Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

Пока в этой конкуренции Украина имеет существенные преимущества перед западными странами благодаря наработкам Института проблем криобиологии и криомедицины НАНУ. Эти преимущества нужно сохранить и приумножить.

– Общая тенденция развития материаловедения за последнее столетие направлена на переход от создания массивных материалов, работающих на макроуровне, к миниатюрным материалам, действующим на уровне отдельных молекул и наноструктур, – комментирует результаты общей работы академик Владимир Семиноженко. – Именно из таких «материалов» состоят живые организмы. Поэтому вполне логично, что новые нано– и молекулярные материалы находят применение в первую очередь в биологии и медицине. Так, в НТК «Институт монокристаллов» НАНУ работают всемирно известные научные коллективы, специалисты которых разрабатывают материалы, способные работать даже на уровне отдельных компонентов клеток и отдельных биомолекул. В то же время Институт проблем криобиологии и криомедицины НАНУ имеет громадный опыт в области изучения и использования клеток и тканей.

Результаты уникальных экспериментов, которые открывают новую главу в исследовании биологии тканевых и клеточных биоматериалов, были представлены на научной конференции «Актуальные вопросы бионанотехнологий» Северо-Восточного научного центра НАНУ. Эти эксперименты можно было задумать, поставить и проанализировать только в содружестве ученых разных специальностей. Помимо специалистов из Института проблем криобиологии и криомедицины НАНУ, это биологи Юрий Микулинский и Елена Щегельская из диагностической лаборатории «Вирола», нейрохирург Владимир Пятикоп из Харьковского медицинского университета, офтальмолог Юрий Демин из Медицинской академии последипломного образования, физик Юрий Малюкин и химик Игорь Боровой из НТК «Институт монокристаллов».

Примечательно, что эта конференция была проведена под сопредседательством двух академиков НАНУ – физика Владимира Семиноженко и медика Валентина Грищенко.

– За последние годы медико-биологическое материаловедение стало одним из главных направлений работы нашего института, – подчеркнул Владимир Семиноженко. – Это гамма-томография, сапфировые имплантаты и хирургический инструментарий. Специалисты исследуют также структуру компонентов нуклеиновых кислот, способности некоторых высокомолекулярных соединений доставлять лекарства в заданные места организма, разрабатывают методы иммунноферментного анализа и тест-систем на различные заболевания

Вырастить органы из клеток

Стволовые клетки, которые лежат в основе клеточной и тканевой терапии, являются своего рода строительными базовыми единицами организма, способными трансформироваться в разные виды клеток. И содержатся в тканях и органах любого человека, однако в разных количествах: у молодых их много,  а  у людей преклонных лет – мало. Ученых привлекает «умение» стволовых клеток находить в организме очаг болезни и восстанавливать пораженное место. Однако жизнь клеток вне организма коротка. Поэтому, несмотря на то что они были обнаружены русским ученым Максимовым еще в начале прошлого века, условия для их изучения и использования появились значительно позже – когда ученые придумали, как стволовые клетки замораживать,  а  потом при необходимости оттаивать, чтобы они остались живыми и здоровыми

Одним из мировых лидеров в этой области науки является Институт проблем криобиологии и криомедицины НАНУ в Харькове, при котором создан Низкотемпературный банк биологических объектов, признанный национальным достоянием Украины. Здесь в условиях глубокого холода хранятся тысячи препаратов тканей и клеток, на основе которых разработаны методы клеточно-тканевой терапии в схемах лечения ряда тяжелых заболеваний. Ученые надеются также, что в ближайшем будущем на основе стволовых клеток будут созданы полноценные органы и ткани, необходимые больным для трансплантации.

Мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий составляют десятки миллиардов долларов. Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в этой сфере стали Япония и США

Существует ли риск при применении нанотехнологий?

На слушаниях в комитете по науке Палаты представителей Конгресса США главы экологических движений и промышленных корпораций заявили, что расходы на выяснение экологических и медицинских аспектов применения наноматериалов должны составлять 10-20 % всех затрат на нанотехнологии.

Дело в том, что миниатюрные наночастицы могут легко проникнуть в организм человека и животных через кожу, респираторную систему и желудочно-кишечный тракт. В частности, такое воздействие оказывают углеродные нанотрубки, которые считаются одним из самых перспективных наноматериалов близкого будущего. Однако до сих пор сведения о последствиях неконтролируемых выбросов наночастиц в окружающую среду остаются скудными.

