| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Нанобиореакторы
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (НИЯУ МИФИ) Факультет автоматики и электроники, группа А4-09
Нанобиореакторы
 Студент Петров Т. С. Преподаватель доцент Лапшинский В. А.
Москва 2011
Содержание
1. Введение
2. Общие понятия
2.1 Нанобиотехнологии
2.2. Основные направления
2.3. Использование живых объектов в нанобиотехнологических целях
3. Использование бактерий для получения наночастиц
4. Нанобиореакторы как устройства для производства ферментов
4.1.1 Ферменты
4.1.2. Функции ферментов
4.2.1. Биореакторы
5. Тенденции развития нанобиотехнологии в будущем
6. Заключение
Введение
Нанобиореакторы реализуют процессы синтеза или размножения определенных видов наноразмерных объектов органической и неорганической природы. Искусственные реакторы, основанные на периодическом колебании температуры, могут продуцировать – реплицировать определенные участки генома, которые отражают его свойства. Такая репликация также позволяет выявить тончайшие нарушения на уровне ДНК, ответственные за возникновение болезней.
Естественными биореакторами являются клетки, попадание в которые вирусов обеспечивает развитие последних. Однако, сами бактерии могут выполнять функции реакторов и синтезировать в них неорганические вещества, например, минерал-магнетит или кластеры других металлов.
Общие понятия
1. Нанобиотехнологии
Нанобиотехнологии - междисциплинарная область. Специалисты, работающие в области нанобиотехнологий, используют фундаментальные знания, накопленные в предыдущие периоды развития науки, для конструирования аналогов живых объектов или их частей и придания им свойств, сравнимых или превосходящих по своим характеристикам живые системы.
Главная составляющая нанобиотехнологий — медицинская. Сюда относятся и создание новых систем диагностики и контроля, необходимых, например, для проведения адекватной, и, более того, персонализированной терапии, и разработки новых лекарственных соединений и систем адресной доставки лекарств. Кроме того, окажется возможным создание новых биосовместимых материалов, с помощью которых будет возможно замещать поврежденные ткани и органы.
Поэтому основная цель нанобиотехнологии – копирование известных, изученных макромолекул и молекулярных комплексов или их функций для восполнения дефектов, накапливающихся в процессе функционирования сложной биологической системы – клетки, ткани, органа, организма, замещение отработавших свой срок биоструктур на искусственные, выборочное удаление патологически измененных клеток, тканей и органов для предотвращения процессов деградации, малигнизации и обструкции органов и тканей.
2. Основные направления в нанобиотехнологиях
Действительно, если более пристально посмотреть на область нанобио, то можно выделить три главных направления ее развития. Первое — нанобиотехнологии живых систем, — направление, подразумевающее придание живым системам (прежде всего микроорганизмам) путем направленной модификации свойств, необходимых для обеспечения определенной функции (или даже технологического цикла при создании полностью искусственных наноконструкций). Плюс к этому — использование микроорганизмов как продуцентов наноматериалов
Второе направление — «полусинтетические» нанобиотехнологии. Здесь речь идет об использовании биополимеров – белков, нуклеиновых кислот, других молекул и их комплексов для создания различных нанобиотехнологических устройств (биомоторов, пор, сенсоров и т.д.). Далее — использование принципов самосборки или синтеза органических и неорганических молекул для создания устройств, выполняющих строго определенные функции копируемой биологической структуры. Возможно и создание биокомпьютеров на основе процессов самосборки макромолекул. Такие биокомпьютеры смогут применяться для диагностики заболеваний.
Наконец, третье направление — «синтетические» нанобиотехнологии, они являются предшественницами технологий создания устройств, предназначенных для исправления молекулярных ошибок и первичной диагностики соcтояния организма, тканей, клеток. Здесь речь идет об использовании явления самосборки или синтеза органических и неорганических молекул для создания устройств из многочисленных атомов, упорядоченных друг относительно друга и выполняющих строго определенные функции копируемой биологической структуры.
Magnetospirillum magneticum с цепочками магнитосом внутри (a); нанокристаллы магнетита, соединенные фосфолипидной мембраной (b)
3. Использование живых объектов в нанобиотехнологических целях
Прежде всего надо сказать о получении в естественных биореакторах — бактериальных клетках — различных наночастиц (магнитных, квантовых точек и других). Например, синтез частиц магнетита — Fe3O4 — клетками магнетотактильных бактерий Magnetospirillum magneticum. Любопытно, что размеры наночастиц зависят от условий культивирования бактерий. Важно и то, что такая «продукция» бактериальных клеток окружена мембраной, поэтому их легко выделять из раствора. Более того, к настоящему времени уже определены последовательности генов Magnetospirillum magneticum, ответственных за синтез наночастиц. Поэтому, используя методы генной инженерии, также можно направленно влиять на параметры получаемых наночастиц.
