Научно-исследовательский ядерный университет Московский инженерно-физический институт
Факультет «Автоматики и электроники» Кафедра «Микро- и наноэлектроники»
 Курс «Компьютерный практикум»
Введение в нанотехнологии для
школьников. Модуль «Биология»
Преподаватель: доцент В.А.Лапшинский
Подготовила студенткаА4-09 Малышева Н.В.
Москва 2012 (29.05)
1.Глоссарий
2.Введение
3.Нанобиотехнологии - новый этап развития биологической науки
3.1 Эволюционно обусловленные структурно-функциональные уровни организации живых систем
4. Биомакромолекулы
4.1. Мономеры и биополимеры.
Нуклеиновые кислоты и белки - критическая тройка
Биомакромолекул
4.2. ДНК как носитель и хранитель генетической информации в клетке
4.3. Белки: структурная организация и функции в клетке
5. Неклеточные и прокариотические формы жизни в наноконструкциях и нанобиотехнологиях
5.1.Нанобактерии в системе живой природы
5.2. Нанотехнологии на основе вирусов
6. Нанобиотехнологии в иммунологии
7. Заключение
8. Используемая литература
1.Глоссарий
Нанобиотехнологии - раздел нанотехнологии, занимающийся изучением и воздействием объектов нанодиапазона на биологические объекты и их использованием для развития наномедицины, занимающаяся созданием нанолекарств, диагностических систем на основе наночастиц (иммунохроматографических тестов, дот-анализов, световых и электронномикроскопических иммуноморфологических исследований), разработкой медицинских нанороботов и созданием медицинских наноматериалов.[3]
Нанотехнологии - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.[3]
Наноструктуры - это объекты, размеры которых лежат в диапазоне от 0,1 до 100 нанометров (нанометр - одна миллиардная часть метра, 10-9 метра).[3]
2.ВВЕДЕНИЕ
Век биологии или век вымирания человечества! На пути развития человечества уже зияют на расстоянии в 20-40 лет четыре пропасти, грозящие стать катастрофами человечества.
1. Инфекционно-иммунная катастрофа.
2. Продовольственная катастрофа проявляется уже сейчас.
3. Онкологическая катастрофа.
4. Глобальная экологическая катастрофа рассматривается большинством ученых уже как неизбежная.
Если не предотвратить, то хотя бы отсрочить время указанных ката-строф человечества в состоянии лишь серьезный прорыв в биологических исследованиях.
В настоящее время оформились два направления в создании и развитии нанобиотехнологии.
Задачей первого направления является создание новых материалов, биосенсоров, биоэлектронных устройств, наномашин с биологическими компонентами, биороботов для внутриклеточных манипуляций и доставки веществ (гормонов, ферментов и др.) внутрь клетки.
Второе направление предполагает разработку методов и способов при¬внесения искусственных наноразмерных частиц, технических материалов и интерфейсов в мир живых систем с целью их:
- инструментального исследования;
- диагностики состояния (норма, предпаталогия, патология);
- лечения заболеваний.
3. Нанобиотехнологии - новый этап развития биологической науки
3.1. Эволюционно обусловленные структурно-функциональные уровни организации живых систем
В ходе эволюции живой природы сформировалась иерархия живых сис¬тем, отчетливо проявляющаяся в их многоуровневой организации (рис. 1)
Рис. 1. Уровни организации живых систем: а - молекулярный (флуоресцентная
микрофотография тубулина микротрубочек живой клетки); б - клеточный (фибробласты кожи человека, ядра фибробластов окрашены в синий цвет, цито¬плазма - в красный цвет, актиновые волокна - в зеленый цвет); в - тканевой (нервная ткань)
4. Биомакромолекулы (молекулы биополимеров) как составляющие наномира
4.1. Биомакромолекулы. Мономеры и биополимеры.
Нуклеиновые кислоты и белки -критическая тройка биомакромолекул
Макромолекула - это гигантская молекула полимера, построенная из многих повторяющихся единиц - мономеров. Существует три типа макро¬молекул: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них служат, соответственно, моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.
Молекулы нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) являются носителями ге-нетической информации, необходимой для существования и размножения живой клетки. Белки выступают в роли действующего начала: молекулы белков-ферментов катализируют разнообразные химические реакции, про¬текающие в клетке. Таким образом, ДНК, РНК, белки являются системой макромолекул, ответственных за генетическую информацию и выполняю¬щих над ней различные операции: копирование, хранение, изменение, счи¬тывание, исполнение и т.д.
