Нанотехнологии и роль биологические знания

Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН, г. Саратов
Основан в 1980 г.
Организатор и бессменный дирек-тор с 1980 по 2007 годы – Заслу-женный деятель науки РФ, д.б.н., профессор В.В. Игнатов, лидер научной школы, получившей статус одной из ведущих научных школ страны.
С января 2008 г. директором ИБФРМ РАН избран и утвержден сроком на 5 лет д.х.н. профессор С.Ю. Щеголев.
110 человек (82 штатные единицы), 59 научных сотрудников, докторов наук − 17 (около 30%), кандидатов наук – 33 (более половины). Средний возраст докторов наук на начало 2009 г. составляет 51 год, а кандидатов наук – 41 год.

Фундаментальные исследования растительно-микробных и иных симбиотических систем и биотехнологические разра-ботки на их основе
Основные научные направления ИБФРМ РАН
– Изучение молекулярно-генетических механизмов взаимодействия растений и микроорганизмов. Анализ генетической регуляции процессов, вли-яющих на формирование и функционирование ризоценозов, исследова-ние обмена генетической информацией и метаболитами между парт-нерами.
– Выяснение роли белков системы цитоскелета в адаптивных и коммуникационных реакциях клеток растений и микроорганизмов. Изучение структуры и функций гликополимеров и оценка их значения в формировании растительно-микробных симбиозов.
– Анализ углевод-связывающих белков и гликопротеинов, выяснение их роли в процессах жизнедеятельности и коммуникации бактерий, растений и грибов.
– Исследование растительно-микробных сообществ в условиях техногенного загрязнения окружающей среды. Разработка биотехнологий защиты и восстановления природных и хозяйственных объектов.
– Развитие методологии физико-химического, биохимического и иммунохимического анализа симбиотических и иных живых систем.

Структура института
Научно-исследовательские подразделения
Лаборатория биохимии
Лаборатория генетики микроорганизмов
Лаборатория физиологии растительной клетки
Лаборатория физиологии микроорганизмов
Лаборатория микробиологии
Лаборатория иммунохимии
Лаборатория экологической биотехнологии
Лаборатория биоинженерии
Лаборатория нанобиотехнологии
(2003 г.)
Лаборатория физико-химических методов исследования
Сервисные службы
Коллекция микроорганизмов
Виварий
Библиотека
Локальная компьютерная сеть с выходом в Интернет
Учебно-научные и общественные структуры
Учебно-научный центр физико-химической биологии
базовая кафедра биохимии и био-физики (биологический факультет);
кафедра органической
и биоорганической химии (химический факультет);
базовая кафедра биофизики (факультет нелинейных процессов).
Аспирантура (биохим., биофиз., микробиол., биоорган. хим., биотехнол.)
Диссертационный совет (биохим., микробиол., биотехнол.)
Региональные отделения Российских обществ микробиологов, биохи-миков и физиологов растений

Два типа определений, отражающих основные тенден-ции в понимании и развитии нанонауки.
… При переходе к изучению самых маленьких объектов предла-гаемого типа ... (составленных из нескольких атомов) мы ста-лкиваемся со многими разнообразными явлениями, создающими новые возможности. Поведение отдельных атомов подчиняется законам квантовой механики и не имеет аналогов в макроскопи-ческом масштабе, поэтому «внизу» мы будем постоянно наблю-дать новые закономерности и эффекты, предполагающие новые варианты использования ...
… Известные нам принципы физики не запрещают создавать объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами, в принципе, вполне реальна и не нарушает никаких законов природы. ... Раз-витие техники манипуляции на атомарном уровне (а я убежден, что этого нам просто не избежать) позволит решить многие про-блемы химии и биологии …
«Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики» . Лекция на собрании Американского физического общества, декабрь 1959 г.
Получение соединений с атомарной точностью обеспечивает генная и белковая инженерия (в пределах биохимии и био-органической химии), ещё не развитые в 1959 году.

2008 г. – 55 лет открытию структуры молекулы ДНК (Nature, 1953 г.)
Крик и Уотсон, Нобелевская премия по фи-зиологии и медицине, 1962 г. (совместно с Уилкинзом – руководителем эксперимента-льных исследований ДНК методом рентгено-структурного анализа).
Розалин Франклин

Два набора ключевых слов – два направления развития нанонауки:
новые закономерности и эффекты;
манипуляция атомами и молекулами.
… Внизу (т.е., «внизу или внутри пространства», если угодно) располагается поразитель-но сложный мир малых форм, и когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удив-ляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира …
По вполне конкретным физическим причинам диапазон от, примерно, 1 нм (около 10 ато-мов) до 100 нм (молекулярные и надмолекулярные структуры из 107-108 атомов).
Термин «нанотехнология» введен Норио Танигути (1974) для обозначения ме-тодов получения и изучения объектов размером менее 1 микрона.

