ООО «Издательство Агрорус»

Свежий номер # 04 за 2019 г.

Подписаться на бумажную версию газеты

Основные направления развития нанобиотехнологий

Считается, что нанотехнологии — это начало третьей научно-технической революции (НТР-3) — появления новой реальности, которая меняет облик мира уже в начале XXI века.

К миру наноструктур (наномиру) относятся объекты или связанные структуры, имеющие характерные размеры от долей нанометpa до сотен нанометров. Приставка «нано» означает десять в минус девятой степени, то есть миллиардные доли метра — размеры нанообъектов. Нижняя граница определяется классическим радиусом атома порядка 0,1 нанометра, верхняя — размерами до 0,1 микрометра(100 нм), т.е. размеров биомолекул, при которых утрачивается специфика поведения и свойств наночастиц.
Термин нанотехнология (nanotechnology), впервые ввел Эрик Дрекслер, напечатав в 1986 г. книгу «Машины созидания. Грядущая эра нанотехнологии». Нанотехнология обещает проникнуть во все сферы деятельности человека, кардинально изменить производство, экономику и жизнь в целом, подобно тому, как это случилось в результате компьютерной революции в конце XX века. Отчетливо видны перспективы использования нанотехнологий в медицине, биологии, химии и многих других отраслях. С помощью нанотехнологий уже созданы уникальные материалы, разработаны невозможные ранее методы исследований.
Так, получены материалы с наночастицами серебра, обладающие антибактериальными свойствами. Белье из такого материала может носиться в течение длительного времени без стирки. Такие материалы используют в сельском хозяйстве, например в доильных аппаратах, решают проблему загрязнения фильтров любых кондиционеров. Разрабатываются материалы для клеточных технологий; создаются биосовместимые полимеры, как синтетические (лавсан, тефлон), так и биодеградируемые — природные (хитозаны, ацетилцеллюлоза и др.) и бактериального (полиоксиалканоаты) происхождения. Например, если тефлон, подвергнуть ионно-плазменной обработке и на его поверхности создать рельеф с заданной шероховатостью, то этот полимер приобретает абсолютно новые, уникальные свойства, например, антибактериальную активность. Это значит, что можно обеспечить уменьшение в воздухе и различных средах концентрацию патогенных бактерий и грибов при контакте их с пленкой, обработанной таким образом. Зависимость антибактериальной активности от геометрических и энергетических параметров поверхности имеет пороговый характер. В России уже сделан научно-практический задел в направлении использования наноматериалов для восстановления механических свойств зубной эмали. Ведутся разработки и в области технологии обработки поверхностей методом нанонапыления с целью придания им антибактериальных свойств.
Другое направление связано с созданием полифункциональных композитных материалов на базе интеграции синтетических и природных наноструктурированных полимеров, например, хитозана, и наноматериала в виде фуллерена. Такой нанокомпозитный биоматериал обладает противоопухолевыми, антибактериальными и иммуномодулирующими свойствами.
Сейчас на основе нанопор создаются молекулярные детекторы, которые позволяют решить задачу прочтения индивидуальных геномов. Регистрации чувствительности детектирования достаточно для того, чтобы различать различные типы нуклеотидов в составе цепочки ДНК. При этом чтение последовательности нуклеотидов происходит со скоростью в сотни тысяч раз большей, чем при использовании стандартных методов последовательности нуклеотидов ДНК.
В настоящее время наиболее развитые разделы нанобиотехнологии — это расшифровка геномов различных организмов, в том числе и человека, генная инженерия, использование органических молекул в электронных чипах, внутриклеточные манипуляции и многое другое.
Наиболее безопасные, практически важные направления, которые развиваются в области нанобиотехнологий в последнее время, относятся к разработкам методов последовательности нуклеотидов в ДНК и выявления полиморфизма геномов. Это позволяет вести поиск белков-маркеров патологических состояний, разрабатывать новые технологии повышения концентрационной чувствительности и производительности молекулярной диагностики. Нанобиотехнологии вносят существенный вклад в развитие методов оценки биобезопасности генетически модифицированных продуктов, а также оптимизации методов генной терапии.
