НАНОТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ

23.12.06

В программе научной сессии Президиума СО РАН 22 декабря — доклад группы сотрудников Института химической биологии и фундаментальной медицины «Наноматериалы и наноустройства на основе нуклеиновых кислот». В коллективе авторов — директор института академик В. Власов, заместитель директора к.х.н. Д. Пышный, д.б.н. М. Зенкова, д.х.н. В. Зарытова, к.х.н. А. Синяков (ИХБФМ СО РАН), к.ф.-м.н. С. Романов (ИФП СО РАН), д.ф.-м.н Р. Салимов и А. Дудников (ИЯФ СО РАН). 

Директор ИХБФМ академик Валентин ВЛАСОВ и заместитель директора кандидат химических наукДмитрий ПЫШНЫЙ рассказали нашему корреспонденту Юлии АЛЕКСАНДРОВОЙ о работах, которые ведутся сотрудниками института в этой области и о перспективах исследований.

В. Власов: В настоящее время научные исследования в области нанотехнологий признаны приоритетными во всем мире. Если говорить о биологах, они всегда работали с молекулами, которые имеют размеры порядка нанометров: ДНК, РНК, большими белками, молекулярными машинами — рибосомами, комплексами белков, которые манипулируют с нуклеиновыми кислотами. Словом, наномир — это наш мир.

За последнее десятилетие ученым удалось понять строение ряда больших молекулярных машин, среди которых рибосома — трехмерное образование, включающее комплекс белков и рибонуклеиновых кислот. Это сложная «фабрика», которая производит любые белковые «изделия» по программам, записанным в генах человека. Таких молекулярных машин существует в природе множество. Сейчас исследователи научились изучать сложные молекулы. Кроме того, они пытаются конструировать аналогичные сложные структуры и использовать их в практических целях. Появляется не только реальная возможность рассказать о строении природных молекулярных устройств, но и создать подобные «конструкции» самим.

Таким образом, в нанотехнологиях есть особая отрасль, которая базируется на использовании биологических наномолекул — бионанотехнология. Одно из ее направлений — создание различных молекулярных устройств. Среди них, например, биосенсоры для выявления каких-либо веществ, присутствующих в окружающей среде или организме человека, устройства для детектирования определенных нуклеотидных последовательностей с целью обнаружения мутаций.

Данное направление развивается быстрыми темпами и уже очень много дало медицинской диагностике — в медицине на сегодняшний день широко применяется иммуноферментный, иммунофлуоресцентный анализ, амплификация нуклеиновых кислот с помощью полимеразной цепной реакции. Вся медицинская диагностика, которая задействует современную технику, основана на использовании комплексов молекул: одна большая молекула узнает другую большую молекулу, и после этого включается сигнал (обычно это световая индикация на определенной длине волны). В данной области происходит постоянное совершенствование техники и усложнение наноконструкций.

Второе направление бионанотехнологии — огромная пограничная область — существует благодаря «содружеству» с физической нанотехнологией и физическими методами исследования. Один из примеров — использование квантовых капель или точек. Это очень сильно светящаяся структура небольших размеров из неорганических материалов. Их, например, «запускают» в организм для определенных целей или используют в диагностических системах. Квантовые капли удобны тем, что флуоресцируют и хорошо заметны, а, кроме того, они стабильны (в отличие от органических молекул). Надо сказать, что физики тоже давно работают в наномире на уровне атомов и молекул, правда, с неживым материалом, который имеет более «фиксированные» свойства. Что касается наших биологических молекул, они открывают ряд новых возможностей для конструирования, поскольку являются чрезвычайно разнообразными и обладают собственными интересными признаками, которых нет у неорганических материалов.

Как я уже говорил, одна биологическая молекула может «узнавать» другую, т.е. образовывать комплекс. Например, если взять одну цепочку дезоксирибонуклеиновой кислоты, то она среди множества других найдет только одну, которая ей подходит, и тогда две цепочки ДНК образуют спиральную структуру. На этом молекулярном узнавании все и основано: если использовать данный принцип для создания различных устройств, можно получить совершенно удивительные конструкции. Ученые уже научились делать из ДНК самособирающиеся слои разных конфигураций. Для этого берут несколько ДНК, и биомолекулы в растворе сами находят друг друга и сами строят заданные архитектурные сооружения — длинные разветвленные цепочки, трехмерные структуры, шарики, словом, любые фантастические конструкции, поскольку может быть задана любая форма.

При создании каких-либо микроструктур для электронных устройств физики должны реализовывать все сами, обрабатывая неорганический материал — это сложный и достаточно дорогой процесс. А наши маленькие молекулы могут сами «собираться» в нужную структуру и делают то, что нужно, причем их можно изготовить в неограниченном количестве. В этом направлении есть много конкретных приложений и разработок. Например, можно создать самособирающиеся и самопротягивающиеся провода из биомолекул — поместить в двух разных точках на поверхности электрохимического устройства фрагменты ДНК, и они между собой образуют комплекс. Из него можно сделать провод, нанеся на него золотые шарики. Осуществляются даже попытки выполнить элементы нового поколения для вычислительных машин из ДНК молекул — возможность этого доказана практически.

Перспективные материалы могут быть получены путем использования гибридных, образованных в результате присоединения к металлическим шарикам, органическим наноточкам и любым другим физическим объектам белков или ДНК. За счет биологических молекул такие гибриды образуют трехмерные структуры и располагаются в заданном порядке. Из больших молекул можно делать наномашины. Сейчас разрабатываются молекулярные машины из молекул ДНК или белков. В ответ на сигнал (это может быть облучение светом, изменение условий среды, взаимодействие с молекулами-источниками энергии) происходит ммеханическая работа.