Во-первых, нанотехнологии трактуются как « … совокупность процессов, на-правленных на создание материалов, устройств и технических систем, фун-кционирование которых определяется наноструктурой – упорядочен-ными фрагментами размером от 1 до 100 нм» (Третьяков, 2008).
Переход в нанометровый диапазон либо «сверху вниз» (измельчение, дробление, фото-литография и др.), либо «снизу вверх» (химический и биохимический синтез, атомная и молекулярная сборка и самосборка, создание нанокомпозитов и т.д.).
Во-вторых, нанотехнологии понимаются как « … технологии манипулирования веще-ством на уровне атомов и молекул с целью получения продуктов с наперед заданной структурой» (Рыбалкина, 2005).
«Машины создания: грядущая эра нанотехно-логии» (1986)
... Уголь и алмазы, песок и чипы компьютера, рак и здоровая ткань – на всём протяжении истории, в зави-симости от упорядочения атомов, возникало деше-вое или драгоценное, больное или здоровое …
… При всех наших успехах в упорядочении атомов мы всё ещё используем примитивные методы упорядоче-ния. При нашей имеющейся технологии мы всё ещё вынуждены манипулировать большими, плохо упра-вляемыми группами атомов …

Наноробот (ассемблер) – молекулярная машина субмикронного размера, спо-собная к саморепликации, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков.
Дорожная карта нанотехнологии, декабрь 2007 (Nanotechnology Roadmap) – прогноз на ближай-шие десятилетия. Проблемы создания и развития производств с атомарной точностью.
Foresight Nanotech Institute (Нанотехнологический институт предвидения). Ведущие ученые из са-мых крупных нанотехнологических центров США.
Около 200 страниц, перспективы развития нано-технологий по 39 направлениям. Прилагается сбо-рник мини-обзоров научных достижений по каж-дому из них.
Сочетание двух взаимодополняющих подходов: биотехнологического и зондового.
Зондовый подход предполагает дальнейшее развитие технологий физического манипу-лирования атомами и молекулами, осуществляемого пока только в лабораторных экс-периментах.

Познание механизмов создания структур с атомарной точностью, уже действую-щих в живой природе, природные наномашины: рибосомы, ферменты, виру-сы и т.п.
Р. Фейнман (1959): «Чудеса биологических систем»:
... Несмотря на то, что сами биологические системы (имеются в виду биоклетки) очень ма-лы, они могут осуществлять весьма разнообразные и очень активные действия … Предста-вьте себе возможности, которые открываются в случае изготовления микроскопических объектов, способных выполнять такие действия! …

Система трансляции в матричном синтезе белка на рибосомах.
В прогнозах развития производств материалов с атомар-ной точностью надежды возлагаются на создание рибо-сомоподобных наноустройств.
Нерибосомный синтез: НРС-синтаза, низшие грибы, бактерии.
Устойчивость к внешним воздействиям, прочность, тер-мостойкость и другие потребительские характерис-тики природных соединений весьма ограничены.
Экстраполяция и приспособление молекулярно-био-логических знаний к объектам неживой природы с це-лью получения разнообразных материалов с новыми по-лезными свойствами. Биомиметика.
Непосредственное использование механизмов атомар-но точного биосинтеза природных соединений в про-мышленных технологиях с использованием широкого спектра элементов периодической системы пока практически невозможно.

Специалистами из Университета Райса (Хьюстон, США) в 2005 г. изготовлен на-ноавтомобиль размером 4 нм.
Замена фуллеренов на молекулы p-карборанов (содержат атомы C, H и B) с установкой ло-пастного наноактюатора обеспечила передвижение наноавтомобиля под действием све-тового излучения длиной волны 365 нм.
Джеймс Тур: … В конечном счете нам хотелось бы научиться перемещать нанообъекты и производить работы в молекулярном масштабе, и подобные наномобили могут послужить отличными испытательными образцами для этих целей ...

Наибольшее число реальных достижений отмечается в изучении новых свойств и эффектов, связанных со структурированием вещества на уровне образований нанометрового диапазона.
Два физико-химических фактора, определяющих уникальные свойства нанообъектов:
Во-первых, в существенно возрастает соотно-шение поверхности и объема наночастиц.
Увеличение доли поверхностных атомов уси-ливает взаимодействие ноноструктур с ок-ружающей средой и, в частности, радикально ускоряет каталитические процессы.
Существенно понижается температура плавления для металлических наноча-стиц (более чем на 500о для золота).

