Нанотехнологии.

НАНОТЕХНОЛОГИИ

Интересующие вопросы

• польза нанотехнологий (зачем они вообще нужны человечеству);
• опасные последствия применения их в жизни;
• почему в России боятся нанотехнологий?
• способна ли Россия «догнать и перегнать» Запад и Азию в сфере нанотехнологий?
• что придет на смену нанотехнологиям и придет ли вообще что-то?
• каково применение их в разных сферах – медицине, IT, автомобилестроении, в быту, при освоении космического пространства, в роботостроении, в оружии будущего и в других областях?
• н аконец, многих сегодня просто интересует, что такое вообще нанотехнологии.

• Нанобактерии — круглые либо овальные органо-минеральные структуры размером от 30 до 200 нм, способные к самостоятельному размножению.
• Термин нанобактерии впервые ввёл Ричард Морита в 1988, однако "отцом" нанобактерий считается Роберт Фолк. Начиная с 1992 он опубликовал серию работ по нанобактериям.
• Живая природа нанобактерий до сих пор признается не всеми.

Сравнение бактерий и вирусов по размерам

Структуры, напоминающие нанобактерии,

найденные в образцах метеорита

Известно, что:

• Нанобактерии имеют клеточное строение
• Они имеют исключительно малый, сопоставимый с размером мельчайших вирусов .
• В отличие от вирусов, они способны размножаться вне живых клеток, в том числе на искусственных питательных средах.
• Они содержат ДНК неустановленной (пока) структуры и ограниченное количество специфических белков (до нескольких десятков).
• Рост и размножение нанобактерий сопровождается синтезом нуклеиновых кислот и белков .
• Скорость роста нанобактерий исключительно низкая – примерно в 10000 раз меньше, чем скорость роста обычных бактерий
• Одни и те же нанобактерии, предположительно, с "одинаковым успехом" способны расти как в окружающей среде, так и внутри эукариотических организмов.

• Метаболизм нанобактерий, по-видимому, сильно отличается от метаболизма других организмов, и по неясным пока причинам тесно связан с процессами б иоминерализации.
• Нанобактерии не синтезируют собственные аминокислоты (и, возможно, нуклеотиды), а используют уже готовые, полученные из окружающей среды
• Концентрация растворенных веществ, и, следовательно, осмотическое давление внутри нанобактерий не отличается от окружающей среды. В связи с этим нанобактериям не требуются энергозатратные системы поддержания внутриклеточного гомеостаза.

• Нанотехнологии – технологии, которые имеют дело с объектами размером не более 100 нм и используют их уникальные свойства, возникающие вследствие того, что в наночастицах, благодаря их малым размерам, существенно изменяются физико-химические свойства вещества.

Мировой рынок нанотехнологий к 2015 году

• Общий объем рынка – 1 трил. $
• Основные продукты на рынке:

• Наноматериалы; Нанобиотехнология; Наноэлектроника
• Наноматериалы;
• Нанобиотехнология;
• Наноэлектроника

ДНК - структура наноразмеров . Наиболее обычная конформация ДНК - это B-ДНК (в центре), которая закручена в правостороннюю двойную спираль диаметром около 2 нанометров. Один полный оборот спирали занимает приблизительно 3,5 нанометра, на которых помещается от 10 до 10,5 пар оснований. В особых условиях ДНК может образовывать левостороннюю двойную спираль, называемую Z-ДНК (справа).

ДНК В НАНОТЕХНОЛОГИЯ Х

• ДНК - идеальная молекула для создания структур нанометровых размеров. Создавая цепи с соответствующими комбинациями комплементарных (взаимодополнительных) оснований, которые преимущественно связываются между собой, образуя цепи двойных спиралей, цепи ДНК можно запрограммировать так, чтобы они самособирались в сложные структуры.
• "Строительные леса" из ДНК могут удерживать молекулы - гости в регулярной решетке для целей кристаллографии. Они могут также поддерживать электронные устройства молекулярных размеров или использоваться для создания материалов с точно заданными молекулярными конфигурациями.
• Машины нанометровых размеров из ДНК могут функционировать на основе того, что части их структуры изменяются при переходе от одной конформации ДНК к другой. Этими движениями можно управлять химическим путем или при помощи специальных цепей ДНК.

Конструирование с помощью ДНК

Постгеномные технологии возникли на основе знаний о геномах живых систем, прежде всего, генома человека

• Геномика — раздел молекулярной генетики , посвященный изучению генома и генов живых организмов.
• Геномика сформировалась как особое направление в 1980—1990-х гг. вместе с возникновением первых проектов по секвенированию геномов некоторых видов живых организмов.
• Первым был полностью секвенирован геном бактериофага в 1980 г.
• Следующим этапным событием было секвенирование генома бактерии Haemophilus influenzae (1995).
• После этого были полностью секвенированы геномы еще нескольких видов, включая геном человека (2001 — первый черновой вариант, 2003 — завершение проекта).