Использование бактерий для получения наночастиц
Наряду с ферментами с помощью методов биотехнологии получают аминокислоты, витамины, органические кислоты (уксусную, лимонную), антибиотики, вакцины, сыворотки. Естественные биореакторы (микроорганизмы) могут быть использованы для получения различных наночастиц (магнитных, квантовых точек). Например, клетки магнетотактильных бактерий могут синтезировать частицы магнетита (Fe3O4), при этом размеры наночастиц зависят от условий культивирования бактерий (рис. 47). Важно и то, что такая «продукция» бактериальных клеток окружена мембраной, поэтому частицы магнетита можно легко выделять из раствора. К настоящему времени уже определены последовательности генов магнетотактильной бактерии, ответственных за синтез наночастиц. Следовательно, используя методы генной инженерии, можно направленно изменять параметры получаемых наночастиц. Полученные таким образом наночастицы могут найти применение в самых разных областях: например, в диагностике с использованием иммунохимии, в системах разделения клеток (клеточной сепарации), выделения нуклеиновых кислот, в контроле за адресной доставкой лекарств.
Микроорганизмы-нанобиореакторы
Некоторые микроорганизмы, помещенные в раствор солей золота, способны действовать как химический восстановитель, превращая внутри своих клеток ионы золота в наночастицы металла диаметром от 5 до 15 нм (рис. 48). Получать ранее частицы в таком узком диапазоне размеров биологическими методами не удавалось. С помощью данного метода можно получить наночастицы серебра, а также сплавов золота и серебра, которые находят широкое применение в различных нанотехнологических производствах.
Нанобиореакторы как устройства для изучения и производства ферментов.
1.1. Ферменты
Модель фермента нуклеозид-фосфорилазы
Ферме́нты или энзи́мы - обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества — продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу). Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы — повышают, ингибиторы — понижают). Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК — в ядре.
1.2. Функции ферментов
Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах — ими катализируется более 4000 разных биохимических реакций. Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.
Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность — константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10−10 моль/л и менее. Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду. Например, одна молекула фермента ренина, содержащегося в слизистой оболочке желудка теленка, створаживает около 106 молекул казеиногена молока за 10 мин при температуре 37 °C. При этом эффективность ферментов значительно выше эффективности небелковых катализаторов — ферменты ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы — в сотни и тысячи раз.
Следует особо обратить внимание на те свойства микроорганизмов, которые позволяют использовать их в промышленности для получения разнообразных органических соединений, в том числе ферментов. Главным критерием при выборе микроорганизма-продуцента является способность синтезировать целевой продукт. Кроме того, «промышленные» микроорганизмы должны обладать высокой скоростью роста, утилизировать необходимые для их жизнедеятельности дешевые субстраты, быть резистентными к посторонней микрофлоре, т.е. иметь высокую конкурентоспособность. Важным преимуществом микроорганизмов как источников получения ферментов является возможность повышения их продуктивности методами селекции, мутагенеза, генной инженерии, а также путем изменения состава питательной среды. Последнее возможно благодаря тому, что большинство ферментов бактериальной клетки являются адаптивными, т.е. синтезируются только под влиянием соответствующих субстратов.
Классификация ферментов в зависимости от механизма их образования
2.1. Биореакторы
Понятие биореактор - неоднозначностый термин. Например, биореакторами или ферментерами называют устройства, в которых осуществляются биохимические реакции при участии живых микроорганизмов, клеточных экстрактов или ферментов. Часто термин «биореактор» относят к сосуду, в котором растут микроорганизмы. В то же время биореакторами, своеобразными «биологическими фабриками» по производству белковых препаратов, могут выступать отдельные микроорганизмы или растения.
Важно отметить, что живые организмы используются не только для получения органических веществ (аминокислот, витаминов, уксусной и лимонной кислот, антибиотиков, вакцин, сывороток), но и для получения различных наночастиц, т.е. могут выступать в качестве нанобиореакторов. Существующие в настоящее время методы получения наночастиц дорогостоящи, что зачастую сдерживает широкое применение достижений нанотехнологии. В связи с этим представляют интерес исследования биологов, ботаников и биохимиков, предложивших более простой и дешевый способ получения наночастиц с помощью «живых нанореакторов» – растений и микроорганизмов.
