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

Магнитные свойства наночастиц используются при разработке новых методов выделения и очистки нуклеиновых кислот и белков. На основе магнитных наночастиц создаются высокочувствительные биосенсоры. Они позволяют изучать межмолекулярные взаимодействия (белок–белковые, ДНК — ДНК и ферментативные).

Актуальной областью биомедицинского использования магнитных наночастиц стала разработка новых подходов к лечению онкологических заболеваний. Они основаны на том, что некоторые виды опухолевых клеток более чувствительны к высоким температурам, чем здоровые клетки.

Свойство индуктивного нагревания магнитных наночастиц при изменении внешнего магнитного поля позволят использовать их для гипертермического разрушения опухолевых клеток. При этом английские ученые обратили внимание на то, что выделенные из магнетосом бактерий магнитные наночастицы уничтожают раковые клетки более эффективно, чем синтетические наночастицы.

Магнитные наночастицы применяются в направленной доставке лекарств в химиотерапии опухолей. Это позволяет значительно снизить дозу лекарства, побочные эффекты и нивелировать его негативное воздействие на организм. При связывании противоопухолевого лекарства с магнитной наночастицей его можно направлять к органу или определенным клеткам.

Многие из разработанных в настоящее время методов получения наночастиц дорогостоящи. Данное обстоятельство сдерживает широкое применение нанобиотехнологий. Поэтому представляют интерес исследования, основанные на простых и относительно дешевых способах получения биологических наночастиц с помощью бактерий.

Природными нанообъектами являются синтезируемые бактериями ферменты. Обычно ферменты — это белковые молекулы, молекулы РНК или их комплексы, которые синтезируются в клетках и ускоряют (катализируют) скорость протекания биохимических реакций в миллионы и миллиарды раз. Так, одна молекула фермента каталазы за 1 сек расщепляет до 10 000 молекул опасной для клеток перекиси водорода.

Молекулы ферментов участвуют в осуществлении всехпроцессовобмена веществ и реализации генетической информации. Без участия ферментов невозможны переваривание и усвоение пищевых веществ, синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов в клетках.

В клетках бактерий большинство ферментов синтезируется под воздействием какого–либо вещества (индуктора), чаще всего субстрата. При отсутствии этого вещества контролирующие синтез фермента гены заблокированы, а фермент содержится лишь в незначительных количествах.

Важное преимущество бактерий как источников получения ферментов — возможность повышения их продуктивности методами селекции, мутагенеза, генной инженерии. Изменяя состав питательной среды, можно регулировать образование ферментов бактериями.

Устройства, в которых осуществляются биохимические реакции с участием бактерий, называют ферментерами, или биореакторами . Такое устройство может содержать большое количество бактерий или смесь реагентов и ферментов.

Совокупность последовательных операций: от внесения бактерий в заранее приготовленную и нагретую до требуемой температуры среду до завершения процесса роста клеток или биосинтеза целевого продукта называют ферментацией. По окончании ферментации образуется сложная смесь, состоящая из бактерий, раствора непотребленных питательных компонентов и накопившихся в среде продуктов биосинтеза, например ферментов.

Важным свойством ферментов является способность сохранять эффективность и специфичность действия за пределами клетки. В отличие от химических катализаторов, ферменты нетоксичны. Они функционируют в мягких условиях, используют «доступное сырье, включая отходы. Катализируемые ферментами реакции применяются для обеспечения нанотехнологических циклов за пределами организма, получения искусственных наноматериалов.

Ограниченность запасов углеводородов вынуждает ученых искать новые способы получения топлива. Одним из таких методов является производство биотоплива с помощью сине–зеленых водорослей (цианобактерий). Ученые предполагают, что к 2050 г. биотопливо будет составлять более | четверти производимого в мире топлива.

Суть производства биотоплива с помощью сине–зеленых водорослей состоит в том, что в молекулу ДНК этих микроорганизмов ученые встроили ген, контролирующий образование большого количества этилового спирта (этанола). Затем в ДНК цианобактерий встроили второй ген, ограничивающий естественную тенденцию этих водорослей к максимальному росту и размножению. Под действием второго гена сине–зеленые водоросли размножаются всего несколько дней. Затем они переключаются на синтез этилового спирта, используемого в качестве биотоплива. Этот метод позволил добиться максимального выхода этилового спирта при минимальной биомассе водорослей.