т а м м о в д л я в н е с е н и я в ф е р м е н т е р Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо по лучить чистую высокопродуктивную культуру. Чистую культуру микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в усло виях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность (обычно это достигается хранением при низкой температуре).

Необходимо все время поддерживать чистоту культуры, не допуская ее заражения посторонними микроорганизмами.

3. Ферментация – основной этап биотехнологического.

Ф е р м е н т а ц и я – о с н о в н о й э т а п б и о т е х н о л о г и ч е с к о г о процесса п р о ц е с с а Ферментация – это вся совокупность операций от внесе ния микробов в подготовленную и нагретую до необходимой температуры среду до завершения биосинтеза целевого продук та или роста клеток. Весь процесс протекает в специальной ус тановке – ферментере.

Рис 186. Схема ферментера www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Обычный ферментер представляет собой закрытый ци линдр, в котором механически перемешиваются среда вместе с микроорганизмами.

Через него прокачивают воздух, иногда насыщенный кис лородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Конструкция фер ментера должна позволять регулировать условия роста: посто янную температуру, pH (кислотность или щелочность) и конце нтрацию растворенного в среде кислорода.

По окончании ферментации образуется смесь рабочих мик роорганизмов, раствора непотребленных питательных компо нентов и продуктов биосинтеза. Ее называют культуральной жидкостью или бульоном.

4. Выделение и очистка конечного продукта.

В ы д е л е н и е и о ч и с т к а к о н е ч н о г о п р о д у к т а По завершении ферментации продукт, который желали по лучить, очищают от других составляющих бульона. Для этого используют различные технологические приемы: фильтрацию, сепарирование (осаждение частиц взвеси под действием цент робежной силы), химическое осаждение и др.

5. Получение товарных форм продукта.

П о л у ч е н и е т о в а р н ы х ф о р м п р о д у к т а Последней стадией биотехнологического цикла является получение товарных форм продукта. Они представляют собой либо смесь, либо очищенный продукт (особенно если он пред назначен для использования в медицинских целях).

Примеры биотехнологических производств Получение аминокислот Среди веществ, получаемых методами биотехнологии, ами нокислоты занимают первое место по объему производства – более полумиллиона тонн в год, однако и это – лишь неболь шая доля от потребности в них.

Аминокислоты – это структурные единицы, из которых ри А м и н о к и с л о т ы босомы строят все необходимые белки организма. Природные аминокислоты вовлечены в биосинтез ферментов, гормонов, ви таминов, антибиотиков, токсинов и других азотсодержащих сое динений. Белки, в свою очередь, способны синтезировать раз личные аминокислоты из органического сырья. Но все же поло вина из необходимых аминокислот не синтезируются в организ ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина ме человека и животных. Они называются незаменимыми амино кислотами. Недостаток этих аминокислот в питании приводит к нарушению обмена веществ, замедлению роста и развития.

Аминокислота Потребность, мг/кг массы в сутки А м и н о к и с л о т а П о т р е б н о с т ь, м г / к г м а с с ы в с у т к и младенцы взрослые м л а д е н ц ы в з р о с л ы е Валин 92 Гистидин 33 Изолейцин 83 Лейцин 135 Лизин 99 Метионин и цистеин 49 Фениланин и тирозин 141 Треонин 68 Трептофан 21 Табл 10. Потребность человека в незаменимых аминокислотах Белки яиц и молока обладают высокой пищевой ценностью – это и неудивительно, ведь растущим детенышам необходим весь спектр аминокислот. Многие белки растительного проис хождения имеют дефицит некоторых незаменимых аминокис лот. Так, белки пшеницы и риса обеднены лизином и треони ном, а белки кукурузы – лизином и триптофаном.

Внесение промышленных аминокислот в кормовые конце нтраты позволяет балансировать корма сельскохозяйственных животных по уровню белка. При добавлении 2 4 кг дефицит ных аминокислот к 1 т. комбикорма общий расход кормов уменьшается на 15 20%, а выход мяса и молока увеличивается на 20%. Это позволило перевести животноводство на промыш ленную основу.

Помимо применения в качестве пищевых добавок, приправ и усилителей вкуса аминокислоты используют как сырье в хи мической, парфюмерной, фармацевтической промышленнос ти и т. п. Промышленное производство аминокислот стало возможным после открытия у некоторых микроорганизмов способности вырабатывать их во внешнюю среду.

Так, штамм Corynebacterium glutamicum является продуцен том глутамата. Его использовали при организации первого в мире крупномасштабного биотехнологического производства самой популярной пищевой добавки, глутаминовой кислоты, в Японии в 1956 году.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Промышленными продуцентами лизина являются штаммы бактерий вида Corinebacterium glutamicum. Лизин относится к числу незаменимых аминокислот. В России недостаток этой аминокислоты не может быть восполнен за счет богатой ею сои, поэтому в нашей стране производство лизина было орга низовано первым, в первую очередь – для удовлетворения пот ребностей животноводства.

Перспективные штаммы продуцентов постоянно улучшают селекцией мутантов с измененной генетической программой и регуляторными свойствами.

Получение витаминов Витамины – незаменимые соединения различной химичес В и т а м и н ы кой природы, выполняющие каталитические и регуляторные функции. Недостаток того или иного витамина нарушает обмен веществ и нормальные процессы жизнедеятельности организ ма, приводя к развитию патологических состояний. В организ ме человека и животных витамины не образуются. К их синте зу способны только растения и ряд микроорганизмов. Способ ность последних вырабатывать необходимые человеку витами ны легли в основу их промышленного производства.

Получение органических кислот Методы промышленной микробиологии широко применя ются для производства некоторых органических кислот, необ ходимых человеку. Вырабатываемая микробами уксусная кисло та используется в пищевой промышленности, производстве каучука, пластмассы, волокон, инсектицидов. Лимонную кисло ту широко используют в пищевой, фармацевтической и косме тической промышленности, а также для очистки металлов.

Производство лимонной кислоты принадлежит к числу старей ших микробиологических процессов, оно было организовано в 1893 году. С 20 х годов прошлого века налажено промышленное производство D глюконовой кислоты из глюкозы при участии Aspergillus niger. Ее используют для извлечения металлов, борь бы со ржавчиной, как моющее средство и в качестве медицинс кого препарата. Также из глюкозы получают итаконовую кисло ту, использующуюся для производства пластмасс и красителей.

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Получение антибиотиков Антибиотики – это вещества биологического происхожде А н т и б и о т и к и ния, способные убивать микроорганизмы или угнетать их рост.

В природе при помощи антибиотиков микроорганизмы борют ся друг с другом.

Антибиотики делят на бактерицидные, вызывающие гибель микроорганизмов, и бактериостатические, нарушающие спо собность микроорганизмов делиться.

Первый антибиотик – пенициллин, образуемый плесневым грибом Penicillium notatum, открыл английский бактериолог А.

Флеминг (1928). «Оружие микробов» развеяло представления о неизлечимости многих бактериальных заболеваний (туберкулез, сепсис, сифилис и др.) Организация крупномасштабного про изводства антибиотиков в 40 х годах ХХ века сыграло решаю щую роль в становлении промышленной биотехнологии.

Количество открываемых антибиотиков постоянно растет.

В 1940 году было известно всего 6 антибиотиков, а в настоящее время описано более 12 000 аналогичных соединений, из кото рых в медицине применяют около 200 препаратов. 97% антиби отиков токсичны и для человека, поэтому на практике не ис пользуются.

Ежегодно в мире производится антибиотиков почти на млрд. долларов. Антибиотики продуцируются плесневыми гри бами, актиномицетами, эубактериями и другими микроорга низмами. Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род Streptomyces, один из видов которого, Streptomyces griseus, синте зирует более 50 различных антибиотиков.

Получение ферментов Ферменты (от лат. fermentum – закваска), или энзимы (от Ф е р м е н т ы э н з и м ы греч. еn – внутри + zyme – закваска) – белки катализаторы, присутствующие в каждой клетке. Ускоряя биохимические ре акции, ферменты направляют и регулируют все процессы обме на веществ. Ничтожное количество ферментов способно вызы вать разложение больших масс других органических веществ, не расходуясь при этом. Будучи самостоятельными химическими веществами, ферменты сохраняют каталитическую активность и вне клеток. В отличие от химических катализаторов, фермен www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ ты нетоксичны, используют доступное сырье (в т. ч. отходы), в связи с чем их применение в промышленности выгодно и с эко логической, и с экономической точек зрения. Ферменты нахо дят широкое применение в текстильной, кожевенной, целлю лозно бумажной, медицинской, химической и пищевой про мышленности. В медицине распространена практика использо вания ферментов в диагностических целях, например, для выяв ления инфаркта миокарда или заболеваний печени.

Источником ферментов могут выступать все живые суще ства. Для их получения пригодны некоторые растительные ор ганизмы на определенной фазе их развития (проросшие зерна злаков и бобовых), а также отдельные ткани и органы живот ных (поджелудочная железа, слизистая оболочка желудочно кишечного тракта, сычуг рогатого скота, семенники половозре лых животных). Однако для массового производства ферментов используют микроорганизмы.

Получение микробных иммуннобиологических препа ратов – вакцин, иммунных сывороток и диагностикумов Вакцины – основной способ профилактики инфекционных В а к ц и н ы заболеваний. Это препараты, изготовленные из ослабленного или убитого инфекционного агента (бактерии, вируса и др.) или его отдельных компонентов, несущих антигенные свойства и способных вызывать иммунитет к данной инфекции.

Термин «вакцина» происходит от латинского слова vacca – корова, поскольку вначале для предохранения человека от за болевания оспой ему прививалось содержимое оспенных пу зырьков больной коровы. Сегодня вакциной называют все, что получают из патогенных микробов и что вызывает образование специфических антител при попадании в организм. Вакцины получают как из самих микроорганизмов, так и из продуктов их жизнедеятельности. Применение вакцин обеспечивает невосп риимчивость организма к заражению реальными возбудителя ми болезни и стимулирует его защитные силы.

Антитела – белки, образующиеся в ответ на введение в организм бактерий, вирусов, белковых А н т и т е л а токсинов и других инфекционных агентов. Связываясь активными участками с микробами, антитела препятствуют их размножению или нейтрализуют выделяемые ими яды.

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Иммунные сыворотки содержат готовые антитела к опреде И м м у н н ы е с ы в о р о т к и ленным видам микробов. В отличие от вакцин, их используют не только для профилактики, но и для лечения, поскольку вве дение антител в зараженный организм способствует быстрому обезвреживанию микробов и их токсинов.

Для получения необходимых для сыворотки антител нароч но инфицируют лошадь. Когда через 10 12 дней ее организм вырабатывает достаточное количество антител, из крови жи вотного получают сыворотку.

Сывороточные препараты, полученные из крови лошади, содержат, помимо необходимых антител, чужеродные для чело века белки. Поэтому при их введении у пациента могут возни кать аллергические реакции. Чтобы снизить процент осложне ний, сыворотку подвергают дополнительной обработке.

В настоящее время широкое применение получили гамма глобулины, извлекаемые из иммунных сывороток, которые со держат антитела в наибольшей концентрации.

Диагностические сыворотки (диагностикумы) представляют Д и а г н о с т и ч е с к и е с ы в о р о т к и собой взвесь убитых бактерий определенного вида. Например, брюшнотифозный диагностикум – это взвесь убитых бактерий брюшного тифа. Диагностикумы предназначены для качествен ного и количественного определения соответствующих имму ноглобулинов в сыворотке крови с диагностической целью.

В настоящее время расширяются возможности получения эффективных и безопасных иммунобиологических препаратов с помощью генной инженерии. Она позволяет использовать в ка честве источников необходимых веществ не организмы людей и животных, а новые искусственно созданные системы – специ ально культивированные клетки многоклеточных организмов.