Агентство по охране окружающей среды США опубликовало предварительный вариант Белой книги, посвященной обсуждению опасностей применения нанотехнологий. Ее авторы настоятельно рекомендуют ускорить проведение широкомасштабных исследований, нацеленных на выяснение опасностей и рисков, связанных с наночастичным загрязнением среды обитания. Ведь нанотехнологии являются «новой реальностью», которая пока не поддается законодательному регулированию.

 

 

 

 

Основные области применения  
нанотехнологии и наноматериалов в АПК

 

 

 

     При развитии биотехнологии, разработке новых материалов нанотехнологии имеют очень хорошие перспективы. Среди наиболее перспективных научных направлений в области биологии и сельского хозяйства эксперты называют воссоздание живой ткани как растительного, так и животного происхождения, получение новых материалов, создаваемых из заданных атомов и молекул. Прогнозируется появление новых открытий в биологии, химии и физике, способных оказать мощное воздействие на развитие цивилизации.

 

     По прогнозам Министерства торговли Великобритании, в 2015 г. спрос на нанотехнологии составит не менее 1 трлн. долларов в год, а численность специалистов, занятых в данной отрасли, вырастет до 2 млн. человек. Американская ассоциация «National Science Foundation», прогнозирует увеличение объема рынка товаров и услуг в мире с использованием нанотехнологий в ближайшие 10-15 лет до 1 трлн. долларов. В сфере здравоохранения использование нанотехнологии позволит увеличить продолжительность жизни и расширить физические возможности человека. В фармакологии в ближайшие 10-15 лет около половины всей продукции будет производиться с использованием нанотехнологии, что составит объем более 180 млрд. долларов. В химической промышленности нанотехнологии уже применяются во многих химических процессах, причем рост рынка составляет приблизительно до 100 млрд. долларов в год. По прогнозам экспертов рынок товаров с использованием нанотехнологий будет увеличиваться на 10% в год.

 

     В сфере защиты окружающей среды применение нанотехнологий ускорит развитие возобновляемых источников энергии, обеспечит более экономичные способы фильтрации воды, что позволит уменьшить загрязнение окружающей среды и будет способствовать экономии значительных ресурсов.

 

     Весьма актуальна проблема обеспечения человечества качественной питьевой водой. По оценкам экспертов к 2050 году две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пресной воде. Нанотехнологии позволят решить эти проблемы за счет использования недорогих децентрализованных систем очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и нанофильтрации.

 

     В сельском хозяйстве нанотехнологии помогут увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, сократить применение минеральных удобрений и пестицидов, помогут перевести значительные объемы сельскохозяйственной продукции в экологически безопасную область, увеличить производство натуральных продуктов. Согласно статистике численность мирового населения к 2050г. достигнет 8,9 млрд. человек, что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания.

 

     Применение нанотехнологий позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим условиям. Нанотехнологии могут быть успешно применены для создания биосовместимых материалов, восстановления тканей, создания неотторгаемых организмом искусственных тканей и сенсоров в животноводстве, а также для снижения негативного давления на природную среду.

 

 

 

Биотехнология и генная инженерия

 

 

 

     Развитие сельского хозяйства в значительной степени определяется необходимостью постоянного увеличения объемов выращиваемой продукции и сокращения потерь в процессе уборки, переработки, хранения, что приводит к интенсификации сельскохозяйственного производства и увеличению антропогенной нагрузки на окружающую среду. Теоретически интенсификация возможна в большинстве развитых стран, но она обычно приводит нарушению экологического равновесия. В этой связи постоянно возрастает интерес к нанотехнологиям в плане обеспечения населения безопасным продовольствием при соблюдении экологических норм.

 

     Анализ отечественных и зарубежных разработок показывает, что наиболее востребованными нанотехнологиями для решения задач сельского хозяйства, будут разработки в области биотехнологии и генной инженерии.