Большое значение для определения нуклеотидной последовательности и изучения полиморфизма геномов получило развитие методов использования ДНК-микроматриц (ДНК-чипов). Микроматрицы ДНК — техническое достижение в цепочке методов нанобиотехнологий, использующих принципиальное свойство двойной спирали ДНК — комплементарность последовательностей двух цепочек.
Микроматрицы (микрочипы), содержащие тысячи иммобилизованных фрагментов нуклеиновых кислот, доступных для исследований, являются основой развития новой области молекулярной генетики — геномики (науки о геноме). Очевидно, что фундамент этой новой науки составляют определение первичных последовательностей ДНК, их физическая упорядоченность в геномах, размах и закономерности их полиморфизма, скорость эволюции. Использование микроматриц позволяет создавать ДНК-диагностикумы для выявления мутаций в структурных генах.
Технология микрочипов ДНК дает возможность осуществлять мониторинг экспрессии большого количества генов и изучать профили генной экспрессии различных клеточных популяций на разных стадиях развития, цитодифференицировки и органогенеза Изучение изменений профилей генной экспрессии широко используется для выявления генных ансамблей, транскрипция которых меняется в ответ на различные регуляторные воздействия, в частности, при индукции клеточного деления и прохождении различных стадий клеточного цикла, на регуляторы клеточной дифференцировки, индукторы запрограммированной клеточной гибели. Возможность одновременного наблюдения за изменением экспрессии очень большого числа генов в строго контролируемых условиях открывает новые перспективы функционального исследования генома как единого целого.
Несмотря на большие методические трудности и дороговизну, микроматрицы ДНК находят свое применение как в фундаментальных исследованиях, так и в решении прикладных задач. Основные проблемы при использовании этих методов в ограничении по чувствительности обнаружения гибридизационных сигналов и по специфичности гибридизации, трудности в количественной оценке сигналов и обработке большого количества получаемых данных с целью их интерпретации, а также высокая стоимость микрочипов ДНК.
Предполагается, что объем рынка нанотехнологий через 10—12 лет сравняется с рынком информационных технологий, а потом и обгонит его. Нанотехнологии признаны основной движущей силой науки и техники XXI века. К 2015 г. мировой рынок продукции нанотехнологий составит по оценкам экспертов триллион долларов, а потребность в специалистах — два миллиона человек.
Под эгидой организации ФАО создана база данных о 160 проектах использования нанотехнологий в сельском хозяйстве, которые финансировались и разрабатывались в 2006 г. Большинство из них связано с пищевой промышленностью, использованием наноматериалов для упаковки пищевых продуктов или определения и, в отдельных случаях, нейтрализации опасных токсинов, аллергенов или патогенов.
Развиваются проекты по созданию и улучшению пищевых добавок. Например, разрабатывается технология получения растительного масла с нанодобавками, которые вызывают кластеризацию жирных кислот и препятствуют поступлению холестерина в кровь млекопитающих. Создаются добавки, которые делают шоколад более мелкодисперсным.
Другая группа проектов направлена на развитие более эффективных и средосберегающих агротехнологий. Это, например, использование наноматериалов для очистки вод в агроэкосистемах, или их применение для переработки отходов растениеводства в этанол. Проводится разработка проектов с использованием наноматериалов для более точной и безопасной доставки пестицидов к биологическим мишеням, питательных веществ — к растениям.