Антитела синтезируются в лимфоцитах. Если «скрестить» лимфоциты с быстро делящейся раковой клеткой, то образуются клетки гибридомы, имеющие свойства обоих «родителей». Из них можно получать целые популяции генетически одинаковых клеток, которые быстро делятся (как раковые) и вырабатывают определенный вид антител (как лимфоцит). Такой клон позволя ет получать любые количества антител определенного вида.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Основные механизмы генной инженерии Технология рекомбинантной ДНК Вот мы и добрались до генной инженерии, вызывающей у непосвященных бурю всевозможных эмоций. Если кратко, то суть генной инженерии сводится к следующему: биологи, зная, какой ген за что отвечает, выделяют его из ДНК одного орга низма и встраивают в ДНК другого. В результате можно заста вить клетку синтезировать новые белки, что придает организму новые свойства.

Мы знаем, что обмен генетической информацией происхо дит и в природе, но только между особями одного вида. Коты «ухаживают» за кошками, лисы за лисицами, кролики за кроль чихами... Случаи же скрещивания особей разных видов (напри мер, собаки и волка) хоть и случаются, но являются скорее иск лючениями и возможны лишь для близкородственных животных.

Перенос генов от родителей к потомкам внутри одного ви да называется вертикальным. Так как возникающие при этом особи, как правило, очень похожи на родителей, в природе ге нетический аппарат обладает высокой точностью и обеспечи вает постоянство каждого вида.

Генная инженерия дает возможность преодолевать межви довые барьеры и передавать признаки одних организмов дру гим, осуществляя такие изменения генома, которые вряд ли могли бы возникнуть естественным путем. Грубо говоря, ген ные инженеры делают то, что всегда запрещала природа. Берут, например, ген из рыбы и вставляют его в помидор. Но не для того, чтобы помидор плавал, а чтобы его можно было хранить при низкой температуре. Перенос генов между особями разных видов называется горизонтальным (латеральным).

Молекула ДНК, собранная из кусочков ДНК различных р е к о м б и н а н т н о й организмов, называется рекомбинантной. Первая рекомбина нтная ДНК, объединившая гены обезьяньего вируса SV40, бактериофага лямбда и галактозного оперона E.coli, была соз дана в 1972 году группой американских ученых под руковод ством П. Берга.

Однако первые “генные операции” такого рода эффектив но проводились уже более 4,5 миллиардов лет назад главным “генным инженером” – Природой. Речь идет об уже знакомых ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина нам прокариотах – первых живых существах, населявших нашу планету еще со времен Архейской эры. Как уже говорилось, ме ханизмы передачи генетической информации в природе обла дают высокой стабильностью, призванной служить сохране нию и выживанию вида. Стабильность эта, однако, не абсолют на, ведь иначе в ходе эволюции не смогло бы возникнуть тако го многообразия форм жизни, свидетелями (и представителя ми) которых мы являемся.

Но прокариоты, как известно, размножаются простым де лением, при котором каждая дочерняя клетка получает «в нас ледство» точную копию родительской ДНК. Откуда же возник ло такое разнообразие в среде самих простейших и как могли появиться другие организмы? Одна из наиболее очевидных причин генетической изменчивости – это мутации, являющие ся, по меткому выражению Дарвина, двигателем эволюции.

Мутации – cкачкообразные изменения генетического кода М у т а ц и и клетки, приводящие к появлению новых признаков. Если по томки измененной особи имеют некоторое преимущество пе ред обычными, например, большую жизнеспособность или по вышенную скорость роста, они постепенно накапливаются и вытесняют исходных особей.

Различают мутации спонтанные (причины их возникнове ния неизвестны) и индуцированные. Индуцировать мутации мо гут различные факторы, действующие на генетический матери ал клетки: физические, химические или биологические.

В ходе эволюции прокариоты выработали способы защиты своего генетического материала от повреждающего действия облучения, химических веществ и других мутагенов. В их клет ках обнаружены эффективные системы ремонта поврежденных участков ДНК. Если бы таких механизмов не было, то организм бы переродился и вымер как вид.

Основной механизм восстановления ДНК – это “выреза р е с т р и к ц и я ние” повреждений, так называемая рестрикция. Ее осуществля ют ферменты эндонуклеазы, расщепляющие нить ДНК. Такой способ помогает, только если повреждена только одна цепочка молекулы. Тогда поврежденный участок вырезается, а образо вавшаяся брешь заполняется комплементарными нуклеотида ми с использованием в качестве матрицы шаблона неповреж денной нити ДНК. Таким образом, многие случайные мутации попросту вырезаются.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Однако когда повреждение касается обеих нитей, тот же са мый механизм восстановления превращается в орудие самоубий ства: эндонуклеазы распознают поврежденный участок и разры вают в его месте обе нити ДНК. Кстати говоря, то же самое про исходит и в клетках многоклеточных организмов в случае фаталь ного повреждения хромосом. Такое генетически запрограммиро а п о п т о з о м ванное самоубийство биологи называют апоптозом. Оно сохра няет «чистоту генов» и предохраняет вид от деградации. Можно сказать, что клетка руководствуется своеобразным “клеточным самурайским законом” – “лучше умереть, чем ошибиться!” Однако присущий всем живых существам инстинкт самосох ранения порой все же берет верх, и клетке мутанту удается “об мануть” убийственную рестрикцию путем модификации ДНК – метилированием или введением дополнительных пар нуклеоти дов. Уцелевшая клетка приобретает новые свойства и, если они оказываются выгодными, дает начало новому виду существ.

Итак, огромное разнообразие организмов объясняется му тациями. Но, как оказалось, тому есть и другие причины. С раз витием генетики ученые обнаружили, что для прокариот харак терен путь горизонтального переноса генов между различными особями. Молекулярно генетический анализ показал, что ге номы прокариот представляют собой мозаику генов, приобре тенных у разных видов. Одинаковые генетические последова тельности можно увидеть у многих прокариот, вне зависимости от степени их родства. Объяснить возникновение такой мозаи ки может только горизонтальный перенос генов.

Горизонтальный перенос генов у прокариот – это не просто лабораторный артефакт или результат генной инженерии, а распространенное природное явление.

Установлены три основных механизма латерального пере носа: трансформация, коньюгация и трансдукция.

Трансформация – это нормальная физиологическая функ Т р а н с ф о р м а ц и я ция обмена генетическим материалом у некоторых бактерий.

Конъюгация имеет наименьшее число ограничений для К о н ъ ю г а ц и я межвидового обмена генетической информацией, но предпола гает тесный физический контакт между микроорганизмами, легче всего достижимый в биопленках.

Трансдукция (от лат. transductio – перемещение) – это пере Т р а н с д у к ц и я нос генетического материала из одной клетки в другую с по ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина мощью некоторых вирусов (бактериофагов), что приводит к из менению наследственных свойств клетки реципиента. Явление трансдукции было открыто американскими учеными Д. Ледер бергом и Н. Циндером в 1952.

Последний механизм следует рассмотреть более подробно, но прежде скажем несколько слов о вирусах.

Вирусы (от лат. virus – яд) были открыты в 1892 г. русским уче В и р у с ы ным ботаником Д. И. Ивановским при изучении мозаичной бо лезни (пятнистости листьев) табака. К наиболее опасным заболе ваниям, вызываемым вирусами у животных и человека, относят бешенство, оспу, грипп, полиомиелит, СПИД, гепатит и др.

Вирусы – существа совершенно удивительные. Они зани мают промежуточное положение между живой и неживой мате рией, представляя собой случай некого биологического дуализ ма. На вопрос “живые ли вирусы?” нельзя ответить однознач но, ведь если живой считать структуру, способную к размноже нию и обладающую наследственной информацией, то можно сказать, что вирусы живые (впрочем, по этому определению живыми можно признать и компьютерные вирусы). Но если считать живой структуру, обладающую клеточным строением (как, например, растения, грибы, животные), то ответ должен быть отрицательным. Следует также отметить, что вирусы не способны воспроизводить себя вне клетки хозяина.

Вирусы устроены очень просто. Они состоят из головки (серд цевины) округлой, гексагональной или палочковидной формы диаметром 45 140 нм и отростка толщиной 10 40 и длиной 100 нм. В 1 мм воды может уместиться около миллиарда фагов.

Рис 187. Электронно микроскопическая фотография и схема строения бактериофага T www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Сердцевина вируса содержит ДНК или РНК. Ее окружает защитная белковая оболочка (капсид). Отросток имеет вид по лой трубки, окруженной сократительными белками вроде мы шечных. На конце отростка у многих вирусов есть базальная пластинка, от которой отходят тонкие длинные отростки «но ги», служащие для прикрепления к клетке хозяину.

Вирус может воспроизводить себе подобных только внед ряясь в клетку хозяина. Для этого он прикрепляется к бактери альной клетке и растворяет клеточную стенку, выделяя особый фермент. Затем содержимое головки по канальцу отростка про никает в клетку. Попав внутрь клетки, вирус, подобно своему компьютерному собрату, перепрограммирует рибосомы на про изводство своих копий. Он «выключает» хозяйскую ДНК и, ис пользуя свою собственную ДНК или РНК, «заставляет» клетку синтезировать новые копии вируса. После сборки большого числа вирусных частиц клетка, как правило, погибает, а множе ство новых вирусов, произведенных с ее помощью, выходит на свободу, поражая другие клетки. Вирусы, вызывающие гибель клетки, называют вирулентными.

Рис 188. Жизненный цикл вирулентного фага, например Т2 или Т Вирулентность – это степень болезнетворного действия микроба. Ее можно рассматривать как способность адаптироваться к организму хозяина и преодолевать его защитные механизмы.

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Однако существует и другая категория вирусов, называе мых умеренными (симбиотическими). Проникая внутрь клетки, они могут либо повести себя как обычные фаги, вызывая ги бель клетки, либо могут встроиться в ДНК клетки хозяина и остаться в ней в скрытой неинфекционной форме.

Клетки, содержащие такой вирус, называются лизогенными, они могут содержать 2, 3 и более фагов. Лизогения может затем передаваться потомству бактерии. На рисунке показаны два возможных пути развития умеренного вируса.

Рис 189. Жизненный цикл умеренного фага. Когда он инфицирует клетку, развитие может пойти по литическому или лизогенному пути Так, а что же наш «горизонтальный перенос»?

Напоминаем, что трансдукция – это перенос вирусом бак териальных генов из одной клетки в другую, что приводит к из менению наследственных свойств клетки реципиента.

Трансдукция возможна, если в процессе размножения умеренного фага одна из частиц вирусной ДНК случайно захватит фрагмент бактериальной хромосомы www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Когда впоследствии такой вирус заражает другую бакте рию, участок бактериальной ДНК проникает в клетку таким же путем, как вирусный. Между трансдуцированной ДНК и участ ком хромосомы может произойти обмен, и как следствие его возникают рекомбинанты, несущие небольшую часть генети ческого материала клетки донора.

Рис 190. Схема общей трансдукции между линиями Е. coli:

а) Клетка дикого типа, инфицированная фагом P1;

б) ДНК клетки хозяина деградирует в ходе литического цикла;

в) в ходе сборки фаговых частиц некоторые фрагменты бактериальной хромосомы включаются в несколько фагов потомков, что потом приведет к трансдукции;

г) лизис;

д) трансдуцирующий фаг инфицирует бактерию реципиента;

е) происходит обмен донорного гена а+ и реципиентного гена а ;

ж) образование стабильного трансдуктанта а+.

Итак, мы рассмотрели процесс естественного “горизон тального” обмена генетической информацией между бактерия ми, то есть перемещения генов из одного организма в другой ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина посредством мобильных генетических посредников. Рассмот ренный механизм получил название трансдукции, а понимание его сути привело к рождению генной инженерии.