Во-вторых, в области размеров структурных элементов вещества (наночас-тиц, нанокластеров и т.п.), соизмеримых с радиусом корреляции того или иного характерного физического явления, начинают проявляться квантово-размерные эффекты (Фейнман, 1959).
Длина свободного пробега электрона, размер магнитного домена, размер зародыша новой фазы и т.п.
Пример – квантовые точки (quantum dots), характерный корреляционный параметр – радиус экситона Бора - зоны коллективного возбуждения электронов в полупровод-никовом материале, из которого изготавливаются квантовые точки.

(c) солюбилизация и биоконъюгация с использованием меркаптосиланового соединения (силанизация);
(d) присоединение посредством электростатических взаимодействий;
(e) – включение квантовых пятен в микрошарики и наношарики.
С единичной частицей диаметром 4 нм могут быть конъюгированы от 2-х до 5-и белко-вых молекул и 50 или более малых молекул (таких, как олигонуклеотиды или пептиды).
(a) использование лига-нда типа меркаптоуксус-ной кислоты (бифунк-циональное связыва-ние);
(b) покрытие три-н-ок-тилфосфин оксидом для связи через модифици-рованный полимер ак-риловой кислоты (гид-рофобное притяже-ние);
Функционализация наночастиц – получение устойчивых суспензий их ко-нъюгатов с биоспецифическими молекулами-зондами, узнающими те или иные биологические структуры.

Главное ограничение квантовых точек – токсичность материалов (соли или слоистые образования на основе тяжёлых металлов), что существенно осложняет их использование в опытах in vivo.
Близкие по природе и свой-ствам – полупроводнико-вые гетероструктуры.
За их исследования и внед-рение в электронику, созда-ние технологии микрочипов Нобелевская премия 2000 г. присуждена Алферову, Кре-меру и Килби.
Пример использования квантовых точек для цитохимического выявления клеточных органелл: ядра (красный), аппарата Гольджи (желтый), микро-трубочек (зеленый).

Лучшую биосовместимость имеют наночастицы благородных металлов (в осо-бенности, золота), для которых характерен, поверхностный плазмонный резонанс.
Развиты методы настройки резонанса золотых наночастиц за счет изменения их размера, формы и структуры.
Используются в методах электронной и световой микроско-пии, гомофазном и твердофазном иммуноанализе, иммунохро-матографии и т.п.
Области применения: биодиагностика и биосенсорика, визуа-лизация и фототерапия рака и др.
5-100 нм

Визуализация биоспецифических взаимодейст-вий на поверхности клеток в темнопольной микроскопии.

Впервые обнаружены адъювантные свойства коллоидного золота, что может быть использовано для получения антител in vivo против слабо иммуногенных антигенов (гаптенов), создания вакцин нового поколения и т.п.
Золотые наночастицы обеспечивают локальное поглоще-ние света и выделение тепла в области спектральной проз-рачности биотканей, что делает возможным применение на-ночастиц золота для фототерапии, основанной на адрес-ном фототермолизе меток.
Данные работы проводятся на животных с привитыми опухолями совместно с ФГУП НИОПИК (Москва), Московс-ким онкологическим институтом им. П.А. Герцена, Саратов-ским медицинским и классическим госуниверситетами.
Проводятся исследования размерных эффектов в биорасп-ределении частиц по органам животных, важные с точки зрения вопросов безопасности нанобиотехнологий.
Селективный нагрев нанооболочек ИК-лазером применяется для развития метода совре-менной тканевой инженерии (совместно с ИПЛИТ РАН, проф. Баграташвили с сотр.). Золотые нанооболочки оказались более перспективными термосенсибилизаторами по сравнению с наночастицами углерода, ранее применявшимися для создания трехмер-ных имплантантов.

Катрин Хайес (2004): … Нанотехнологии … не содержат практически никаких новых теоретических знаний, однако совместное рассмотрение результатов из различных областей естественных наук в сочетании с применением самых современных приборов дает синергетический эффект и приводит к тому, что наука выходит на новый междисциплинарный уровень …
Роланд Хоффман (Нобелевский лауреат): … Я рад тому, что для химии люди нашли но-вое название, и теперь у них появился стимул изучать то, что они не желали учить в школе …
Традиционный химический, а также биохи-мический и генноинженерный (и им подоб-ный) синтез – важнейшие инструменты на-нотехнологий.
Модель наномотора бактериального жгу-тика.