В этих проектах используются следующие технологии: транспортные процессы (наноматериалы, как агенты транспорта химических соединений, молекул и т.д.), биоселектирующие поверхности (наноматериалы с увеличенной или сниженной способностью связываться со специфическими молекулами или организмами), биоразделение (наноматериалы или нанопроцессы, которые способствуют разделению молекул, биомолекул или организмов), микропотоки (потоки в наношкале, которые используются для разделения, контроля или анализа состава, состояния свойств исследуемых объектов) и миикроэлектромеханические системы (позволяют исследовать каналы и поверхности, потоки вещества через них), нанобиопроцессинг (использование нанотехнологий или биотехнологических процессов для создания веществ с желательными свойствами), биоинженерия нуклеиновых кислот (использование ДНК в качестве блоков для формирования наночастиц или использования наночастиц для генной инженерии), адресовка веществ (использование наноматериалов для адресной доставки веществ к клеткам-мишеням у животных), моделирование (использование нанотехнологий для построения моделей наноматериалов и их применения в сложных системах).
По направлению исследований выделяются следующие проекты использования нанотехнологий:
биосенсоры — контроль биологических процессов или биомолекул, или определение биомолекул, биохимических процессов, или организмов;
— защита окружающей среды («зеленая» инженерия) — изучение состояния окружающей среды, удаление загрязнителей или уменьшение отходов, включает также изучение средовых эффектов наноматериалов;
— устойчивое сельское хозяйство — уменьшение его разрушающего действия на окружающую среду, качество питьевой воды, а также для получения конечной продукции менее энергоемким путем;
— определение патогенов — определение патогенов в окружающей среде, организмах животных и растений, кормах, конечной сельскохозяйственной продукции;
— растениеводств и животноводство — селекционная работа, включая методы трансгеноза или клонирования, повышение устойчивости растений к биотическим (сорняки, болезни, вредители, высокие температуры, заморозки, засухи и т.д.) и абиотическим (обработки пестицидами) стрессорам, а также использование растений (рапс, кукуруза, подсолнечник, сахарный тростник и других) для получения биотоплива;
— низкотемпературная досушка с обеззараживанием зерна и плодов;
— ветеринария — улучшение здоровья животных, повышение безопасности пищевой животноводческой продукции, формирование оптимального микроклимата;
— пищевая промышленность — повышение питательной ценности продуктов, совершенствование технологий переработки пищевого сырья и улучшение качества пищевых продуктов, обеспечение потребностей диетического питания, а также методы ультрафильтрации, позволяющие управлять цветом, ароматом и другими свойствами конечной продукции;
— нанобиопромышленные продукты — получения продуктов, необходимых промышленности (например, энергоисточники) из сельскохозяйственного сырья или отходов сельского хозяйства;
— сельскохозяйственная техника — нанопорошковые материалы, повышающие ресурсы машин (увеличение стойкости к температуре, влаге, износу и т.д.); упрочнение режущих элементов; нанодобавки к шинам, маслам; уменьшение вредных выбросов;
— наноэлектробиотехника — модификация биологических и физиологических процессов на уровне клетки с помощью наночастиц за счет воздействия электронов, протонов, ионов, фотонов; направленное влияние оптического излучения (УФ) на сельскохозяйственные объекты;
— наномембраны и пленки — светотрансформирующие пленки, мембраны для очистки воздуха и воды, опреснения морской воды; пленки с наночастицами серебра для бактерицидных фильтров, в том числе для молочной промышленности, а также как элемент упаковочного материала; использование силатранов, кремнийорганических биостимуляторов; разработка самоочищающихся кремниевых мембран.
Объем современных ежегодных инвестиций в реализацию третьей научно-технической революции можно оценить в 20—50 млрд долл. Ожидается, что именно ее достижения и будут лежать в основе устойчивого развития, декларировавшегося на Всемирной встречи на высшем уровне, проведенной под эгидой ООН в Иоганнесбурге (ЮАР) 26 августа — 4 сентября 2002 г. Принятая на этом саммите Декларация глав государств заканчивается словами: «Мы торжественно обязуемся перед народами мира и перед поколениями, которые неизбежно унаследуют нашу Землю, решительно действовать для обеспечения того, чтобы наша общая надежда на устойчивое развитие сбылась».
В.И. Глазко, доктор сельскохозяйственных наук, специально для газеты "Защита растений"

Новое место статьи