Как уже было сказано, суть генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются отдельные гены или их группы. Для этого используют метод по лучения рекомбинантных, т. е. содержащих чужеродный ген, ДНК, которые затем вводятся в организм реципиента и стано вятся составной частью его генетического аппарата.

Этот процесс состоит из нескольких этапов:

1. Чтобы выделить тот или иной ген из цепочки ДНК, ис р е с т р и к ц и я пользуется рестрикция – разрезание ДНК на фрагменты уже знакомыми нам ферментами рестриктазами. Они попросту «шинкуют» ДНК: режут на отрезки, но не как попало, а в опре деленных местах. Всякая рестриктаза может опознать лишь од ну стандартную последовательность из нескольких нуклеоти дов. Молекулы рестриктазы химически связываются с ними и в этих местах рвут цепь ДНК. На рисунке изображена схема рас щепления ДНК по остаткам А (аденин).

Рис 191. Схема получения фрагментов ДНК в результате расщепления по определенному нуклеотиду (А) В настоящее время известно более 400 рестриктаз, способ ных расщеплять ДНК по 120 различным последовательностям нуклеотидов.

Л и г и р о в а н и е 2. Лигирование – процесс «сшивания» генов с помощью особых ферментов, называемых лигазами. Лигазы сшивают участки ДНК, образовывая между их крайними нуклеотидами химическую связь.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ 3. После того как рекомбинантная ДНК сшита, ее вводят в т р а н с ф о р м а ц и е й живые клетки. Этот процесс называется трансформацией. Для того, чтобы рекомбинантная ДНК стала частью генетического аппарата клетки, она должна либо встроиться в ее геном и реп лицироваться за ее счет, либо быть способной к автономной в е к т о р ы репликации. Для этого используют векторы – мобильные гене тические элементы: вирусы, плазмиды и транспозоны. Эти эле менты могут присоединять те или иные гены к своей ДНК, а за тем, оказавшись в клетке хозяине, встраиваться вместе с «отор ванным» чужеродным геном в хромосому хозяина, которая по том реплицируется уже вместе со всей этой новой последова тельностью. В общих чертах это напоминает трансдукцию, имеющую, как мы убедились, место и в природе.

Итак, мы познакомились с общими принципами искусствен ного конструирования молекул ДНК. Рассмотрим теперь нес колько примеров практического применения генной инженерии.

Получение инсулина Инсулин – гормон поджелудочной железы, регулирующий И н с у л и н углеводный обмен и уровень сахара в крови. Его недостаток в организме приводит тяжелейшему заболеванию – сахарному диабету, самой распространенной форме заболеваний эндок ринной системы. Самая тяжелая форма диабета, для лечения которой больному необходим инсулин, вызвана гибелью кле ток, синтезирующих этот гормон.

Раньше инсулин могли выделять только из поджелудочной железы телят и свиней. Для получения 100 г кристаллического инсулина требовалось 800 1000 кг исходного сырья. Однако с развитием генно инженерных методов в 1978 г. был получен штамм бактерий Е. coli (кишечной палочки), способных про дуцировать инсулин. В ДНК бактерии был встроен человечес кий ген, отвечающий за его синтез. Теперь почти весь инсулин в мире производят трансгенные бактерии.

Получение соматотропина с о м а т о т р о п и н а За синтез соматотропина (гормона роста человека) отвечает передняя доля гипофиза. Его недостаток приводит к гипофизар ному нанизму – карликовости (в среднем 1 случай на 5000 чело век). Пригодный для лечения людей соматотропин можно выде лить лишь из гипофиза человека, поэтому раньше его получали ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина из трупов, но в ничтожных количествах: гормона хватало лишь для лечения 1/3 случаев карликовости, и то лишь в развитых странах. Препарат, выделяемый из трупов, имеет некоторые спе цифические особенности, приводящие к тому, что у 30% боль ных, получавших препарат, против гормона вырабатывались ан титела, что сводило на нет его биологическую активность.

Сейчас гормон роста синтезируют с помощью специально сконструированных бактерий Е. coli. Впервые такую бактерию удалось получить в 1979 году.

Получение интерферонов В 1957 году в Национальном институте медицинских иссле дований в Лондоне было установлено, что клетки человека и животных, подвергнутые воздействию вируса, выделяют веще ства, придающие непораженным клеткам устойчивость к ви русной инфекции. Они как бы препятствуют (интерферируют) и н т е р размножению вирусов в клетке и поэтому были названы интер феронами. Интерфероны помогают нашему организму бороться ф е р о н а м и со множеством вирусных заболеваний.

Препараты на основе различных видов интерферонов ис пользуются как иммуномодуляторы – для нормализации и уси ления иммунной системы, в т. ч. для лечения различных тяже лых заболеваний – острого вирусного гепатита, рассеянного склероза, остеосаркомы, миеломы и некоторых видов лимфом.

Их применяют и для лечения меланом, ряда опухолей гортани, легких и мозга.

Традиционно интерфероны извлекали из крови человека.

Из 1 л крови можно выделить всего 1 мкг интерферона, то есть примерно одну дозу для инъекции. На современном этапе ин терфероны получают с помощью генетически модифицирован ных микроорганизмов. Удалось получить штаммы бактерий, способные синтезировать до 5 мг интерферона на литр бакте риальной суспензии, содержащей примерно 10 бактерий, что заменяет кровь 25 000 доноров.

Трансгенные животные Применение методов генной инженерии в животноводстве позволяет повышать продуктивность животных (например, удои молока), сопротивляемость их организма к болезням и т. д. Жи вотных, имеющих в своем геноме чужой ген, принято называть www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ трансгенными. Благодаря переносу генов у трансгенных живот ных возникают новые качества, а дальнейшая селекция позволя ет закрепить их в потомстве и создавать трансгенные линии.

ж и в о т н ы е б и о р е а к т о р ы Так, были получены животные биореакторы, способные выделять ценные биологические вещества. Например, в России группой ученых под руководством Л. К. Эрнста была выведе на трансгенная овечка, которая с молоком выделяет химозин – фермент, используемый в производстве сыра. Не так давно для сыроваренной промышленности требовалось огромное коли чество желудков телят. В последние несколько десятков лет практически все сыроделы пользуются химозином, получен ным методом микробиологического синтеза из культур бакте рий и микроскопических грибков. Очевидно, что такое получе ние химозина не только гуманнее, но и выгоднее традицион ных способов, требующих убийства сотни телят. Всего из 3 л молока трансгенной овцы можно получить достаточно химози на для производства тонны сыра – и при этом не тратиться ни на работу ферментера, ни на выделение из культуральной жид кости нужного фермента и его очистку.

Другой пример – трансгенная корова, которая выделяет с молоком лекарственный препарат эритропоэтин, применяе мый в терапии лейкозов. Ведутся исследования по получению многих других лекарств из молока животных. Применяемые для этого биотехнологические методы с использованием бакте рий дороги и сложны. А трансгенные животные быстро размно жаются, и выход полезных веществ с их молоком превосходит таковой у бактерий.

Другая важная задача – выведение животных, устойчивых к заболеваниям. Потери в животноводстве, вызванные болезня ми, достаточно велики, но уже созданы популяции трансген ных коров и кур, устойчивых к некоторым паразитам.

Трансгенные растения Тысячи лет люди выводят новые сорта растений путем от бора экземпляров с новыми свойствами, полученными в ре зультате случайных мутаций. С начала ХХ века стали целенап равленно применять облучение и химические мутагены, слия ния соматических клеток и т. д., а скрещивание и отбор стали проводить с учетом законов Менделя. При этих традиционных ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина методах изменения непредсказуемы и обычно затрагивают многие гены.

Генноинженерные методы позволяют создавать новые генотипы и, следовательно, новые формы растений гораздо быстрее, чем классические методы селекции. Кроме того, появляется возможность целенаправленного изменения генотипа.

Генная инженерия позволяет вводить в растения гены ус тойчивости к различным стрессовым факторам, фитопатоге нам, гербицидам и пестицидам, гены скороспелости, фиксации азота и др. Возможно также и улучшение аминокислотного сос тава белков растений.

Наибольший урон растениям наносят грибные, бактериаль ные и вирусные инфекции. В природе растения обладают за щитными механизмами, которые начинают действовать в ответ на проникновение фитопатогенов в клетку. Во первых, начина ется синтез веществ, убивающих патогены. Во вторых, создают ся барьеры, препятствующие распространению инфекции.

Применение методов генной инженерии, использующих естественные защитные механизмы, позволяет получать транс генные растения, устойчивые к грибной, бактериальной и ви русной инфекции. В частности, были получены трансгенные культуры табака и турнепса, в состав генома которых ввели ген хитиназы, а также томаты с геном защитных пептидов редьки, отвечающих за устойчивость к фитопатогенным грибам.

Другой подход к получению растений, устойчивых к вирус ной инфекции, состоит во введении в геном исходных растений генов, кодирующих белок оболочки вируса. Это приводит к блокировке размножения вируса и снижению инфицирован ности. Благодаря такому подходу был получен стойкий антиви русный эффект у табака, модифицированного геном оболочки вируса табачной мозаики.

Интересный эффект дало введение в геном растений гена человеческого интерферона JFN – одного из ключевых белков нашего иммунитета. Ген этого интерферона был введен в расте ния турнепса, табака, картофеля, что повысило устойчивость этих растений к вирусным заболеваниям.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Создание трансгенных растений, устойчивых к насекомым, с помощью методов генной инженерии стало возможным пос ле того, как было обнаружено, что почвенные бактерии Bacillus thurengiensis синтезируют специфический белок, токсичный для насекомых. Ген, ответственный за его синтез, удалось выделить и ввести в геном многих видов сельскохозяйственных растений.

Для человека и животных этот белок безопасен, и даже на насе комых разные его варианты действуют по разному. Различные модификации Bt токсина могут быть ядовитыми только для жуков, или только для бабочек определенного отряда, и т. д.

В природе растения приспосабливаются к неблагоприят ным условиям среды различными способами. Во первых, это физиологические механизмы, позволяющие растениям избе жать неблагоприятных воздействий (например, опадание лист вы осенью при снижении температуры). Во вторых, адаптация с помощью морфологических приспособлений: толстый слой кутикулы на листьях, уменьшение листовой поверхности (про рези), ее опушение, которые предотвращают излишнюю поте рю влаги растениями. В третьих, негативное влияние внешней среды может быть преодолено с помощью изменений метабо лизма. Например, при засухе или чрезмерной концентрации солей в почве и воде у высших растений основным защитным механизмом, связанным с изменением метаболизма, является накопление в клетках осмопротекторов.

Именно этот адаптационный механизм наиболее доступен для генноинженерных исследований. Эксперимент показал, что стрессовый ответ на избыток солей или недостаток влаги у бак терий и высших растений выражается сходно: и те, и другие на чинают усиленно синтезировать белки осмопротекторы для вос становления осмотического баланса между цитоплазмой и окру жающей средой. Поэтому для создания устойчивых к засухе и за солению растений в их геном были введены соответствующие бактериальные гены. Полученные трансгенные растения могли расти в засушливой почве при концентрации соли в среде 20 г/л.

Адаптация к низким температурам сопряжена у бактерий и высших растений с накоплением веществ, понижающих осмо тический потенциал клеток и уменьшающих вероятность обра зования крупных кристаллов льда, способных вызвать их ги бель просто из за разрушения клеточной оболочки. Вот почему ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина случайные заморозки способны уничтожить большинство сельскохозяйственных культур.

Чтобы не допустить образования льда в клетках, уже давно применяется заражение растений мутантным штаммом бакте рии Pseudomonas syringae. Полученные таким образом растения ° легко переносят заморозки вплоть до –8 С.