Применение постгеномных технологий

• Для определения геномного полиморфизма
• Для создания новых лекарств
• Для ранней диагностики рака (протеомные технологии)
• Нанобиотехнологии

Протеомика

• Новая научная дисциплина, которая занимается инвентаризацией белков и выявляет белки, ответственные за те или иные патологические процессы
• Она устанавливает связь между набором белков и началом развития заболевания (ранняя диагностика)

Протеиновая структура рибосомы - реалистичная модель

Проблемы протеомики

• Огромное разнообразие белков: 30000 генов х 200 возможных модификаций = 6000000 белков.
• Огромный диапазон концентраций – от нескольких молекул до сотен миллионов

Нанотехнологии в медицине - наномедицина

• Нанодиагностикумы
• Наночастицы как контейнеры для доставки лекарств и вакцин
• Наночастицы как лекарства
• Синтетические геномы
• Нанороботы медицинского назначения
• Наноматериалы в регенеративной медицине

Нанотехнологии в медицине - неномедицина

• Нанороботы, разыскивающие внутри организма очаги заболеваний и устраняющие их
• Наноустройства, выполняющие функции эритроцитов, тромбоцитов и макрофагов

Ученые показали, что обычная бактерия может работать в качестве транспорта по доставке лекарств, что открывает новые возможности в области генной терапии.

Размеры наночастиц – от 40 до 200 нанометров, их ученые прикрепили на поверхность бактерии специальными молекулами-линкерами. На одной бактерии можно разместить до нескольких сотен наночастиц, расширив таким образом количество и «типы» грузов, которые нужно доставить.

Преимущества н а носистем по доставке лекарств

• Повышается растворимость многих лекарств
• Улучшается их проникновение в клетки
• Способность проникать через мембранные барьеры
• Уменьшается токсичность

Три аллотропных состояния углерода

• Графит
• Алмаз
• Фуллерены

• В 1985 году была обнаружена и синтезирована принципиально новая форма углерода – фуллерен.
• В 1985 году была обнаружена и синтезирована принципиально новая форма углерода – фуллерен.

• Фуллере́ны — молекулярные соединения, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов углерода.
• Углеродные нанотрубки — протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров

Фуллерены и нанотрубки

Структуры модифицированных фуллеренов

Нанокапсулы доставки лекарств в крови

П ерспективы использования фуллеренов в медицине

• О рганические производные фуллерена обладает активностью против вируса С ПИД
• С пособность действовать в качестве биологических антиоксидантов
• И спользование в фотодинамической терапии
• И спользование как контрастирующих агентов в ЯМР-томографии
• Фуллерены весьма перспективны для диагностики, терапии рака и иммунотерапии
• Фуллерены не токсичны для человека

• Искусственные клетки крови нанометрических размеров – “респироциты” (эритороцитарные нанороботы).
• В 250 раз эффективнее эритроцитов

• Механический фагоцит – способен полностью уничтожать бактерии, вирусы и микропаразиты размером менее 2 мкм, что позволит очистить кровь животного или человека от заражения
• В 80 раз эффективнее по сравнению с макрофагами

Механические тромбоциты

• Учёные из Института молекулярной биологии РАН приступили к сертификации биочипов для выявления разновидностей вируса гепатита С. Рыночный потенциал новой технологии огромен: с использованием традиционных методов не удаётся установить разновидность вируса в каждом третьем случае, тогда как биочипы позволяют спрогнозировать тяжесть протекания болезни и назначить правильную терапию с эффективностью, близкой к 100 процентам .

Новейшие разработки в области нано(био)технологий в медицине

• Создание искусственных ресничек
• Создание биосенсоров на основе измерения проводимости отдельных фрагментов ДНК (для диагностики опасных мутаций и повреждений ДНК)
• Создание биороботов и решение проблем старения
• Создание искусственной кожи и сетчатки

• Создание фотокаталитических нанокомпозитных покрытий для:

• Антимикробной очистки воздуха в помещениях Для защиты памятников культуры от биопоражения
• Антимикробной очистки воздуха в помещениях
• Для защиты памятников культуры от биопоражения

Биогенное выветривание

Биообрастания памятников

Мхи

Микробное сообщество

• Высокая деструктивная активность
• Связь с различными формами разрушения камня
• Устойчивость к внешним воздействиям
• Усвоение различных источников C и N 2
• Способствует аккумуляции на поверхности камня атмосферных загрязнений
• Неограниченный рост
• Сложный состав и структура

