Нанобиотехнологии: современное состояние и перспективы развития

    Из  числа новых методик в первую очередь следует назвать секвенирование с помощью нанопор. Концепция использования небольших по своим размерам отверстий — пор — была развита в компании Coulter, которая использует поры для подсчёта частиц от субмикронного до миллиметрового размера. Регистрация молекул ДНК происходит следующим образом. Молекулы суспендированы в растворе электролита, разделённом на два резервуара. На стенки канала, соединяющего резервуары, подаётся заданное напряжение, и молекулы нуклеиновых кислоты начинают проходить через канал. Когда отдельная молекула входит в канал, в нём возрастает электрическое сопротивление, по изменению тока и осуществляется регистрация каждой новой молекулы.

    В настоящее время существует два  подхода:

• использование пор из молекул белка (например, α-гемолизина) и
• создание неорганических пор с большим временем жизни.

    Основная  цель разработчиков новых технологий секвенирования молекул ДНК (её пока не удаётся достичь) — научиться распознавать отдельные нуклеотиды в составе молекулы ДНК или РНК. Идея исследователей состоит в том, что электрические характеристики при прохождении через канал разных нуклеотидов будут отличаться. Понятно, что требуется минимизировать длину канала для обеспечения высокого разрешения. Однако достичь необходимой стабильности канала существующими технологическими приёмами невозможно. Эта разработка потребует новых усилий — в частности, создания методов формирования пор в ультратонких (толщиной два-три нанометра) плёнках.

    Следующая область диагностики — нанопротеомика. Собственно, термин «нанопротеомика» был впервые предложен нашим соотечественником — профессором Александром Арчаковым, он означал использование метода атомно-силовой микроскопии для идентификации отдельных белковых молекул или их комплексов. Согласно идеям Александра Арчакова и соавторов, молекулярная диагностика должна быть сопряжена с определением единичных белковых молекул, а не их концентрации в исследуемом образце. Действительно, существует принципиальная возможность визуализации не только белковых комплексов, но и отдельных макромолекул на подложке. И несколько компаний разрабатывают многоканальные атомно-силовые микроскопы и специальные модифицированные подложки для определения вирусов, бактерий, токсинов и антигенов.

    Основным  недостатком такого подхода является отсутствие специфических признаков  получаемого образа, что иногда драматически влияет на точность или специфичность  при определении аналита. Но техника микроскопии тоже не стоит на месте, наряду с совершенствованием методов туннельной микроскопии, активно развиваются иные направления нанопротеомики, предназначенные для решения исследовательских и медицинских задач.

    Ещё одна сфера приложения нанопротеомных технологий — разделение смесей белков и пептидов с последующим масс-спектрометрическим анализом. Наночастицы металлов (оксида алюминия, кремния) и синтетические наночастицы применяются в исследовании процессов разделения модельных смесей пептидов и белков. По данным авторов этих работ, нанохроматография существенно, почти на порядок, улучшает разделение и позволяет добиться лучших результатов протеомного анализа по идентификации пептидов и целых белков в ходе дальнейшего масс-спектрометрического анализа.

    Системы детекции становятся всё более миниатюрными. Вероятно, со временем можно будет  создать устройства, способные определять параметры жизнедеятельности даже одиночной клетки?

    — На сегодняшний день это невозможно, однако многие технологические элементы, которые используются для создания современных диагностических систем, уже выглядят как реальные прототипы будущих наноустройств, предназначенных для практики.

    Например, микро- или нанофлюидные биоаналитические системы, сочетающие в своём составе  элементы электроники, микромеханики, оптики и гидравлики. Основа таких систем — стеклянная или полимерная пластина с многоуровневой системой каналов, микрореакторов, клапанов и насосов, оперирующая с микро-, нано- и фемтолитровыми объёмами жидкости. Микрофлюидные системы позволяют работать с индивидуальными клетками на разных стадиях их развития. Радикальная миниатюризация размеров экспериментальных устройств, достигаемая с использованием микро- и нанофлюидных технологий, даёт возможность перейти к качественно новым, менее дорогим методам решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач молекулярной и клеточной биологии, биотехнологии и биомедицины.

    Что делают «нано-» в «био-»

    А что можно сказать о таких  материалах, как фуллерены и нанотрубки? Каково их место в области «нанобио»?

    — Они являются наноконтейнерами для  различных органических соединений, проявляющих противовирусную, противораковую и антибактериальную активность. Выше я упоминал, что мицеллярные  системы с модифицированными  фосфолипидами могут быть использованы как антибактериальные препараты нового поколения. Подобная антибактериальная, антираковая активность свойственна и фуллеренам. Например, фуллерен С60 был применён для лечения вирусной инфекции и онкологических заболеваний у животных.

    Уникальные свойства фуллеренов обусловлены их высокой реакционной способностью за счёт большого количества свободных валентностей углерода. Для применения в биомедицине чистые фуллерены малопригодны в силу их нерастворимости в водных растворах и, как следствие, ограничений по используемым концентрациям в исследовании их свойств на животных.

    Однако, функционализация фуллеренов (например, получение карбоксифуллеренов) делает эти соединения биодоступными и, следовательно, более эффективными для исследований в биосистемах. Один из способов введения фуллеренов в организм — инкапсуляция в липидную везикулу для адресной доставки к трансформированным клеткам. Использование принципов фотодинамической терапии и генерирование синглетного кислорода фуллереном под действием света вызывает повреждение и гибель клетки-мишени.

    И всё же основные направления использования  углеродных нанотрубок в биологии и  медицине сопряжены с их уникальными  механическими и электрическими свойствами. Уже освоены технологии иммобилизации ферментов и даже ферментативных комплексов, являющихся аналитическим элементом нанобиосенсора на внутренней и внешней стороне нанотрубки. Работа фермента с определённым субстратом (например, использование глюкозооксидазы) позволяет создать высокочувствительный сенсор, измеряющий концентрацию глюкозы.

    Описаны различные биохимические сенсоры  для определения отравляющих  веществ, катионов и анионов, антигенов  болезнетворных вирусов и бактерий, а также прионовых белков. Нанотрубки используются для обеспечения адресной доставки лекарственных соединений, макромолекул (белков, ДНК) к клеткам-мишеням. А комбинация нанотрубок с наночастицами из оксидов металлов служит подложкой в культивировании клеток и создании прототипов органов и тканей.

    Кроме того, активно разрабатываются бионаносенсоры с использованием функционализированных нанотрубок и металлических нанопроводов. Подобные проекты подразумевают иммобилизацию молекул-датчиков (ферментов, антител, лектинов и т.д.) для создания многопараметрического биосенсора, совместимого с тканями организма или клетками в культуре.

    Технологии  ближайшего будущего

    Как Вы считаете, какие условия будут  способствовать развитию нанобиотехнологий  в России в ближайшем будущем?

    — Быстрое развитие нанобиотехнологии  и смежных нанотехнологических  дисциплин обуславливает вовлечение новых исследовательских групп и целых институтов в эти исследовательские программы. Большинство нанобиотехнологичеких проектов находятся сейчас 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.

    Стоит подчеркнуть, что усложнение технологий, их комплексность, требуют чёткой кооперации различных исследовательских групп  для достижения поставленной цели.

    Нанобиотехнологии, повторю, — мультидисциплинарная наука, участие единичной исследовательской лаборатории в этом процессе оказывается малоэффективным. Фактически, речь идёт 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 же счёте, объём и качество накапливаемых в ходе системных биологических исследований знаний обусловят прогресс в нанобиотехнологиях.