Однако оказалось, что бактерии мутантного штамма более живучи и могут вытеснить природный штамм этих бактерий, который, попадая в верхние слои атмосферы, способствует кристаллизации атмосферной влаги. Вероятно, вытеснение природного штамма могло бы привести к изменению климата и экологической катастрофе.

ГМ–продукты: за и против Поскольку с открытием метода генной инженерии челове чество приблизилось к небывалой возможности создавать но вые виды растений и животных, то естественно, что у биотехно логий, как у любого развивающегося научного направления, появились не только свои защитники, но и враги, в т. ч. и в сре де ученых.

Первые убедительно доказывают, что ГМ растения не толь ко безвредны, но и полезны. Такие растения обладают повы шенным содержанием питательных веществ (в особенности белка), необычной стойкостью ко многим видам заболеваний и вредителей и губительным факторам окружающей среды. Все это позволяет, во первых, значительно повысить урожайность, не привлекая для этого дополнительные гектары земли. Проб лема перенаселения планеты – тема отдельного разговора. С годами численность людей на планете только увеличивается, а ведь кушать хочется каждому! Во вторых, использование ГМ растений позволяет резко снизить необходимость внесения токсичных химических инсектицидов и гербицидов, что в свою очередь значительно снизит уровень загрязнения сточных вод, отравляющих и живую природу, и людей.

В связи с этим существует мнение, что протесты против ГИ организуются и поддерживаются производителями удобрений и ядохимикатов, которым широкое использование ГМ расте ний грозит убытками. В пользу такого мнения выступили тысяч ученых (в т. ч. 20 нобелевских лауреатов), поставивших www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ свою подпись под утверждением, что ГМ растения безвредны для здоровья.

В частности, по словам Константина Скрябина – академи ка Российской академии сельскохозяйственных наук, «за всю 30 летнюю историю развития биотехнологии не зарегистриро вано ни одного случая, доказывающего, что ГМ продукты опасны для здоровья. Простой пример: США являются безус ловным лидером по производству и потреблению ГМ продук тов. При этом в стране, где любимым способом внезапного обогащения являются суды по любому поводу, не было подано ни одного иска к компаниям, производящим ГМО. Мы не раз объявляли премию в 10 000 долларов любому, кто приведет на учные доказательства вреда для здоровья ГМ продуктов, полу ченных из зарегистрированных ГМ культур. Однако до сих пор ни одного желающего не нашлось. Непоправимый ущерб окру жающей среде, о котором любят говорить «зеленые», также весьма неоднозначен. Достаточно сказать, что после внедрения ГМ растений США впервые вышли на уровень 1920 х годов по использованию токсичных пестицидов».

В 1990 году широкомасштабное применение химических ин сектицидов для борьбы с насекомыми вида Helicoverpa armigera, вредителями хлопчатника, привело к появлению мутантов этих вредителей, устойчивых к химическому инсектициду, и к их беспрецедентному размножению. Как утверждают сторонники ГМ продуктов, сравнительный анализ рисков, сопряженных с применением обычных растений, нуждающихся в химических инсектицидах, и трансгенных, самостоятельно поражающих вредителей, свидетельствует в пользу трансгенных.

Главное обвинение противников ГМ продукции заключа ется в том, что поскольку долгосрочные исследования безопас ности ГМ продуктов нигде и никем не проводились, нет уве ренности в том, что их вред для здоровья человека не проявит ся через много лет. По данным санитарных служб Голландии, Швейцарии, Дании и специалистов Медицинского Совета Ве ликобритании употребление нового вида кукурузы, в которой в 2 3 раза повышено содержание белка, может со временем необ ратимо изменить иммунную систему людей, спровоцировать онкологические и нервные заболевания.

Вот типичные примеры исследований противников ГМО:

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина “Данные правительственных исследований в Шотлан дском Институте Урожая показали опасность ГМ растений для насекомых. Божьих коровок кормили тлей, которую разводили на ГМ картофельных растениях. Жизнь божьих коровок сокра щалась до половины ожидаемой продолжительности жизни, а их плодовитость и кладка яиц значительно уменьшалась”.

“Неблагоприятное воздействие пыльцы трансгенной куку рузы на насекомых было показано в исследовании личинок ба бочки Монарх Danaus plexippus. У личинок, питавшихся расти тельным млечным соком с ГМ пыльцой, наблюдалось замед ленное развитие и низкий процент выживаемости”.

Но исследовать на насекомых опасность растений, специ ально сделанных ядовитыми для насекомых – такие опыты нельзя считать корректными. Объективные исследования по казали, что общее количество видов насекомых на полях, засе янных инсектицидными растениями, снижается ровно на один вид – основного вредителя данной культуры. А общее количе ство насекомых на поле, на котором растут устойчивые к вреди телям сорта, намного больше, чем на поле, на котором всех на секомых травят химическими инсектицидами. И насекомояд ных птиц на таких полях живет больше.

В статьях противников трансгенных растений постоянно цитируется единственное исследование Арпада Пуштая из Уни верситета Абердина (Великобритания). Он показал, что корм ление крыс ГМ картофелем с геном лектина луковиц подснеж ника в течение 10 дней привело к угнетению иммунной систе мы и нарушению деятельности внутренних органов (разруша лась печень, изменялись зобная железа и селезенка, уменьшал ся объем мозга) по сравнению с крысами, которые питались обычным картофелем.

В действительности опыты Пуштая подтвердили лишь дав но известный факт: многие белки, относящиеся к классу лекти нов, ядовиты. Методы генной инженерии тут ни при чем: те же нарушения здоровья наступили бы у крыс, которых кормили бы картошкой с добавкой пюре из подснежников или чистого лектина. Белки, которые синтезируют трансгенные растения, и сами эти растения проходят несколько стадий испытаний на токсический и аллергический эффект, вначале на животных, а потом – на людях.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Опасность масштабного применения ГМО связывают и с вытеснением ими других растений, что ведет к значительному сокращению биологического разнообразия. Еще одна причина связана с нарушением трофических цепочек: появление ГМ растений, устойчивых к насекомым, становится причиной ис чезновения сначала многих видов насекомых;

потом птиц и мелких млекопитающих, питающихся насекомыми;

затем и крупных млекопитающих, употребляющих в пищу мелких жи вотных. Но особую опасность представляет третья причина: ве роятность встраивания “чужих” генов в геномы других орга низмов в результате горизонтального переноса генов. Однако у сторонников трансгенных растений есть аргументы и против этих опасений.

Похоже, человечеству в ближайшее время предстоит отве тить на непростой вопрос, какое из двух зол меньше – химика ты или генная инженерия? Или, может, следует найти некую “золотую середину”?

На наш взгляд, подобное противостояние научных лагерей в итоге выгодно всем: скептицизм и осторожность одних послу жит дополнительным фильтром, заставляющим энтузиастов биотехнологии внимательнее относиться к проверке своих дос тижений, прежде чем выпускать их в массы.

Развитие науки никогда не протекало плавно, и внедрение любой новой технологии сопряжено с ошибками. Но ведь на то они и ошибки, чтобы на них учиться и, главное, их исправлять.

Ведь никогда не ошибается лишь тот, кто ничего и не делает.

О проекте “Геном человека” Говоря о биотехнологии, нельзя не упомянуть грандиозней ший за всю ее историю проект, объединивший усилия несколь ких тысяч ученых из разных стран – расшифровку генома чело века. Это был один из самых дорогостоящих научных проектов в истории цивилизации – на него было потрачено более 2, миллиардов долларов.

Цель проекта заключалась в создании подробной карты че ловеческого генома, включающей определение всех его генов, их функций и взаимодействий в норме и при нарушениях, при водящих к болезням. Он длился 12 лет и полностью завершил ся к 2001 году. Результатом явились почти три миллиарда букв ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина генетического кода человека, приведенные к строгой системе.

Был идентифицирован 29 181 ген. Расшифрованный код дос тупен в сети Интернет.

Что такое карта генома? Грубо говоря, это линейная схема расположения генов в хромосомах с указанием относительных расстояний между ними Карты генома, подобно географическим, можно строить с различной степенью детализации. Последняя зависит от точ ности метода анализа. Первые генетические карты давали лишь общее представление о структуре ДНК. В них расстояние меж ду генами – мельчайшими “различимыми на местности объек тами” – составляло порядка 7 10 килобаз.

Килобаза (от англ. base основание) единица измерения длины молекулы ДНК, равная тысяче пар оснований (нуклеотидов) Существует всего четыре вида оснований и, соответствен но, четыре вида их пар. Как известно из информатики, объект, имеющий 4 состояния, несет в себе 2 бита информации. Значит, 1 байт = 8 битам = 4 парам оснований. Получается, что одна ки лобаза соответствует 250 байтам, а во всей ДНК человека зак лючено около 750 Мб информации (что соответствует емкости современного компакт диска).

В наше время достигнута максимально возможная степень детализации – с точностью до пары нуклеотидов. Современная генетическая карта представляет собой полную последователь ность нуклеотидов с указанием, где кончается один ген и начи нается следующий.

В основе расшифровки генома лежит сложный процесс, с е к в е н и р о в а н и е м называемый секвенированием (от англ. sequence – последова тельность). Он базируется на механизме “разрезания” ДНК посредством рестриктаз. Грубо говоря, сначала ДНК “шинкует ся” на кусочки, каждый из них анализируется по отдельности, и затем воссоздается первоначальная структура. Это так назы ваемые методы «первого поколения». Однако в процессе реали зации проекта «Геном человека» было разработано множество других, более мощных методов.

Когда в 1988 г. один из первооткрывателей знаменитой двой ной спирали ДНК Дж. Уотсон публично заявил, что наука вплот www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ ную приблизилась к раскрытию химической основы человечес кой ДНК, к его словам отнеслись довольно скептически.

К тому времени уже было известно, что геном человека насчитывает около 3 млрд. пар нуклеотидов, и эта величина ка залась необозримо большой, ведь тогда расшифровка одного единственного гена занимала годы кропотливой работы целой лаборатории, а в среде генетиков, по аналогии с правилом «один ген – один белок», бытовало выражение «один ген – од на карьера». Поэтому сама мысль о возможности получения та кого объема информации представлялась совершенно фантас тической. Критики Уотсона считали, что решение предложен ной им задачи малореально в научном отношении, поскольку для него потребовалось бы как минимум 30 40 тысяч лет.

Но факт остается фактом: стремительное развитие науки и техники позволило расшифровать 99% человеческого генома всего за 12 лет. На рисунке изображен график, иллюстрирую щий динамику процесса секвенирования ДНК по годам.

Рис 192. Нарастание числа секвенированных генов человека по годам Если такие тенденции сохранятся и дальше, то, возможно, через несколько лет родители каждого новорожденного мла денца смогут получать его индивидуальный генетический «пас порт» прямо в роддоме.

Одной из причин столь поразительного прогресса науки явилось, в первую очередь, развитие информационных техно логий. Специально разработанные программы для анализа распределения нуклеотидов в ДНК позволили достигнуть фе номенально быстрой расшифровки большинства «слов» текста нашей «книги жизни».

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Некоторые сведения о человеческом геноме Функции генов Развитие генной инженерии помимо практического при менения имеет еще и большое научное значение. Благодаря ус пехам в этой области удалось впервые оценить функции генов в организме. На диаграмме представлено примерное распределе ние функций генов человека.

Рис 193. Примерное распределение генов человека по их функциям Получена интересная информация о количестве генов, от вечающих за образование и работу отдельных органов и тканей человеческого тела. Оказалось, что больше всего генов пред назначено для формирования и поддержания активности мозга (3195), а меньше всего – для создания эритроцитов (8).

