Нанобиотехнологии

Нанобиотехнология открыла новые широчайшие возможности не только для самой биологии, но и для ее практического применения в медицине, сельском хозяйстве, экологии, а также в информатике, электронике, других отраслях, могущих использовать принципы функционирования живых систем. Фундаментальные исследования, которые ведут академические институты, позволили Комиссии РАН по нанотехнологиям сформировать следующие пять основных стратегических направлений развития нанобиотехнологии.

1. Нанодиагностика и нанодетекция. Это конструирование биологических узнающих систем. Исследователи разрабатывают наноструктурные системы детекции биоорганических субстанций, бактерий, вирусов для использования в молекулярной биологии, медицине, экологии, криминалистике. Создаются нанобиосенсоры для генодиагностики, наркодиагностики, мониторинга лекарств, нанокомплексы, пригодные для внутривенного введения, состоящие из биосенсоров с наночастицами, которые регистрируются физическими приборами, расположенными вне тела (ядерно-магнитный резонанс, ультразвуковые и другие исследования). В рамках этого направления будут разрабатываться системы гигиенического надзора безопасности нанотехнологического производства и нанопродукции и фактически будет создана отдельная дисциплина – наноэтика. [14].

2. Второе направление – нанолекарства. Это конструирование новых лечебных препаратов. Создаются лекарства для клеток-мишеней и клеточных наноструктур, включая генотерапию, новые противоопухолевые, кардиотропные и психотропные средства, новые антибиотики, иммуномодуояторы, аллерготропины и наноантитела для лечения иммунодефицитов, аллергии, опухолей и аутоиммунных заболеваний. Ученые работают над адресным преодолением клеточных мембран, различных биологических барьеров для адресной доставки лекарств.

3. Третье направление – нановакцины. Это конструирование иммуногенов, миниантител, наноантител. В первую очередь, речь идет о создании вакцин нового типа против туберкулеза, СПИДа, гепатитов, гриппа и других новых и возвращающихся социально-значимых инфекций. С помощью нанотехнологий становятся возможными противоопухолевая защита организма, адресное стимулирование или подавление его иммунитета.

Нанотрансгенез, или трансгенное наноконструирование. Это трансгенез бактерий, вирусов, создание различных векторных наноконструкторов. Трансгенез растений позволяет создавать новые эффективные гармоны и вакцины, трансгенез животных – новые породы, новые биологические материалы.

Наконец, нанобионика. Создание нанокомпонентов для новых кровезаменителей, наногубок и нанотрубок для депонирования в тканях биоактивных субстанций, безаллергенных биоматериалов, энерготрансформирующих наносистем и нанороботов. Здесь же создание модельных живых клеток и искусственных вирусов.

· Вакцину против птичьего гриппа тоже можно создать с помощью нанобиотехнологии?

· Вообще будущее вакцинологии – это нановакцины, то есть сконструированные под определенную задачу. Яркий пример – ужу существующая вакцина против рака шейки матки. Это вакцина – церварикс – построена на основе самоорганизации поверхностных вирусных субъединиц.

· Но не всегда достижения науки идут на пользу людям, уже есть серьезные претензии и к нанотехнологиям… [14].

В рамках общегосударственной программы по нанобиотехнологии будет развиваться направление наноэтики. Конечно, мы должны четко представлять себе последствия того или иного шага в нанобиоконструировании. Например, биоэтика уже широко охватывает процессы нашего понимания сути жизни, значения человека. Знаете, какой главный этический тезис ООНовской декларации «Геном человека и права человека»? Интересы индивидуума выше интересов человечества! Если действительного относиться к индивидууму именно так, то никогда его права не будут нарушены.

Наноестествознание делится на две части. Первая – рутинная, традиционная область, по сути, эволюционное развитие наших знаний о природе. Входящие в этот круг наноэлектроника и наноматериаловедение – очень важные сферы деятельности как с научной, так и с практической точек зрения, но новой философии они не несут. В наноэлектронке российские ученые традиционно сильны, поскольку начали заниматься ею задолго до нынешнего нанобума. Широким фронтом в этом направлении ведет работы научная школа академика Жореса Алферова. А ведь нанонаука имеет еще одну ветвь, очень важную и протяженную, но мало разработанную – на стыке биологии с физикой, химией и математикой. Понятно, что нано – синтетическая область, успехов в которой можно достичь, только объединив усилия множества специалистов. Ясно нам и то, что нанотехнологии дают возможность моделировать устройства, которые по своим функциям и сложности сравнимы с биологическими материалами. В частности, можно искусственно воссоздавать органы человека – и мыслительные, и чувственные. Но, как это сделать, мы пока не знаем. Чтобы подступиться к решению данного класса задач, надо понять структуру живой материи. Это грандиозная проблема, стоящая перед всем человечеством [15].