Наноструктурированные углеродсодержащие соединения
Графен - мономолекулярный решеточный слой, со-ставленный из атомов углерода. Совокупность не связанных ковалентно слоев образует графит.
Листы графена, свернутые в цилиндр, образуют углеродные нанотрубки (Сумио Иидзима, 1991). Диаметр: 0,4-100 нм; длина: 1-100 мкм.
В зависимости от угла закручивания, нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов, проводи-мостью, либо приобретают свойства полупровод-ников.
Двухслойная, прямая и спиральная нанотрубки.
При относительно малой плотности прочность однослойной нанотрубки на порядок выше, чем у стали. Многие иные полезные свойства.

Новое аллотропное состояние углерода - фуллерены (1985). Также могут рассматриваться как производные графена. Авторы – Керл, Крото и Смолли, Нобелевская премия, 1996 г.
Обладают целым рядом ценных оптических, электрических, механических и иных свойств. Представляют интерес для наноэлектроники, техники, медицины (адресная до-ставка лекарств и др.). Рассматриваются как основа для синтеза искусственных алмазов, как элементы квантовых компьютеров и т.д.

Дендримеры – древообразные полимерные наноструктуры размером от 1 до 10 нм. Образуются при соединении молекул, обладающих ветвящимся строением.
В процессе роста не происходит соедине-ния растущих ветвей, а также исключены взаимодействия моле-кул друг с другом.
Дендример, синтезированнный в растворе, содержащем лекарственный препарат, станови-тся нанокапсулой с оптимальным размером для адресной доставки данного лекарст-венного препарата к органам и тканям.
Дендримерные метки на основе гадолиния и магния используются в качестве контраста для ЯМР томографии, позволяя следить за миграцией в организме введенных стволо-вых клеток.

Cканирующие зондовые микроскопы (СЗМ): туннельный и атомно-силовой – главные инструменты нанотехнологий.
Основной элемент зондовых микроскопов – кантилевер сканирует поверх-ность с атомарным разрешением.
Используется туннельный эффект (волновые свойства электрона) – протекание тока через диэлектрическое препятствие между зондом и поверхностью исследуемого проводящего образца на расстоянии менее 0,5 нм. Нобелевская премия 1986 г. за разработку туннельного микроскопа (Бинниг и Рорер, IBM).
С атомно-силовым микроскопом (АСМ) исследуются как проводящие, так и не прово-дящие вещества (в том числе, биообъекты). Баланс ван-дер-ваальсовых и электроста-тических сил взаимодействия между зондом и поверхностью образца на малых расстоя-ниях (порядка ангстрема).

СЗМ обеспечивают визуализацию нанообъектов с разрешением в доли анг-стрема (наблюдение расположения единичных атомов), а также меха-ническое манипулирование атомами и молекулами.

Нанобиотехнологии (наномедицина, нанофармакология, нанобиосенсоры).
Основные направления:
решение традиционных (и не традиционных) медико-биологических задач с исполь-зованием природных наноструктур и искусственно созданных нанообъектов;
создание новых технологий получения продуктов с заданной наноструктурой и свойствами с использованием механизмов, действующих в живой природе.
Общая тенденция – последовательная реализация ближайшей (использование уника-льных свойств нанообъектов) и более отдаленной (разработка технологий получения соединений с атомарной точностью) перспектив развития нанонауки.

Клетки магнетотактильных бактерий Magnetospi-rillum magneticum синтезируют частицы маг-нетита Fe3O4 с размером, зависящим от усло-вий культивирования бактерий.
Магнитные свойства наночастиц существенно зависят от их размера. Трудности получения механическими и химическими методами.
Применяются для диагностики и терапии ра-зличных заболеваний.
Акад. К.Г. Скрябин, 2009. 5-й Московский Международный конгресс «Био-технология».
Определены нуклеотидные последо-вательности генов M. magneticum, ответственных за синтез наночастиц и разрабатывается технология их прои-зводства.
Увеличение производительности и уменьшение стоимости технологий ге-номного секвенирования с уменьше-нием размеров детектирующих уст-ройств.
Геном человека (3.4⋅109 нуклеоти-дов):
2001 г., 106 нм (электрофорез) –
3 млрд. долл., годы работы.
2008-2012 г., 10 нм (наночипы) –
1000 долл., ближайшая перспектива – 6 геномов человека в неделю (Центр «Биоинженерия» совместно с Курчатовским научным центром РАН).