Рис 194. Количество генов, вовлеченных в развитие и функционирование органов и тканей человека www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Генетическая общность человека и других биологи ческих видов Помимо человека, к настоящему времени полностью сек венированы геномы более 600 видов живых организмов. При этом оказалось, что количество генов и длина ДНК у разных видов заметно различаются. Если в хромосомах человека содер жится около 750 Мб информации, то, например, у бактерии Mycoplasma genitalium – всего 145 Кб, у бактерии кишечной па лочки Escherichia coli – 1 Mб, у плодовой мушки дрозофилы – 30 Мб, а у лабораторной мышки… почти 750 Мб. То есть, с точ ки зрения объема наследственной информации, человек мало чем отличается от мыши! Более того, результаты расшифровки генома грызуна показали, что у нас совпадают до 80% генов, а 99% можно назвать очень похожими.

Куриный геном в три раза короче генома человека (около 250 Мб). Однако при этом у человека и курицы обнаружено около 60% общих генов.

Расшифрованный геном знаменитой рыбы фугу (Takifugu rubripes), которая является изысканным лакомством в Японии, но при неправильном приготовлении становится смертельно ядовитой, еще более поразил воображение ученых. Размер ге нома фугу равен 91 Мб, что составляет всего около 12% от ге нома человека. Число же генов у этих двух организмов почти одинаково и примерно равно 31 000, а число общих генов у фу гу и человека достигает 75%!

Этот феномен объясняется тем, что наша ДНК состоит, строго говоря, не только из генов. Ген – это участок ДНК, ко дирующий молекулярную структуру определенного белка.

Иначе говоря, это отрезок, на котором, как в файле, записана информация о последовательности аминокислот в белке.

Но далеко не все сочетания нуклеотидов несут смысловую нагрузку, кодируя конкретные белки. Подавляющее большин ство нуклеотидных последовательностей в ДНК – так называе мые интроны, не кодирующие ничего, и, вроде бы, не несущие никаких функций. Для них придумали даже такое обидное д ж а н к Д Н К обозначение, как “джанк ДНК” (от англ. junk – хлам, мусор).

Конечно, о ненужности таких участков не может быть и речи:

они хоть и не кодируют белков, но выполняют свои специфи ческие – как правило, регуляторные – функции.

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Необычный же геном рыбы фугу состоит сплошь из «смысло вых» генов, кодирующих конкретные белки. Эти гены располо жены в геноме фугу в непосредственной близости один к другому и поэтому могут быть легко идентифицированы. Вот почему ге ном фугу служит удобной моделью для генетического анализа.

Протовирусы При расшифровке ДНК было обнаружено, что помимо собственного генетического материала в геноме человека при сутствует большое число геномов вирусов, которые когда то давно попали в него и там остались. Эти «молекулярные остан ки» были названы протовирусами.

Мы очень мало знаем об их биологической роли, но удиви тельно и крайне интересно то, что у обезьян эндогенных виру сов намного меньше или нет вообще. Получается, что по чуже родным элементам генома человек от обезьян отличается гораз до сильнее, чем по самим генам. Это дало основание одному из известных исследователей генома академику Е. Д. Свердлову высказать мысль о том, что вирусы могли сыграть важную роль в «очеловечивании» обезьяны.

По словам некоторых ученых, эти «спящие» вирусы могут в любую минуту “проснуться” и принести смертоносные эпиде мии. В частности, существует гипотеза, что ВИЧ всегда жил в нас, а потом мутировал и приобрел патогенные свойства, кото рыми изначально не обладал. То же самое, как предполагают некоторые ученые, происходило и с вирусами бубонной чумы, холеры, тифа, гриппа.

Упаковка ДНК в хромосому Молекулярную основу генома составляет молекула ДНК – знаменитая «нить жизни», состоящая у человека из более чем млрд. пар нуклеотидов, соединенных между собой в длинные нити. Установлено, что длина одной молекулы ДНК в челове ческой клетке составляет около 2 метров. ДНК содержится в хромосоме, а каждая клетка человека содержит 23 пары хромо сом. Если учесть, что тело взрослого человека состоит из при мерно 50 триллионов клеток (5·10 ), то общая длина всех моле кул ДНК в организме – около 10 км, что в тысячи раз превы шает расстояние от Земли до Солнца!

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Каким же образом такие длинные молекулы могут уме щаться в маленьком ядре клетки? Это возможно, во первых, благодаря тому, что поперечные размеры молекулы ДНК сос тавляют всего 2 нм, а во вторых, благодаря удивительно точно му механизму упаковки ДНК.

ДНК в хромосомах чрезвычайно хитроумно уложена в комплексе со специальными ядерными белками, которые на зываются гистонами. На рисунке изображена приблизительная схема упаковки ДНК.

Рис 195. Схема укладки молекул ДНК в хромосомах Достойна восхищения и плотность записи данных в ДНК:

всего в 8 кубических микронах этой удивительной молекулы содержится 750 Мб генетической информации. Возможно, в будущем биомолекулярная память на основе ДНК позволит хранить в объеме современной “флэшки” 250 миллиардов гига байт. Что можно записать в такую память? Ну, например, гено мы всех когда либо живших на Земле людей с 30 часовыми ви деороликами из жизни каждого.

Практическое значение результатов проекта “Геном человека” Итак, программа “Геном человека” завершена. Теперь, зная последовательность почти трех миллиардов нуклеотидов, ис ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина следователи получили возможность выяснить причины многих заболеваний, имеющих генетическую причину. Только одна часть работы – расшифровка 20 й хромосомы – значительно ускорила исследования в области лечения сахарного диабета, лейкемии и других заболеваний.

В настоящее время описано около 3 тысяч заболеваний, причина которых заключается в поломке генетического аппа рата. Число изученных наследственных болезней год от года растет. Эти сведения помогут разобраться в генетических прог раммах развития и функционирования нашего организма, при чинах возникновения раковых заболеваний и старения.

Появились принципиально новые подходы к диагностике и лечению наследственных заболеваний. К настоящему времени с помощью генотерапии – введения в организм собственных стволовых клеток с исправленными копиями гена – вылечили только 12 детей, больных тяжелым комбинированным иммуно дефицитом, редким врожденным заболеванием, при котором для больного смертельна любая инфекция. Но в различных ла бораториях уже разрабатываются способы лечения сотен моно генных (вызванных нарушением в единственном гене) болез ней. При дальнейшем развитии науки станет возможным исп равление дефектных генов прямо в зародыше, что позволит из бежать наследственных болезней.

Были созданы международные банки данных, содержащие расшифрованные геномы разных организмов. Теперь любой специалист в мире может воспользоваться собранной там ин формацией.

Наномедицина С развитием биотехнологии тесно связано качественно но вое направление медицинской науки – молекулярная наноме дицина. С ней связывают такие уникальные вещи, как:

Лаборатории на чипе;

Адресная доставка лекарств к пораженным клеткам;

Новые бактерицидные и противовирусные средства;

Диагностика заболеваний с помощью квантовых точек;

Нанороботы для ремонта поврежденных клеток;

Нейроэлектронные интерфейсы и многое другое.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ В настоящее время подобные проекты – уже не только плод воображения писателей фантастов, но и реальные средства современной медицины.

Сообщения о новых открытиях в наномедицине появляют ся так часто, а разрабатываемые в ее рамках проекты столь мно гочисленны и разнообразны, что полностью описать их в рам ках данной главы просто невозможно. Однако с некоторыми из них мы познакомимся поближе.

Лаборатория на чипе Каждый из нас хотя бы раз в жизни сдавал, к примеру, ана лиз крови. При этом результатов анализа, как правило, прихо дилось ждать несколько дней, а то и недель – ведь сначала об разец попадал в лабораторию, дожидался там своей очереди, за тем анализировался на специальном оборудовании, и лишь после этого возвращался (в виде распечатки результатов) к вра чу. Помимо этого нам приходилось еще и здорово раскоше литься, так как в стоимость анализа “включены” оплата труда врача и лаборантов, стоимость транспортировки пробирок, стоимость эксплуатации дорогостоящего оборудования, аренда помещений лаборатории и т.д. А ведь порой скорость, точность и доступность анализа – вопрос жизни и смерти в прямом смысле слова.

И как было бы здорово, если бы врачи или даже сами паци енты могли мгновенно проводить сложнейшие анализы и полу чать результаты в течение нескольких минут! Представьте себе, какой потрясающе компактной и эффективной могла бы быть лаборатория, если б все ее пространство (включая инструмен ты, столы, проходы, клавиатуры, мониторы, и т. д.) можно бы ло бы “сжать” до размеров обыкновенного микрочипа, а все производимые в ней человеческие действия по доставке, пере мещению и анализу образца полностью автоматизировать!

А теперь представьте, что такие лаборатории уже существу л а б о р а т о р и я м и н а ч и п е ют! Называются они лабораториями на чипе (от англ. lab on chip). Один чип размером порядка 4х4 см может заменить це лый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онколо гических заболеваний, изучения эффективности трансфекции ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина клеток, количественного определения белков, определения уровня экспрессии генов и многого другого!

При этом такая кроха лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, зани мавшего раньше недели, сокращается до 15 30 минут. Если вы все еще не верите в то, что это возможно, вспомните первые ЭВМ: они занимали огромные комнаты, а их обслуживанием занимался целый коллектив специально обученных инжене ров операторов. А сегодня любой карманный компьютер, нес мотря на свои малые размеры, в тысячи раз превосходит по быстродействию и функциональности самой “продвинутый” компьютер того поколения.

Аналогия с компьютером здесь не случайна, поскольку на первый взгляд лаборатории на чипе очень похожи на своих электронных собратьев: они также создаются на кремниевых подложках, а крохотные ячейки связываются микро или нано ”дорожками”. Отличие заключается в том, что по дорожкам у них не всегда течет ток. По многим из них течет жидкость из кро хотных резервуаров, имплантированных в чип при производстве.

Функционально ячейки тоже отличаются. Если на микрос хеме это могут быть ячейки памяти или логические элементы, то в лаборатории на чипе это клапаны, резервуары и биологи ческие или химические реакторы.

Реальным примером подобной технологии могут служить продукты ведущих в этой области компаний Affymetrix (“GeneChip”) или Agilent (“LabChip”), производящих лаборато рии на чипе для генетических анализов.

п о л и м е р а з н о й В таких чипах ДНК анализируется методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Его суть заключается в последователь ц е п н о й р е а к ц и и ном нагревании и охлаждении раствора, содержащего образец анализируемой ДНК, два праймера (участки ДНК в 20 нуклео тидов, комплементарные участкам анализируемого ДНК), смесь четырех нуклеотидов и фермент ДНК полимераза. При нагревании двунитевые отрезки ДНК расщепляются;

при ох лаждении под действием фермента каждая из однонитевых це почек достраивается до двунитевой копии исходного отрезка.

Число отрезков молекулы ДНК удваивается при каждом цикле, и из каждой молекулы в исходной пробе через 30 циклов обра зуется 2 – более миллиарда копий.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Метод был изобретен в 1987 г, и в то время ученым прихо дилось каждые несколько минут вручную переставлять пробир ки из одной водяной бани в другую и после каждого цикла до бавлять в них новую порцию фермента. Сегодня ту же работу выполняют миниатюрные автоматизированные лаборатории.

Как видим, менее чем за 20 лет метод ПЦР усовершенствовал ся примерно так же, как компьютеры – за полвека.

Компания CombiMatrix предложила чип размерами с поч товую марку для определения биологической опасности. Уст ройство, содержащее такой чип, может определить присутствие нескольких видов микроорганизмов, применяющихся в соста ве бактериологического оружия. На его базе CombiMatrix вы пустила детектор HANAA (подходящее название, не правда ли?), который можно использовать в полевых условиях. При бор помещается в ладони, питается от батареек и весит около одного килограмма. Каждая микроскопическая ячейка чипа за меняет установку для проведения ПЦР. Прибор анализирует ДНК и соотносит с одним из запрограммированных типов па тогенной ДНК. Ячейки, в которых присутствует ДНК одного из определяемых чипом патогенных микроорганизмов, флюорес цируют, а их свечение улавливается датчиком. Процесс обра ботки четырех различных образцов занимает 30 минут. Как го ворят разработчики прибора, он может опознать патоген при концентрации 10 бактерий в 1 пробе (1 проба представляет со бой капсулу диаметром 5 мм и 2 см длиной).