 

     Нанобиотехнология занимается биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровнях. С ее помощью можно решить многие проблемы биологии клетки и в целом сельского хозяйства. Нанобиотехнология открывает широкие возможности в переработке сельскохозяйственной продукции. Для повышения эффективности перерабатываемого сырья и получения новых видов продукции разрабатываются технологии получения пищевых добавок и лекарств методами микроинкапсулирования. В ее основе лежит производство свободносыпучих нанопорошков и распыление их в восках. Приготовленные таким образом продукты находят применение как исходное сырье для фармацевтической промышленности и так же при изготовлении продуктов питания. Это могут быть лекарственные вещества, витамины, минералы, сырье, получаемое из растений, или другие специальные продукты, для которых необходимо сохранить вкус и стабильность при хранении. В капсулированном виде они обладают повышенной стабильностью ингредиентов и пониженной реакционной способностью по отношении к другим компонентам, возможностью регулирования скорости выделения действующего вещества от нескольких минут до нескольких часов. Такой способ получения частиц позволяет строго контролировать процессы смешения всех ингредиентов в соответствии с рецептурой и последующей операцией таблетирования, что очень важно при производстве сложных препаратов. Капсулирование придает известным продуктам новые и неожиданные свойства, такие как маскировка вкуса, порошкообразные ароматические вещества, лучшее распределение пигментов или лекарств в композициях и т.д..

 

     Одним из самых многообещающих направлений научных разработок в этой сфере является создание наноконструкций. Большинство растений и животных на 95% состоит всего из четырех атомов: атомов водорода, кислорода, азота и углерода. Для того чтобы собирать биологические нанообъекты и связывать их другими молекулами, необходимо организовать идентификацию на молекулярном уровне. Атомы обладают возможностью самоорганизовываться или организовываться посредством опорной поверхности, поэтому они наиболее перспективны в качестве основы при производстве биологических наноструктур, новых биоматериалов.

 

     Огромные возможности нанобиотехнологии открывает клеточная инженерия. Растительные клетки из зон роста могут служить источником генетического потенциала, свойственного данному растению. Используя способность растительных клеток меристимной зоны превращаться в специальных средах в сформированное растение, меристимные клетки применяют для получения безвирусных растений и в селекционной работе для получения растений с заранее нужными свойствами.

 

     Развивающиеся направления физико-химической биологии в свою очередь расширяют возможности применения нанобиотехнологии. Это относится к генной инженерии, к созданию и использованию генетически модифицированных клеток. Сочетание различных фрагментов ДНК, позволяющее создавать необходимые генетические программы, показывает научную значимость исследований в данном направлении.

 

     В целях развития нанотехнологий в селекционной работе разрабатываются приемы, обеспечивающие возможность создавать и модифицировать объекты, с характерными размерами менее 100 нм. Сегодня молекулярно-генетические методы позволяют расширить и дополнить используемые эколого-географические и морфолого-биологические методы традиционной селекции. Нанобиотехнологии, как и классическая селекция, могут существенно влиять на производство и качество урожая, продуктивность растений, а также на поддержание и воспроизводство сортов с использованием генетической изменчивости и разнообразия. Новые нанобиотехнологические методы позволяют создавать рекомбинантные молекулы ДНК и новые организмы с заданными свойствами, что в свою очередь позволяет добиться получения принципиально новых сортов растений и сельскохозяйственных материалов.

 

     Нанобиотехнология вносит существенный вклад в улучшение комплексного питания растений, повышение сопротивляемости культур неблагоприятным климатическим условиям, стрессам, а также в борьбу с болезнями и вредителями. Одним из основных направлений нанобиотехнологии растений является получение культурных растений, не восприимчивых к воздействию вредных веществ. Гербициды широкого спектра действия, уничтожая сорные растения, оказывают угнетающее действие и на культурные посевы. Работа над данной проблемой ведется в двух направлениях: прямая селекция и создание трансгенных растений путем введения в клетку генов гербицид-толерантности.

 

     Введение генов инсектицидного белка-токсина и растительных белков защищает генетически модифицированные (ГМ) растения от широкого круга вредных насекомых. Применять инсектициды при выращивании таких растений не требуется. При изменении соотношения насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в мембранах растительных клеток были выведены холодоустойчивые, засухоустойчивые формы ГМ растений, а также ГМ растений, устойчивых к засолению почв, что значительно расширило ареал произрастания многих культурных растений.

 

     Необходимо отметить, что существует серьезная опасность использования генно- модифицированных организмов (ГМО) в пищевых цепях людей и животных.

 

     Бурный прогресс в области молекулярной и клеточной биологии обусловили появление беспрецедентных возможностей по изменению свойств живых организмов. Геномные исследования позволили предложить новые способы лечения различных ранее неизлечимых заболеваний, создать новые, строго специфичные лекарственные препараты и многое другое.