Термофильные микроорганизмы
Коллекция Института микробиологии РАН.
Центр «Биоинжененерия». Расшифровка полных геномов штаммов термофиль-ных бактерий (Скрябин, 2008).
Общая схема : расшифровка генома – наработка белка – кристаллизация – стру-ктура. Курчатовский Центр синхротрон-ного излучения (РСА- НСА-анализ).
Выяснение молекулярно-генетических и структурных факторов, определяю-щих термостабильность ферментных и иных молекулярных систем термофилов.
Имеются примеры успешной замены сло-жных химических технологий на биотех-нологии с использованием микроорганиз-мов с измененными (рукотворными) ге-нетическими программами.
ЗАО «Биоамид» (г. Саратов). Биокатализа-тор для производства акриламида.
http://www.bioamid.ru

Биоинформатика (вычислительная биология) – совокупность математических методов и алгоритмов, применяемых для исследований структуры и функций биомакромолекул с использованием информационных баз данных геномики и протеомики, биология in silico.
Геномика – раздел молекулярной генетики, посвященный изучению полных наборов генов различных организмов, сформировавшийся в ходе реализации проектов по секве-нированию геномов (1980-1990 годы).
Протеомика – раздел молекуля-рной биологии, посвященный изу-чению полных наборов белков (протеомов) различных организ-мов и их взаимодействий в живых системах.

Базы данных генетических и белковых последовательностей в совокупности с результатами анализа структур белков, полученными методами РС- и НС-кристаллографии и ЯМР-спектрометрии (в растворах биополимеров !).
Основные задачи вычислите-льной геномики:
изучение геномов, поиск ко-дирующих белки участков и регуляторных последовате-льностей;
анализ и предсказание структу-ры и функций белков по результатам сиквенса коди-рующих генов или непосре-дственно белкового сиквен-са;
анализ и предсказание взаимо-действий молекул белка друг с другом и иными мо-лекулами (в т.ч. лекарст-вами);
генетический анализ и модели-рование процессов эво-люции, построение фило-генетических деревьев.
Число генов порядка 3000 (бактерии) и 30000 (чело-век).
Количество вариантов анализируемых биологических эффектов, практически недостижимо в реальном экс-перименте.

Сравнительный анализ результатов сиквенса исследуемого белка с уже име-ющимися в компьютерных базах данными для похожих (по молекулярному те-ксту) белков с известной структурой.
Анализ молекулярных пос-ледовательностей ДНК, РНК и белков дает наиболее четкое доказательство взаи-мосвязей между биологиче-скими видами.
Дерево жизни, построенное по результатам секвенирова-ния рибосомальной РНК.

«Нанобиотехнология и наномедицина», дополнение к проекту Национальной доктрины развития в Российской Федерации работ в области нанотех-нологий.
Подготовлено к заседанию Координационного совета по развитию нанотехнологий при Комите-те Совета Федерации по науке, культуре, образованию, здравоохранению и экологии, де-кабрь 2006 г.
Составитель акад. А.И. Арчаков, директор НИИ биомедицинской химии РАМН.
Определены основные приоритеты развития нанобиотехнологии и наномедицины по следую-щим направлениям работ:
биологические наночипы для диагностики соматических и инфекционных заболеваний, в том числе для видовой идентификации возбудителей особо опасных инфекций и токси-нов;
наночастицы как лекарственные препараты нового поколения, а также как контей-неры для адресной доставки лекарств в клетки-мишени;
медицинские нанороботы, способные устранять дефекты в организме больного челове-ка путем управляемых нанохирургических вмешательств;
молекулярные детекторы для секвенирования генома на основе неорганических нано-пор (увеличение скорости считывания нуклеотидных последовательностей в сотни ты-сяч раз);
саморазмножающиеся геномы, применимые в области биотехнологии и медицины с целью производства лекарств, проведения фармакологического скрининга и моделирова-ния патологических процессов (теоретическая база для конструирования искусственных геномов создана в рамках исследований в области биоинформатики и системной биоло-гии);
биосовместимые наноматериалы широкого спектра применения (в том числе для соз-дания искусственных органов, принципиально новых типов перевязочных материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной активностью).

Инвестиции в нанонауку.
«Когда деньги есть, то идей полна голова, а когда денег нет, то идея одна – где бы занять» (А.С. Макаренко, «Педагогическая поэма»).
Ожидаемый объем инвестиций в нанотехнологии в период с 2006 по 2010 гг.: Япония (6 млрд. долларов), США (5,6 млрд. долларов), страны Евросоюза (4,6 млрд. долларов).
С 2009 по 2011 годы Россия планирует инвестировать в развитие нанотехнологий око-ло 8 млрд. долларов. В 2007 г. была создана «Российская корпорация нанотехнологий» (РосНаноТех). До конца 2008 года ею запланировано инвестировать в нанотехнологичес-кие проекты около 0,6 млрд. долларов.