CombiMatrix также выпустила устройство на основе чипа, в котором проводится иммуноферментный анализ. В его ячейках светятся антитела к ядам, не содержащим ДНК. Такое устрой ство может опознавать 5 токсинов типа рицина.

Для производства лабораторий на чипе используются поч ти те же технологии, что и для производства микросхем, вклю чая литографию и травление. Однако лаборатория на чипе, в отличие от планарной микросхемы, должна быть трехмерной.

Причина заключается в том, что если электричество может протекать по плоскому проводу, то жидкость не течет по сплюс нутому шлангу. Таким образом, при производстве лабораторий на чипе используются совмещенные методы планарной и МЕМS/NEMS технологий.

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Итак, лаборатория на чипе представляет собой МЭМС уст ройство для биохимических ана лизов. Принимая во внимание стремительный прогресс в облас ти МЭМС систем, можно прог нозировать, что в дальнейшем размеры и стоимость устройств Рис 196. Участок лаборатории на чипе в будут уменьшаться (а функцио разрезе нальность, соответственно, рас ти), и через несколько лет такая лаборатория станет для нас та ким же привычным средством диагностики самочувствия, как сегодня термометр.

Нанотехнологии против вирусов и бактерий Бактерицидные свойства наночастиц серебра подробно описаны в главе, посвященной химическим аспектам нанотех нологий. Поэтому здесь мы лишь кратко перечислим некото рые возможности их применения в медицинских целях:

Препараты на основе наночастиц для эффективного за лечивания ран;

Обеззараживающие угольные фильтры с наночастицами;

Бактерицидные краски для профилактики заболеваний, передающихся воздушно капельным путем;

Самодезинфицирующаяся одежда и белье;

Обеззараживающие аэрозоли и др.

Кроме того, как оказалось, серебряные наночастицы – не единственные наноматериалы, пригодные для борьбы с бакте риями. Недавно ученые из Питсбургского университета созда ли нанокатализатор, который производит углеродные нанот рубки одинакового размера и заставляет их собираться в струк туру, напоминающую ковер. При добавлении к «ковру» различ ных биологических агентов он меняет свой цвет – от красного до желтого.

Самым удивительным оказалось то, что этим «наноковром» можно убивать различные микроорганизмы! В эксперименте на бактериях E. coli отдельные нанотрубки «ковра» проткнули их клеточные мембраны, чем вызвали гибель микроорганизмов.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Рис197. Фотоизображение "ковра" из нанотрубок* Рис 198. Нанотрубка протыкает бактериальную мембрану* При взгляде на рисунок на ум приходит интересная анало гия: когда человек только начал осваивать мир, он использовал копье для охоты и борьбы с опасными тварями. Сегодня, про никнув в мир клеток и бактерий, человек также “идет с копьем на бактерию”, используя в качестве оружия острую и тонкую нанотрубку.

* Перепечатано с http://newsbureau.upmc.com/ ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Если говорить о потенциальных применениях этого откры тия, то, возможно, «наноковер» может быть использован в ка честве биологического детектора либо бактерицидной поверх ности в фильтрах для очистки воды, воздуха и т. д.

Адресная доставка лекарств в пораженные клетки Чтобы лекарство было эффективным важно, чтобы его мо лекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты попали в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, антираковые препараты – в опухоль и т. д. Способность моле кул вещества попадать в теле пациента туда, где они необходи б и о л о г и ч е с к о й у с в о я е м о с т ь ю.

мы, называется биологической усвояемостью.

Биологическая усвояемость – камень преткновения всей современной фармацевтики. Более 65% денег, потраченных на разработку новых лекарств, выбрасывается на ветер из за их плохой усвояемости. Один из способов улучшить ее – просто увеличить дозу лекарства. Однако многие лекарства токсичны, и увеличенная доза может вызвать у пациента тяжелые послед ствия (а порой даже убить). Это особенно важно для противора ковых препаратов, которые убивают не только больные, но и здоровые клетки.

Феномен раковых клеток, с точки зрения биотехнолога, заслуживает отдельного рассмотрения. Онкологические забо левания являются одной из главных причин смертности. Самое поразительное, что смерть человека вызывают его же собствен ные клетки, превратившиеся каким то образом в бессмертные.

В общих чертах этот процесс выглядит следующим образом.

По замыслу природы, все клетки организма должны регу лярно обновляться, то есть какое то время жить, делиться, функционировать, а затем умирать, освобождая пространство для своих молодых собратьев. Во взрослом организме деление клеток строго контролируется и происходит в разных тканях по разному, а некоторым клеткам (например, нейронам) деле ние вообще запрещено. Иначе нельзя, ведь если бы каждая клетка делилась, как ей вздумается, организм быстро превра тился бы в бесформенный сгусток клеток.

В природе роль биологических часов, регулирующих дли тельность жизни клетки, выполняют так называемые теломеры – особые участки ДНК на концах хромосом. Каждое деление www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ клетки сопровождается укорачиванием ее теломеров, и, когда последние укорачиваются до предельных размеров, клетки «понимают», что пришла пора умирать, и запускают механизм клеточного самоубийства – апоптоза. Раковые же клети не подвержены процессу старения, поскольку всякий раз «умуд ряются» восстанавливать длину своих теломеров при помощи особого фермента теломеразы, и поэтому способны размно жаться бесконечно.

В результате действия патогенных физических и химичес ких факторов в раковую может превратиться любая клетка ор ганизма. До поры до времени такая клетка ничем не отличается от других и строго подчиняется “правилам общежития”, при нятым в многоклеточном сообществе. Но в какой то момент она перестает подчиняться законам природы и начинает беско нтрольно делиться, требуя все больше территориальных, мате риальных и энергетических ресурсов организма в ущерб дру гим, более “законопослушным” клеткам (причем такое поведе ние передается и всему потомству раковой клетки).

В месте скопления быстро размножающихся раковых кле ток образуется опухоль, которая, если ее вовремя не ликвидиро вать, может дать метастазы – множественные очаги болезни, возникающие по всему телу в результате распространения ра ковых клеток кровотоком. В процессе метастазирования, как правило, уже поздно что либо делать – человек обречен на мед ленную мучительную смерть.

Коварство клетки предательницы состоит в том, что для «сил безопасности» нашего организма, иммунной системы, эта клетка – своя, такая же, как и все остальные клетки. Вот почему организм, способный с помощью иммунитета успешно бороть ся с вторжением извне всевозможных бактерий и вирусов, часто оказывается беспомощным перед лицом “внутреннего врага”.

Правда, в организме есть еще и “тайная полиция”, способная на ранних стадиях справиться с раковой клеткой. Это особые клет ки, T лимфоциты (их еще называют Т киллерами). Однако ра ковая клетка умеет «обманывать» их, выделяя в окружающую среду особый токсин, нарушающий нормальную для Т килле ров кислотность (pH) и тем самым не подпуская их к себе.

Существует гипотеза, что раковые клетки периодически появляются в каждом организме, но если организм обладает ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина достаточно сильным иммунитетом, то ему ничего не стоит их вовремя распознать и уничтожить. Но возрастающее с каждым годом число онкологических заболеваний убедительно свиде тельствует, что человеку, ослабленному стрессами, отравленно му загрязненной средой обитания и вредными привычками, просто не хватает сил эффективно бороться с этими “хитрыми” врагами. То же пресловутое курение (и пассивное в том числе) повышает риск заболевания раком легких на 60%.

Недостаток знаний о причинах появления опухолей огра ничивает и возможности их лечения. Сегодня врачи еще не ле чат раковые клетки («не перевоспитывают» их), а просто стара ются убить, чтобы продлить жизнь всего организма. Для этого у онкологов есть набор проверенных методов: операция, химио терапия, лучевая терапия или их сочетание.

Операция направлена на то, чтобы удалить саму опухоль. Для этого часто приходится вырезать больные ткани полностью, что очень травматично для организма. Такой метод лечения на ран них стадиях часто оказывается эффективным, однако часть опу холевых клеток может остаться в организме, и оперативное лече ние дополняют лучевым или химиотерапевтическим.

Лучевая терапия основана на том, что опухолевые клетки более чувствительны к различным видам облучения, чем здоро вые ткани. Поэтому их убивают, облучая больной орган, напри мер, рентгеновскими лучами. Но в этом случае часто гибнут и здоровые клетки, а из за патогенного действия ионизирующего излучения на организм часто развивается лучевая болезнь.

Химиотерапевтическое лечение также основано на повы шенной чувствительности опухолевых клеток к различным хи мических препаратам. Химиотерапия достаточно эффективна, но она сильно повреждает все клетки организма, в т. ч. кост ный мозг – главный кроветворный орган и «склад запчастей» – стволовых клеток. Поэтому увеличивать дозу можно лишь до определенных пределов.

Итак, проблема всех современных методов лечения рака заключается в том, что лекарственные препараты действуют как на больные, так и на здоровые клетки, то есть не избира тельно. Сказывается также и проблема биоусвояемости препа ратов, которые приходится вводить в больной организм в боль ших количествах, чтобы победить болезнь не умением, а чис www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ лом. Вот почему от подобных «бомбардировок» возникает мно го побочных эффектов.

Поэтому сегодня учеными всего мира ведутся активные ра боты по адресной доставке лекарств, которые будут точно попа дать в цель, не повреждая других органов. Для этого пытаются создать некое “транспортное средство” для точной доставки ле карств в клетку, так как многие болезни (не только рак) зависят от нарушения внутриклеточных механизмов, повлиять на кото рые можно только доставив лекарство в клетку.

Поиск молекулярного транспорта начался в восьмидесятые годы, когда исследователи стали активно заниматься генной инженерией. В частности, группе российских ученых под руко водством Александра Соболева удалось разработать специаль ную макромолекулу транспортер, способную доставить лекар ство в дефектную клетку.

Опыты, которые ставила группа Соболева на раковых клет ках, показали, что эффективность лекарственного вещества, которое доставляется макромолекулой транспортером в ядро, при различных типах рака может возрастать в 250 1000 раз, а это значит, что во столько же раз можно снизить дозу препара та, чтобы вызвать нужный эффект.

Конструкция транспортера состоит из четырех функцио нальных модулей: лиганда, эндосомолитического модуля, сиг нала внутриядерной локализации и собственно носителя лека рства. На первом этапе работает лиганд – модуль, обеспечиваю щий обнаружение больной клетки (например, раковой), ее “молекулярное узнавание”. Он же отвечает и за поглощение всей конструкции клеткой. Второй модуль – эндосомолитичес кий – разрывает эндосому, “пузырь”, образующийся вокруг транспортера при его втягивании внутрь клетки. Далее в игру вступает третий модуль, который позволяет транспортеру про никнуть через поры ядерной мембраны. И наконец, четвертый модуль, несущий лекарство, позволяет ему приступить к вы полнению основной задачи – уничтожению ядра.

Откуда взяли модули макромолекулы транспортера? Один из используемых лигандов был взят из человеческого гормона, обладающего высоким сродством к рецепторам соответствую щей клетки мишени, эндосомолитический модуль – из дифте рийного токсина, модуль внутриядерной доставки – из белка ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина обезьяньего вируса, носитель лекарства – из части гемоглоби ноподобного белка кишечной палочки. Далее с помощью ген но инженерных методов была создана единая работоспособная конструкция.