В 2002 году исследователями Национального университета города Мехико и Техасского университета обнаружена способность люцерны накапливать наночастицы золота диаметром 2-20 нм (в ходе эксперимента растения «питали» раствором солей золота). По словам одного из участников этого исследования профессора М.Х. Якимана, «потрясающе удивительным было то, что металл вовсе не был равномерно распределен в растении, а осаждался в виде кластеров и наночастиц, напоминая квантовые точки электронных приборов; первоначальный проект по очистке загрязненных территорий от металлов превратился в исследование по нанотехнологии». При этом извлечение золота из растений, по его мнению, не представляет трудностей: достаточно лишь растворить органическую массу, а регулирование кислотности питающих растворов позволит управлять формой наночастиц.
В последующем изложении материала остановимся на других примерах нанобиореакторов. Так, наночастицы золота могут образовываться и в некоторых видах микроскопических грибов. Исследователям из Национальной химической лаборатории и Медицинского колледжа вооруженных сил (Индия) удалось получить наночастицы диаметром 25 нм с помощью грибов Verticillium sp., культивируя в среде, содержащей AuCl4. Клетки грибов при насыщении частицами меняли свой цвет с золотисто-желтого на фиолетовый. Листья герани, выдержанные 3-4 часа в растворе солей золота, содержат сферические, стержнеобразные и пирамидальные золотые наночастицы размером около 10 нм. Выяснилось, что здесь «работают» микроскопические грибы, растущие на листьях герани, в частности, Colletotrichum. Наночастицы металлов можно получать и с помощью бактерий, в частности, р. Rhodococcus. Клетки магнетотактильных бактерий Magnetospirillum magneticum могут синтезировать частицы магнетита (Fe3O4), при этом размеры наночастиц зависят от условий культивирования бактерий.
Наночастицы, получаемые с помощью бактериальных клеток, окружены мембраной, поэтому их можно легко выделять из раствора. Полученные таким образом наночастицы могут найти применение в самых разных областях: например, в диагностике с использованием иммунохимии, в системах разделения клеток (клеточной сепарации), выделения нуклеиновых кислот, в контроле за адресной доставкой лекарств. С помощью наночастиц золота предполагается создать нанокомпьютер, напоминающий нейронную сеть мозга. Описан эффективный метод обнаружения ДНК по изменению окраски с помощью золотых частиц диаметром около 13 нм. Наночастицы можно использовать в качестве «меток» для белков, нуклеиновых кислот и других биологических молекул. Перспективно их применение для диагностики болезней, управления генами и ферментами. Разрабатывается новый метод лечения опухолевых заболеваний путем прививки цитотоксинов (ядов, разрушающих клеточные мембраны) к наночастицам золота диаметром около 25 нм и доставки этих частиц по кровеносным сосудам непосредственно к больному органу, без отравления всего организма.
Тенденции развития нанобиотехнологии в будущем
Быстрое развитие нанобиотехнологии и смежных нанотехнологических дисциплин обуславливает привлечение новых исследовательских групп и целых институтов в эти исследовательские программы. Большинство нанобиотехнологичеких проектов находятся на стадии инициации или получения первых результатов. Однако инструментарий, идеология и технология «нанобио» уже сформированы. Как это нередко бывает в современных технологических дисциплинах, процессы, происходящие в разных лабораториях и компаниях, взаимодействуя друг с другом, начнут в ближайшее время давать первые практические результаты. Появление на коммерческом биотехнологическом рынке новых систем для определения нуклеотидной последовательности ДНК, нанодозаторов, микрофлюидных лабораторий знаменует постепенный переход биотехнологий в другой формат исследований и неизбежно даст иное качество получаемых результатов. Усложнение технологий и их комплексность потребуют четкой кооперации различных исследовательских групп для достижения поставленной цели. Поскольку нанобиотехнологии являются в настоящее время мультидисциплинарной наукой, участие одной-единственной исследовательской лаборатории в этом процессе оказывается малоэффективным. Фактически, речь идет о создании технологических платформ — совокупностей идей, компетентных специалистов, материально-технического оснащения, которые действуют на стыке разных дисциплин. Поэтому, например, неслучайно участие в нанобиотехнологических проектах коллективов, которые разрабатывают концепцию системной или синтетический биологии. В конечном счете, объем и качество накапливаемых в ходе системных биологических исследований знаний обусловят прогресс в нанобиотехнологиях. |
Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: Тимофей (05.10.2011)
| Автор: Тимофей 
|
| Просмотров: 2479
| Рейтинг: 5.0/1 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