Но говорить о структуре органического вещества на языке, аналогичном тому, которым описывается строение неорганической материи, мы пока увы, не умеем. Его просто нет этого языка. Мы не знаем ни простейших элементов строения живой ткани, ни способов их организации, ни принципов взаимодействия между различными иерархическими уровнями. Человечеству предстоит понять, что объединяет элементы структуры живой материи в единое целое – в травинку или мышцу, а потом создать систему кодов для описания этой взаимосвязи. Этот новый язык должен будет оперировать понятиями, сходными с теми, на которых строится современная кристаллография. Для его создания нам надо совершить качественный скачок – перейти от описания «устройства» отдельной клетки к осмыслению общих закономерностей строения органических веществ [15].

· Какие яркие научные открытия последних лет были связаны с выяснением структуры биомолекул?

· В последние полвека за расшифровку структур биомакромалекул и создание необходимой методологии присуждено семь Нобелевских премий. Впервые пространственные структуры были получены для достаточно простых белков – миоглобина и гемоглобина (Нобелевская премия 1962 года). Это был настоящий прорыв в новый прекрасный и интригующий мир, в котором действуют сложные «макромолекулярные машины». В 1988 году Нобелевская премия была присуждена за расшифровку структуры фотосинтезирующих реакционных центров, а в 1997 году – за выяснение структуры и механизма действия фермента АТФазы, своеобразной машины с молекулярным «ротором» и «статором», отвечающей за синтез универсального аккумулятора энергии в живых организмах [16].

Одним из выдающихся достижений молекулярной биологии стала расшифровка структуры рибосомы. Над решением загадки этого сложнейшего комплекса, состоящего из десятков различных белков и нуклеиновых кислот, годами бились многонациональные коллективы исследователей. Окончательное понимание того, как рибосоме удается с высокой скоростью и исключительной точностью синтезировать белки в живых организмах, пришло только после определении ее структуры. Еще один пример уникальной молекулярной машины, архитектуру которой нам еще только предстоит понять, – так называемая сплайсома. Этот сложный комплекс обеспечивает возможность синтеза различных белковых молекул с использованием одного и того же первичного шаблона РНК, кодирующие и некодирующие участки которого по-разному сортируются [16].

Все эти молекулярные комплексы работают удивительно красиво и элегантно! Их функции – синтез белка, высвобождение и аккумулирование энергии – это фундаментальные процессы, лежащие в основе существования всех живых систем.

· Какие задачи можно решать, зная структуру биомалекул?

Во-первых, ученые пытаются решить чисто фундаментальную проблему: выявить конечное число типов структурной организации белков. Каждый раз, когда удается найти новый структурный ансамбль, это становится вкладом в мировую науку.

Во-вторых, знание структур биомалекул помогает при поиске новых лекарственных препаратов. Структурные исследования белков-мишеней для потенциальных лекарств являются обязательным элементом любого проекта по драгдизайну («конструированию» молекул для лекарственных препаратов). Мы должны либо смоделировать белок, на который направлено действие лекартсвенного препарата, чтобы они правильно и эффективно взаимодействовали, либо определить структуру уже существующего комплекса (белка-мишени и лекарства) и посмотреть, что можно «подстроить» в схеме, чтобы достичь наилучшего результата.

Огромный пласт задач связан с промышленными технологиями. Например, на производстве нужно улучшить стабильность или активность фермента, который катализирует многотоннажный технологический процесс. Можно делать это методом подбора, но лучше иметь детальный план-структуру молекулы. Во втором случае понятно, где и что надо поменять: «укрепить» какие-то участки, чтобы улучшить термостабильность, или, наоборот, ослабить, чтобы увеличить активность. Чем детальнее план – тем удобнее работать [16].