“Меняя программу модулей, мы можем получить макромо лекулы транспортеры для лечения любого типа рака. К приме ру, если для лечения какого то заболевания нужно доставить лекарство не в ядро, а в другую органеллу клетки, то будет заме нена программа модуля внутриклеточной локализации. Или меняется программа носителя в зависимости от лекарственно го средства, которое необходимо доставить”, – объясняет Александр Соболев.

Помимо чисто генно инженерных методов, ведутся разра ботки и в области применения различных наносистем для об наружения и уничтожения раковых клеток. В качестве примера можно привести идею создания антираковых наносистем не посредственно в опухолевой ткани.

Было установлено, что если в клеточную ткань ввести раст воры некоторых веществ, то наночастицы этих веществ заро дятся, вырастут и соберутся в агрегаты на клеточных структурах ткани. Наночастицы почти не влияют на функционирование клеток, но делают их чувствительными к действию внешнего акустического поля (ультразвук). Если после образования на ночастиц на них подействовать акустическими волнами, то они нагреются до 43°С за время, за которое клетки без наночастиц почти не изменят температуры.

Это позволило предположить, что если найти вещества, на ночастицы которых могут формироваться в раковых клетках со значительно большей вероятностью, чем в здоровой ткани, то раковые клетки можно будет селективно нагреть и убить. И та кие вещества были найдены. Были получены интересные ре зультаты действия одного из них (терофтала) на развитие рако вой опухоли у мышей. Стало очевидным, что сами по себе на ночастицы терофтала не влияют на развитие опухоли, а акусти ческое поле лишь слабо замедляет ее рост. Но если поле нало жить после образования наночастиц терофтала, причем всего на 10 минут, объем опухоли в течение недели уменьшается на 80%!

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Использование квантовых точек в качестве люминес цирующих маркеров Медиков и биологов чрезвычайно интересует, как переме щаются в организме различные вещества (в частности, лекар ства). Отслеживание такого перемещения позволяет им опреде лить, как распределяются и усваиваются в организме новые препараты, то есть какова их биологическая усвояемость.

До недавнего времени для подобных исследований приме нялись различные красители, называемые маркерами, подме шиваемые к исследуемому веществу. Подкрашенные клетки бы ли хорошо видны в оптический микроскоп на фоне бесцветных клеток организма, что позволяло делать довольно точные выво ды об их локализации. Но органические красители, во первых, могут быть токсичными, а во вторых, для их обнаружения тре буется облучение светом лишь определенной частоты, посколь ку различные красители отражали различные частоты спектра.

Следовательно, для одновременного исследования нескольких препаратов требовалось столько же источников света.

Данную проблему удалось решить с помощью нанотехноло к в а н т о в ы х т о ч е к, гий, а точнее – квантовых точек, которые мы рассматривали в одной из предыдущих глав. Напоминаем, что квантовые точки – это полупроводниковые кристаллы нанометрового размера, имеющие уникальные химические и физические свойства, не характерные для тех же веществ в макромасштабе. Учеными бы ли получены уникальные флуоресцентные квантовые точки, причем разного цвета. Эти точки дают намного более мощный отблеск света, чем традиционные красители, и обладают осо бым биоинертным покрытием, которое, с одной стороны, защи щает сами квантовые точки от «нападения» ферментов и других биологических молекул, а с другой – не дает возможности ток сичным веществам попасть в организм, что очень важно для ди агностики заболеваний. Кроме того, разные группы таких нано меток можно освещать одним общим источником.

Квантовые точки широко применяются в диагностических целях. В частности, их можно присоединять к биомолекулам типа антител, пептидов, белков или ДНК. А эти комплексы, в свою очередь, могут быть спроектированы так, чтобы обнару живать другие молекулы (например, типичные для поверхнос ти раковых клеток).

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина В одном из опытов квантовые точки селенида кадмия были соединены со специфическим антителом, реагирующим с по верхностью клеток раковой опухоли. Квантовые точки вводили в кровеносную систему мышей, которая разносила их по орга низму. Нанокристаллы попадали в опухоль и накапливались там (и практически нигде больше), в результате чего опухоль оказалась хорошо различимой визуально.

Применение квантовых точек может существенно расши рить диагностические возможности медицины. Ведь можно сконструировать сотни разновидностей квантовых точек, сое диняющихся в организме с различными биомолекулами или антигенами, и таким образом находить участки со специфичес ким сочетанием признаков заболевания.

Рис 199. Растворы квантовых точек выглядят как подкрашенная вода* Дальнейшие планы исследователей еще заманчивее. Новые квантовые точки, соединенные с набором биомолекул, будут не только находить и показывать опухоли, но и осуществлять точ ную адресную доставку новых поколений лекарств.

Наносистемы и биотехнологии: подражая природе В последнее время на стыке этих двух технологий появи лось новое направление – биомиметика (био жизнь, миметика подобие). Живые организмы производят нанотехнологичес кие операции на протяжении 4.5 миллиардов лет. Живая клетка использует ДНК, РНК и большое количество белков, чтобы строить клеточные структуры нанометровых размеров. Почему бы нанотехнологам не воспользоваться природными примера ми для построения собственных наномашин?

* Перепечатано с http://ehf.uni oldenburg.de www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Сегодня биомиметические нанотехнологии находятся в за чаточном состоянии, но их развитие существенно ускорит соз дание наномашин.

Конструируя из белков Живые организмы строят конструкции из белков, и инже неры думают, как это применить. Некоторые белки, например, могут формировать регулярные структуры в виде кристалличес ких решеток, которые затем можно использовать при констру ировании наномашин и наноэлектронных устройств.

Бактерии на своей поверхности формируют слои кристал лического белка толщиной в одну молекулу, называемые S слои (от англ. single один), которые повторяются с шагом в 10 нм.

Австрийские ученые решили использовать эти естественные «квантовые сверхрешетки» для построения искусственных бел ковых структур. Первое, что придумали исследователи – выг нать бактерию из S слоя и порвать его на “субъединицы”. Одна ко эти субъединицы перестраивались на кремниевых и металли ческих подложках, а также на других синтетических полимерах.

Если теперь к S слою на подложке добавить специальные сен сорные молекулы, получится точный биосенсор. Используя ха рактерную для белков боязнь ультрафиолета, исследователи ис пользовали S слой в качестве фоторезиста в литографии.

Другие ученые решили сконструировать из белков и неор ганических соединений структуры, которых вообще не сущест вует в природе. Однако из за огромной сложности квантовых уравнений для белковых молекул даже современные супер компьютеры не могут рассчитать, как именно белки с опреде ленной последовательностью аминокислот будут собираться в трехмерные структуры (так называемая проблема фолдинга, или свертки белка). Они пошли другим путем, заставляя виру сы синтезировать разнообразные белки из случайной последо вательности аминокислот. Затем ученые попросту промыли оборудование и в нем остались только те белки, которые присо единились к подложке. Так можно создавать белки, образую щие новые структуры, соединяясь с разными материалами. Ос талось создать “библиотеку” вирусов, производящих белки ли пучки для золота, серебра, оксида цинка, арсенида галлия и др.

На основе таких белков, соединенных с неорганическими веществами, можно сконструировать ряд квантовых точек, ко ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина торые получают сегодня с помощью вакуумных технологий.

Сборка квантовых точек с помощью гибридных белков может происходить при комнатной температуре и быть гораздо дешев ле. Такие белки могут пригодиться и при создании наномашин.

Рис 200. Фрагменты ДНК, кодирующие различные белки, внедряют в ДНК бактериофага, который синтезирует эти белки на своей поверхности. Вирус размножается, образуя длинные нити, покрытые металлом, которые можно использовать в наноэлектронике и наносистемах Исследователи из МТИ обнаружили, что бактериофаги “собираются” в длинные нити. При этом их внешние белки могут соединяться с сульфидом цинка или сульфидом кадмия, образуя длинные (600 нм) электропроводящие нанонити диа метром 20 нм. При нагревании полученной структуры до 350°C бактериофаги выгорают, а тончайшая металлическая нить оста ется. Затем ее можно использовать, например, в наноэлектро нике. Использованные в этом опыте вирусы состоят всего из шести белков, два из которых соединяются с неорганикой. Ис следователи хотят продолжить эксперименты с более сложны ми по белковому составу вирусами, чтобы получить трехмерные проводящие структуры.

“Поделки” из молекул ДНК В качестве стройматериала при создании наноструктур мо гут выступать не только белки, но и… молекулы ДНК. Эту идею развил Нэдриан Симэн, профессор химии из Нью йоркского университета. Он достиг того, что молекула ДНК образует дву мерные и трехмерные структуры. Сама по себе молекула ДНК слишком “мягкая” для того, чтобы сформировать жесткую www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ структуру. Но если соединить две молекулы, то полученная конструкция будет достаточно “жесткой”, подходящей для то го, чтобы создавать устойчивые структуры.

Самым ярким примером такого конструирования из ДНК является первый в мире “шагающий” наноробот, недавно соз данный учеными! Робот передвигается, используя оригиналь ный принцип: поочередно то присоединяет свои «ноги», состо ящие из фрагментов ДНК, к базовой молекуле ДНК, то отсое диняет их от нее, продвигаясь таким образом вперед.

Почему исследователи использовали именно молекулы ДНК? На это есть две причины. Первая – цепи ДНК легко сое диняются друг с другом, образуя комплементарные пары. Вто рая – исследователи надеются, что в дальнейшем можно будет создать более сложных ДНК роботов в больших количествах, используя репликативную инженерию живых клеток.

Наноробот состоит из двух “ног” молекул ДНК длиной в 36 нуклеотидов. Сверху “ног” расположена еще одна упругая часть ДНК, связывающая обе “ноги” вместе (см. рисунок). Ша гает робот по своеобразной “дороге” – еще одной базовой мо лекуле ДНК. “Ноги” присоединяются к комплементарным участкам на “дороге” при помощи свободных “якорных” цепей ДНК.

Рис 201. Принцип работы “шагающего наноробота” а) Две ДНК ноги (обозначено красным) присоединены к комплементарным участкам ДНК дороги (А и В) при помощи якорей (голубой и оранжевый);

б) Свободная цепь ДНК присоединяется к правому якорю;

в) Свободная цепь убирает правый якорь, освобождая правую «ногу» от пары В;

г) Якорная цепь пары С связывает свободную правую ногу;

д) Другая свободная ДНК цепь (светло голубая) убирает якорь от левой ноги, отсоединяя ее от “дороги”;

е) Другая якорная цепь (серая) присоединяет якорную цепь к паре В;

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Итак, правая и левая “ноги” робота имеют уникальную последовательность нуклеотидов, поэтому каждой необходим соответствующий комплементарный ей участок на ДНК доро ге – своеобразный “якорь”.

Для того чтобы затем отсоединить заякоренную “ногу” от «дороги», необходима еще одна свободная цепь ДНК.

“Якорь” имеет участок, который не присоединяется ни к «ноге», ни к “дороге”. Этот участок присоединяется к свобод ной ДНК, которая затем отбирает “якорь”у “ноги”. “Ноги”, свободные от якоря, соединяются со следующей комплемен тарной парой на “дороге”, двигая таким образом робота вперед.

Повтор этой процедуры приводит к движению робота.

Робот шагает в специальной жидкости, названной “денату рационный буфер”, которая препятствует сворачиванию цепей ДНК. Чтобы робот мог долго двигаться, в жидкости находятся миллионы якорей и свободных ДНК, удаляющих «якоря». Для начала движения робота помещают на “дорогу” и добавляют в раствор якоря.

Следующим шагом исследователей будет добавление к ро боту “повозки”, чтобы он мог переносить различные вещества, например, атомы железа.