Памятник младенцу Бутурлину Николаю

до и после после защитной обработки

Защитные покрытия на основе фотокаталитического эффекта

Под воздействием света образуется активный кислород, который подавляет биодеструкторов и способствует удалению загрязнений

• Высокая адгезия, стойкость и прочность
• Разрабатываются с использованием нанотехнологий
• Долговечность
• Самоочищение
• Высокая антимикробная активность
• Экологическая безопасность

Нанотехнологии в сельском хозяйстве

• Борьба с вредителями и болезнями растений
• Получение сельскохозяйственных продуктов
• П ри упаковке и хранении пищевых продуктов. При помощи наночастиц серебра, обладающих активным антимикробным действием, можно эффективно дезинфицировать различные виды продуктов
• Повышение урожайности с.х. культур
• Биологически активные подкормки скота на основе нанотехнологий позволяют снизить заболеваемость животных, повысить их массу

ТРАНСГЕННЫЕ РАСТЕНИЯ. ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

• Трансгенными могут называться те виды растений, в которых успешно функционирует ген (или гены) пересаженные из других видов растений или животных.
• Делается это для того, чтобы растение реципиент получило новые удобные для человека свойства, повышенную устойчивость к вирусам, к гербицидам, к вредителям и болезням растений.
• Пищевые продукты, полученные из таких генноизмененных культур, могут иметь улучшенные вкусовые качества, лучше выглядеть и дольше храниться.
• Также часто такие растения дают более богатый и стабильный урожай, чем их природные аналоги.

Создание трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям:

• Получение сортов с/х культур с более высокой урожайностью
• Получение с/х культур, дающих несколько урожаев в год (например, в России существуют ремантантные сорта клубники, дающие два урожая за лето)
• Создание сортов с/х культур, токсичных для некоторых видов вредителей (например, в России ведутся разработки, направленные на получение сортов картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок)
• Создание сортов с/х культур, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям (например, были получены устойчивые к засухе трансгенные растения, имеющие в своем геноме ген скорпиона)
• Создание сортов растений, способных синтезировать некоторые белки животного происхождения (например, в Китае получен сорт табака синтезирующий лактоферрин человека).
• Трансгенные растения – продуценты вакцин и лекарств

Нанотехнологии в экологии

• Мониторинг окружающей среды (создание высоко чувствительных нанобиосенсоров)
• Разработка наночипов на основе клеток природных и модифицированных микроорганизмов для мониторинга состояния окружающей среды
• Устранение последствий загрязнения окружающей среды (особенно в районах захоронения радиоактивных отходов)
• Безотоходные нанотехнологические методы в промышленности

1. Нанодиагностика и нанодетекция

• Это конструирование биологических узнающих систем.
• Исследователи разрабатывают наноструктурные истемы детекции биоорганических субстанций, бактерий, вирусов для использования в молекулярной биологии, медицине, экологии, криминалистике.
• Создаются нанобиосенсоры для генодиагностики, наркодиагностики, мониторинга лекарств, нанокомплексы, пригодные для внутривенного введения, состоящие из биосенсоров с наночастицами ).
• В рамках этого направления будут разрабатываться системы гигиенического надзора безопасности нанотехнологического производства и нанопродукции и фактически будет создана отдельная дисциплина наноэтика.

2. Н анолекарства

• Это конструирование новых лечебных препаратов.
• Создаются лекарства для клеток#мишеней и клеточных наноструктур, включая генотерапию, новые противоопухолевые, кардиотропные и психотропные средства, новые антибиотики, иммуномодуляторы, аллерготропины и наноантитела для лечения иммунодефицитов, аллергии, опухолей и аутоиммунных заболеваний.
• У ченые работают над адресным преодолением клеточных мембран, различных биологических барьеров для адресной доставки лекарств.

3. Н ановакцины

• Это конструирование иммуногенов, миниантител, наноантител. В первую очередь, речь идет о создании вакцин нового типа против туберкулеза, СПИДа, гепатитов, гриппа и других новых и возвращающихся социально значимых инфекций.
• С помощью нанотехнологий становятся возможными противоопухолевая защита организма, адресное стимулирование или подавление его иммунитета.

4. Нанотрансгенез, или трансгенное наноконструирование

• Т рансгенез бактерий, вирусов, создание различных векторных наноконструктов.
• Трансгенез растений
• Т рансгенез животных.

5. Н анобионика

• Создание нанокомпонентов для новых кровезаменителей .
• Создание нанотрубок для депонирования в тканях биоактивных субстанций .
• Создание безаллергенных биоматериалов .
• Создание энерготрасформирующих наносистем и нанороботов.
• С оздание модельных живых клеток и искусственных вирусов.