В последнее время быстро развивается еще одна обширная область применения нанотехнологий — в генотерапии. Для того, чтобы с целью генотерапии ввести в клетку нуклеиновую кислоту, нужно создать некий носитель. Самое элементарное решение — просто имитировать природный вирус. Его генетическая программа упакована внутри, имеется некая липидная оболочка, и если научиться собирать такой комплекс, то можно вставить генетические программы внутрь этого искусственного вируса. Полученная наноконструкция, «искусственный вирус», доставит лечебную программу в клетки. Данная задача на сегодняшний день решается.

Одним из разделов техники, имеющим важное значение для диагностических систем, является микрофлюидика (правда, это пока не нано-, а микромир). Например, когда у пациента берут кровь, приходится с ней долго возиться, чтобы извлечь тот генетический материал, который потом будет анализироваться. Сейчас ведется большая работа по созданию автоматизированных устройств, которые бы все это делали без участия человека. Такие устройства, «лаборатории на чипе» представляют собой микроустройства, в которых есть микроканалы, заполненные жидкостью и резервуары с нужными реагентами. Работа исследователя или аналитика в данном случае сводится к тому, что капля крови или другого биологического образца просто запускается в эту систему, а в ней происходит автоматическое выделение и обработка генетического материала.

Всем известен другой пример устройств — биосенсоров или биочипов. Идея их создания принадлежит академику А. Мирзабекову (Институт молекулярной биологии РАН). Биочип — это небольшая пластинка, на которой имеется множество точек, содержащих определенные молекулы. Если из внешней среды вносится какая-то молекула, способная взаимодействовать с одной из молекул на чипе, в отдельной точке его образуется комплекс. А дальше все просто — с помощью системы регистрации такого взаимодействия сразу можно определить, какая молекула чипа связала что-то из раствора, потому что исследователи знают, что именно и в каком порядке присутствует на этом чипе.

Например, на чипе могут быть расположены молекулы ДНК, которые связывают соответствующие ДНК возбудителя туберкулеза, чувствительные к тем или иным лекарствам. Если засветилась, предположим, третья точка, ученые будут знать, какой вариант возбудителя туберкулеза присутствует в образце и как надо лечить данного больного. Широчайшее применение чипы находят в биологии для наблюдения за активностью некоторых генов: с их помощью можно смотреть, какие гены в организме работают в определенных условиях. Одновременно в организме функционируют десятки тысяч генов, поэтому на чипе должно быть такое же количество точек, даже больше, чтобы разобраться, где что происходит. Сегодня чипы — один из основных инструментов исследования в биологии.

Есть примеры очень интересных работ, выполненных сотрудниками нашего института. Например, практически все современные методы анализа нуклеиновых кислот основаны на использовании молекулярных устройств, которые флуоресцируют при проведении диагностической реакции. На них основан всем сейчас известный метод «Real-time PCR» (ПЦР в реальном времени). В мире существуют два варианта таких зондов, и оба разработаны с участием наших сотрудников (правда, сейчас они проживают за рубежом). Другой пример — аптамер «зеленая РНК». Аптамер — это нуклеиновая кислота, имеющая определенную пространственную структуру, хитрое устройство, которое обладает свойством светиться, если встречает в растворе какую-то «нужную» молекулу. Важно, что это может быть сделано внутри живой клетки, и сама клетка засветится, сигнализируя о наличии в ней определенной молекулы. Это оригинальная работа, не имеющая аналогов в мире.

В лаборатории бионанотехнологий, которой руководит Д. Пышный, разрабатывают супрамолекулярные комплексы, состоящие из нескольких молекул ДНК — они нужны для выявления определенных видов мутаций. Проделана огромная физико-химическая работа на самом высоком уровне по изучению термодинамики комплексов нуклеиновых кислот. В результате разработаны оригинальные нанокомплексы, которые уже применяются для выявления определенных мутаций, например, в геноме вируса гепатита С.

Д. Пышный: Если говорить о перспективах развития исследований в области бионанотехнологий, мы очень рассчитываем на контакты с физиками, например, с лабораторией д.ф.-м.н. А. Двуреченского из Института физики полупроводников СО РАН. У них есть совершенно уникальный материал — определенные матрицы, которые внешне напоминают пчелиные соты, только ячейки квадратного сечения, где размеры каналов измеряются микрометрами (а в перспективе будут нанометровыми). Через эти каналы можно пропускать потоки жидкости, в результате чего системы приобретают уникальные оптические свойства. Если, например, запустить в такие микроканальные матрицы биомолекулы, которые узнают одна другую и свяжутся на поверхности «сот», можно наблюдать, как эти каналы закроются. Так можно будет получать совершенно оригинальные биоаналитические системы.

Мы сотрудничаем с Институтом геологии и минералогии. Геологи хорошо умеют делать монодисперсные субмикронные частицы, на основе которых наш институт пытается разработать новые системы диагностики. Есть контакты и с учеными Института ядерной физики — они обладают уникальными знаниями о свойствах микроэлектронных устройств, наноточек и магнитных частиц, которые нужны нам для диагностических целей и доставки нуклеиновых кислот в клетки. Междисциплинарный подход открывает широчайшие возможности для быстрого развития бионанотехнологий.

Фото В. Новикова

Источник: «Наука в Сибири»