Мобильные ДНК роботы могут помочь в сборке более сложных наносистем: нанокомпьютеров, точных наноманипу ляторов и более сложных нанороботов. Также ДНК роботы, ос нащенные наноманипуляторами, смогут манипулировать от дельными молекулами и атомами, воплощая в жизнь основную задачу нанотехнологии.

Конечно, как и говорилось выше, это только первые пробы биомиметики в нанотехнологиях. Не следует забывать о том, что природные наномашины пока совершеннее и проще тех, которые планирует изготовить человек, поэтому исследователи изучат в первую очередь то, что предлагает нам природа.

РНК наномашины Как недавно доказали исследователи из Университета Пэрдью, наномашины могут быть построены и с помощью са моорганизующихся РНК структур. Ученые научились строить из молекул РНК несколько различных самособирающихся “матриц” размерами от сотен нанометров до нескольких мик рон. При этом их структуру можно задавать заранее!

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Самосборка идет в нанометровом масштабе, но конечные “продукты” в ряде опытов достигали микронных размеров.

“Наша работа показала, что мы можем управлять структурой трехмерных матриц, полученных с помощью самосборки моле кул РНК. При этом мы можем делать матрицы различных раз меров и формы, – говорит Пейхуан Гу, профессор молекуляр ной вирологии. – В дальнейшем, из молекул РНК можно будет конструировать сложные наномашины”.

Оказалось, что вирус бактериофаг phi29 использует подоб ные конструкции из молекул РНК для своего вирального мото ра. При этом сам процесс работы мотора похож на работу дви гателя внутреннего сгорания автомобиля. Роль камеры сгора ния играет портал – образование внутри капсида (тела) вируса, занятое молекулами РНК и ротором. Мономеры РНК, подобно поршням, поочередно толкают центральный 6 сторонний ро тор, заставляя его вращаться. В центре ротора находится моле кула ДНК.

Рис 202. Работа вирального мотора Сегодня ученые собирают из молекул РНК “кольца”, “тре угольники” и “стержни”. Эти структуры можно интегрировать с нанотранзисторами, нанопроводниками, нанотрубками, био сенсорами и другими уже существующими наноструктурами, чтобы получить сложные НЭМС системы. Возможно, их мож но будет использовать даже для медицинских нанороботов, поскольку молекулы РНК обладают высокой биосовмести мостью с человеческим организмом.

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Приручение бактериофага Ранее мы уже рассказывали, каким образом вирус проника ет в клетку. С помощью электронной микроскопии удалось по лучить ряд изображений этого процесса, по которым впослед ствии был смонтирован видеофильм, объясняющий механизм инфицирования клетки вирусом.

Главный герой фильма – уже знакомый нам вирус Т4 – состоит из икосаэдральной головки, содержащей вирусную ДНК, ствола, основания ствола и стволовых отростков – «но» (шести длинных и шести коротких). Сперва длинные отростки находят жертву, в роли которой выступает клетка E. coli, а за тем короткие прочно прикрепляются к ней. Основание при этом передает импульс в ствол, который сокращается, как мус кул, выдавливая из себя вирусную ДНК в клетку хозяина. E.

coli, таким образом, инфицируется, биохимическая машина клетки продуцирует новые фаговые частицы и, в конце концов, клетка гибнет.

“Для начала наше исследование показывает структуру бел ков, входящих в состав основания вблизи ствола (так называе мого биохимического прокалывающего устройства), и их роль в проникновении вирусной ДНК через мембрану клетки, – гово рит Россман. – Мы показали, что это сложная биохимическая машина, позволяющая вирусу эффективно внедряться в клет ку хозяина”.

На базе этих знаний можно прогнозировать появление вы сокоэффективных лекарственных препаратов. “У вирусов та лант в доставке своей ДНК внутрь клеток. Поэтому мы можем использовать некоторые из видов вирусов для доставки здоро вой ДНК внутрь раковых клеток”, – говорит исследователь Лейман. На основе вирусов ученые предполагают создать уст ройство для генной терапии, которое будет лечить отдельные клетки.

Нанотехнологии и бессмертие Отыскать эликсир бессмертия человечество мечтало всегда.

В Средние века этой идеей были одержимы алхимики, а в нас тоящее время она лежит в основе нового философского тече т р а н с г у м а н и з м и м м о р т а л и з м ния, получившего название трансгуманизм, или иммортализм.

Все более популярное сегодня, трансгуманистическое мирово www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ ззрение утверждает, что человеческий вид является не заверша ющим звеном эволюции, а скорее ее началом. Трансгуманисты убеждены, что недалек тот день, когда с развитием науки и тех ники люди смогут радикально усилить свои интеллектуальные и физические возможности, перестанут умирать от старости и болезней и избавят весь мир от несчастий и страданий.

“Природа сыграла с человеком злую шутку, наделив его ра зумом, но лишив бессмертия, – говорят имморталисты.– Если Бог существует, то он вечен. Животные хоть и смертны, но не страдают от этого. В их голове нет представления о собственной смерти. И лишь человек – единственное животное, которое знает, что в конце концов обязательно умрет”.

Для животных не существует прошлого и будущего в том смысле, какой вкладывают в это понятие люди. Для них суще ствует только настоящее, и потому не существует собственной смерти – собственную смерть невозможно воспринимать из настоящего, ибо пока есть настоящее, мы еще живы. Собствен ную смерть можно увидеть только из прошлого как нечто буду щее. Животные не способны на это, и поэтому, даже умирая для всех, они не умирают сами для себя – для них умирает лишь их настоящее.

Человек способен жить одновременно в прошлом, настоя щем и будущем (прошлое – его память, будущее – его мечты), и потому его жизнь, пусть даже самая счастливая, глубоко тра гична, ибо животные не умирают никогда, человек же умирает всю свою жизнь. Широко распространенное мнение о том, что сознание быстротечности жизни придает какую то особую ост роту и ценность каждому ее моменту – не более чем самообман.

Человек не способен почувствовать всю остроту и ценность настоящего момента так, как это чувствуют животные, потому что настоящее в его сознании сильно потеснено воспоминани ями о прошлом и мечтами о будущем. Настоящее превратилось для человека всего лишь в тонкую грань между прошлым и бу дущим, не имеющую самостоятельного значения, всего лишь в строительный материал для построения будущего или рестав рации прошлого.

Каждый из нас в возрасте нескольких лет от роду пережил глубокое – возможно глубочайшее в жизни – потрясение от осознания неизбежности конца. Воспоминание о нем, как о ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина всяком травмирующем переживании, глубоко запрятано в под сознании. Мы не помним этого шока и со снисходительным умилением смотрим на маленьких детей, которые плачут от страха смерти, столь еще далекой от них. Да, мы не помним этого потрясения, но шрам от него остался в душе каждого из нас, и на протяжении тысячелетий человеческое подсознание твердит нам «memento mori» («помни о смерти» – лат.). И чело век помнит о смерти, боится ее, страдает при одной только мысли о том, что рано или поздно он должен умереть, и посвя щает всю свою жизнь борьбе по преодолению этого страха.

Где то очень глубоко в нашем подсознании горит и обжига ет душу безумное, неосуществимое, а потому запретное жела ние – быть бессмертным. Почему люди всегда приписывали своим богам бессмертие? Потому что сами мечтали быть бес смертными. Люди верили в загробную жизнь потому, что хоте ли в нее верить, ведь если нельзя быть бессмертным, то можно, по крайней мере, найти какой то заместитель, суррогат бес смертия. Вот почему религия, какую бы извращенную форму она не принимала, не исчезнет с лица Земли, покуда живо об щество, бессмертное по своей сути, но состоящее из множества смертных индивидуумов.

На наш взгляд, мышление трансгуманистов хоть внешне и отличается от религиозного, по сути имеет с ним много общего.

Просто веру в Бога трансгуманисты заменили верой в техничес кий прогресс, а в качестве пророков избрали себе авторитетных ученых. И если религия обещает своим приверженцам вечную жизнь в раю, то имморталисты подходят к решению этой проб лемы «технически», предлагая обеспечить человека индивиду альным бессмертием и, таким образом, избавить его от вышео писанных страданий. Расшифровав генетический код жизни, ученые вплотную подбираются к возможности целенаправлен но и активно замахнуться на процессы биологической эволю ции. Разум и амбиции человека, по чьему то меткому выраже нию, не позволяют ему простить, что “за какой то недоеден ный огрызок яблока его лишили бессмертия”.

Современный трансгуманизм владеет большим арсеналом различных подходов к достижению бессмертия. Некоторые из них довольно любопытны с точки зрения нанотехнологии, по этому с ними мы познакомимся поближе. Следует, однако, сра www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ зу же оговориться, что в настоящее время ни один их этих под ходов “не Но ведь и самолет тоже казался когда то лишь вы думкой фантазеров мечтателей.

Проект первый наномедицина по Фрайтасу Идеи многих великих открытий часто возникают внезапно, рождаясь там, где их никто не ожидал. Так, упавшее с дерева яб локо навело Ньютона на мысль о законе всемирного тяготения, а приснившаяся таблица позволила Менделееву внести свой неповторимый вклад в развитие химии. Также неожиданно обычный треп на форуме сайта Института Предвидения (Foresight Institute) навел Роберта Фрайтаса – автора первой книги о медицинском применении нанотехнологий «Nanomedicine» – на мысль о создании специальных медици нских нанороботов.

Но обо всем по порядку. 14 июня 1996 года Крис Феникс – автор идеи конвергентной нанофабрики, оставил на форуме со общение: “А что если заменить кровь человека 500 триллиона ми роботов?”. Этот “безумный” на первый взгляд вопрос при вел Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом, результатом которого явился 100 страничный труд под названием “Roboblood” (робототехническая кровь), издан ный в 2002 году.

“Roboblood” представляет собой детально рассчитанный проект комплекса медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в человеческом теле, выполняя самые раз нообразные функции крови, включая циркуляцию дыхатель ных газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонен тов, процесс деления цитоплазмы. Впрочем, для своего нано в а с к у л о и д робота ученые придумали другой термин – васкулоид (от лат. vas – сосуд и греч. oidos – подобный).

“Робокровь”, включающая около 500 триллионов микрос копических нанороботов общим весом примерно 2 кг, потреб ляет 30 200 Ватт энергии в зависимости от рода человеческой деятельности. Система соответствует форме кровеносных сосу дов и может служить полной заменой естественной кровенос ной системе. Проще говоря, нанороботы образуют кровенос ную систему и функционируют в ней.

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина Рис 203. Нанороботы в кровеносной системе Подразумевается, что они будут сделаны из алмазоида или другого биосовместимого материала, а биологическое питание будут получать из глюкозы и кислорода.

Какие же преимущества дает такая роботизированная кровь обычному человеку? Возможностей, оказывается, мно жество: это и борьба с болезнетворными микробами, и регуляр ная “чистка” и укрепление сосудов, предотвращающая болезни типа атеросклероза, варикозного расширения вен и т. д., и ав томатическое лечение поврежденных клеток, и даже замена больных генов здоровыми.

Наша кровь – это уникальная система обеспечения жизне деятельности клеток и тканей, состоящая из множества различ ных клеток, выполняющих строго определенные функции. Р.

Фрайтас разработал несколько проектов медицинских наноро ботов различного назначения.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ р е с п и р о ц и т ы Среди них особенно интересны, например, респироциты – искусственные аналоги эритроцитов (красных кровяных телец, отвечающих за доставку кислорода к клеткам). Функциональ ность респироцитов во много раз превосходит природные эрит роциты. Они смогут накапливать в несколько раз больше кис лорода при значительно меньших размерах и энергопотребле нии. Благодаря респироцитам человек сможет часами обхо диться без воздуха (например, плавать под водой) абсолютно без ущерба для здоровья. Кроме возможности переносить боль ше кислорода, для респироцитов характерны также возмож ность перепрограммирования, долговечность и высокое быст родействие.

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.