4.2. ДНК как носитель и хранитель генетической информации в клетке
Материальным носителем генетической информации (наследуемой из поколения в поколение информации о развитии, структуре и жизнедеятель¬ности живых организмов) является ДНК (рис. 3),а в ряде случаев (например, у вирусов) - РНК. Генетическая информация записана в ДНК посредством 4-буквенного алфавита (А, Г, Т, Ц) и отражается в последовательности нуклеотидов, содержащих 4 типа азоти¬стых оснований (аденин, гуанин, тимин, цитозин).
4.3. Белки: структурная организация и функции в клетке
У большинства белков полипептидные цепи свернуты особым обра-зом в компактную глобулу (третичная структура). Прочность глобулы обеспечивается разнообразными связями, возникающими между ради-калами аминокислот.
В качестве основных функций белков можно рас¬сматривать следующие: пластическую (строительную), каталитическую (ферментативную), транспортную, гормональную, защитную, двига-тельную, опорную и формообразующую, энергетическую, рецепторную (чувствительную), запасающую, антибиотическую, токсическую. Среди всех функций, выполняемых белками в клетке, особое место занимают функции транспорта веществ и рецепции.
5. Неклеточные и прокариотические формы жизни в наноконструкциях и нанобиотехнологиях
5.1. Нанобактерии в системе живой природы
Финским ученым Олави Кайандером, сотрудником факультета био-химии университета в городе Куопио, описаны микроорганизмы чрезвы¬чайно малых размеров, которые он назвал нанобактериями (рис. 2).
Рисунок 2. Нанобактерии (белая шкала в правом нижнем углу равна 100нм)
По мнению ученого, эти микроорганизмы могут проникать в тело человека и вызывать тяжелые поражения различных органов. Линейные размеры на-нобактерий лежат в диапазоне от 20 до 150 нанометров
5.2. Нанотехнологии на основе вирусов
Исследователи Массачусетского технологического института провели оригинальный эксперимент: молекулу ДНК со случайной последователь¬ностью нуклеотидов, кодирующих различные белки, включили в состав ДНК бактериофага в таком участке, чтобы белки на ДНК-доноре синте¬зировались на поверхности вируса. Колония таких бактериофагов была помещена в среду, к которой исследователи хотели осуществить адгезию белков. После того как поверхность питательной среды была промыта, на ней остались только те вирусы, поверхность которых содержала адгезив¬ные к субстрату белки. Отобранные вирусы поместили в новую среду и до¬бились роста их колонии. Таким способом можно создавать белки, которые будут соединяться с различными материалами, образуя новые структуры (рис. 3).
Рисунок 3. Механизм формирования проводящей нанонити.
6. Нанобиотехнологии в иммунологии
Развитие нанобиотехнологии открыло перспективы создания препаратов направленного действия (таргентных препаратов), мишенью которых явля¬ются белки, участвующие в канцерогенезе. Разработан и внедряется в меди¬цинскую практику ряд препаратов на основе моноклональных антител.
Перспективной в иммунотерапии рассматривается вакцинотерапия с использованием дендритных клеток, являющихся наиболее мощными антиген-представляющими клетками. Отрабатываются условия слияния опухолевых и дендритных клеток.
Актуальной проблемой иммунологии продолжает оставаться создание лекарственных форм с высокой избирательностью противоопухолевого действия. В последние годы предпринимаются попытки разработать систе¬мы направленной доставки препарата в виде иммунолипосом, позволяющих программировать время нахождении препарата в кровотоке и его накопление в опухоли.
7. Заключение
Задачи этого курса - углубить знания о молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях организации живых систем;
• сформировать у учащихся общее представление о нанотехнологиях и нанобиотехнологиях как особых отраслях науки и производства;
• ознакомить учащихся с основными направлениями и методами исследований в области нанобиотехнологий;
• дать представление о практическом значении разрабатываемых нанобиотехнологий для медицины, экологии, сельскохозяйственного и других производств;
• ознакомить учащихся с перспективами развития нанотехнологий и тем самым расширить их профориентационные возможности. [1]
8. Используемая литература
1. Введение в нанотехнологии. Модуль «Биология». Элективный курс: Учебное пособие для 10-11 классов. – источник моей темы.
2. http://www.valinfo.ru – здесь я нашла ссылку по интересующей меня теме.
3. Wikipedia.org – глоссарий. |
