Ю. В. Малюкин, д-р физ мат наук, проф., зав отд нанокристаллических

Основные направления развития

БИОНАНОТЕХНОЛОГИИ
На сегодняшний день методами бионанотехнологии построены десятки искусственных бионаномашин. Многие из них были созданы просто для проверки наших знаний и представлений о мире бионаномашин. Это, вообще говоря, игрушки, но, используя опыт, накопленный в ходе их создания и комбинируя этот опыт с теми "инженерными решениями", которые природа реализовала в живых клетках за миллиарды лет эволюции, можно предсказать, каких успехов можно ожидать от бионанотехнологии уже в ближайшем будущем.
Бионаномашины прекрасно приспособлены к работе в живой клетке, следовательно, их можно использовать для медицинских применений. Уже созданы сложные молекулы, которые ищут и находят больные или раковые клетки. Разрабатываются сенсоры для диагностирования болезней. Уже используется заместительная терапия искусственно синтезированными молекулами для лечения диабета и дефицита гормона роста. Например, первым продуктом одной из


13




крупнейших биотехнологических компаний Amgen был белок эритропоэтин (erythropoietin) (коммерческое название - EPOGEN®), который стимулирует образование эритроцитов. Управление США по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств (Food and Drug Administration, FDA) в 1989 году разрешило использовать этот препарат для лечения людей, и эритропоэтин стал одним из первых продуктов современной биотехнологии. Другие примеры нанобиотехно­логических продуктов включают рекомбинантный человеческий инсулин, человеческий интерферон, человеческий и бычий гормоны роста, а также терапевтические антитела.
Производство терапевтических антител - сравнительно новая и весьма интересная область. Благодаря замечательным свойствам аффин­ности и специфичности, такие антитела останавливают патологические процессы в организме, действуя исключительно направленно и не затрагивая лишнего. Так, совсем недавно были разработаны гуманизи­рованные рекомбинантные моноклональные антитела, связывающие и ингибирующие биологическое действие фактора роста эндотелия сосудов, (коммерческое название - AVASTIN™). Лечение этим препаратом значительно повышает шансы на выздоравливание у пациентов с вторичной карциномой толстой кишки, не излечимой методами обычной химиотерапии.
Особое место занимает человеческий интерферон - белок, играющий ключевую роль в ответе человеческого организма на вирусную инфекцию, и человеческий гормон роста - важный регуляторный белок, обеспечивающий нормальный рост детей и подростков.
Многие другие белки исследуются в настоящее время с целью их применения в качестве лекарств. Один из факторов, ограничивающих распространение лекарств, основанных на белках и пептидах, - это невозможность их перорального приёма. В отличие от большинства низкомолекулярных лекарств, которые можно принимать в виде таблеток и сиропов, белки и пептиды обычно разрушаются в пищеварительном тракте. Поэтому белковые и пептидные препараты, подобные описанным выше, вводят исключительно с инъекциями, что сложно делать


14




самостоятельно. Решить эту важную проблему возможно с использованием нанотехнологий. Так, для безболезненного подкожного введения биомолекулярных лекарств можно использовать матрицы из сотен и тысяч крошечных наношприцев. Другой пример - использование наноносителей. В частности, исследуются носители, которые транспортируют лекарство через начальные отделы пищеварительного тракта, но освобождают его только в кишечнике. Также изучаются наноносители, способные преодолевать гематоэнцефалический барьер и доставлять лекарственные пептиды для лечения опухолей мозга и различных нейродегенеративных заболеваний. Наноносители могут создаваться путем самосборки из материалов биологической (таких как пептидные наносферы, или липидные липосомы) или небиологической природы (таких как мицеллы амфифильных молекул).
Основная задача диагностической биотехнологии - обнаружение и количественное определение биологических материалов биохимическими методами, такими как иммунохимический анализ, ферментативные реакции, а также с помощью РНК- и ДНК-технологий. Применение наносборок и наноконструкций позволит значительно повысить чувствительность и специфичность подобных диагностических методов.
В список нанотехнологических продуктов для диагностики, основанных на иммунохимическом анализе, входят тест-полоски для определения беременности (они содержат антитела, выявляющие малейшие следы человеческого гормона, называемого хорионическим гонадотропином (chorionic gonadotropin, hCG)). Другими примерами служат наборы для выявления ВИЧ и гепатита.
Эффективность диагностики повышается за счёт высокой аффинности и специфичности, присущих молекулярному узнаванию. Разобравшись в устройстве и принципах работы биологических молекулярных "меток" и их "детекторов", обеспечивающих молекулярное узнавание, в дальнейшем можно эффективнее использовать принцип узнавания для решения различных задач диагностики. Повышение чувствительности таких методов позволит при диагностике использовать намного меньшее количество образца. Например, для определения


15




ключевых биологических показателей содержания глюкозы будет достаточно совсем маленькой капли крови - объем крови реально уменьшить с нескольких микролитров до нанолитров. Это уменьшит неприятные ощущения при заборе крови для определения уровня глюкозы. Фантазируя дальше, можно вообразить наноустройство, измеряющее содержание глюкозы в крови с помощью электрохимической реакции и чипа с наноэлектродами, соединенного с системой автома­тического дозирования, выделяющее в кровь инсулин согласно заданной программе. Такое наноустройство могло бы заменить некоторые функции поджелудочной железы, которые она теряет при остром (тип I) или хроническом (тип II) диабете.
Человечество на протяжении всей своей истории использует биоматериалы - изделия из дерева, хлопка, шерсти - жилища, мебель, одежда, книги. Биоматериалы экологически более приемлемы - они одновременно и прочные, и могут быть достаточно легко утилизируемы посредством биодеградации. Биоматериалы прекрасно совместимы с живыми тканями, следовательно, они идеальны для медицинских применений.
Комбинация биологических машин с неорганическими конструк­циями, например, светочувствительных белков или антител с кремние­выми микрочипами, позволяет создавать гибридные устройства, которые выполняют функцию интерфейса между миром бионаномашин и макромиром компьютеров и электроники, и проектировать сенсорные системы, позволяющие регистрировать, реагировать и управлять собы­тиями на наноуровне. Использование биомолекул (таких как ДНК и белки) для создания металлических наноструктур - одна из задач био­нанотехнологии. Подобные структуры могут быть использованы в компьютерах и других устройствах будущего, не связанных напрямую с биологией.