Сергей Суматохин - Нанобиотехнологии: становление, современное состояние и практическое значение

Задачи, решаемые методом атомно–силовой микроскопии в этом диапазоне размеров, чрезвычайно разнообразны: идентификация микроорганизмов по их морфологии, исследование влияния различных веществ на жизнедеятельность клеток, визуализация и контроль образования фермент–субстратных комплексов, контроль размеров, структуры и стабильности различных наноструктур, использующихся для доставки лекарственных средств, визуализация единичных биомолекул и многое другое. Гибкость методик атомно–силовой микроскопии позволяет ученым шире применять их в биохимии, молекулярной биологии и биотехнологии.

Биологический мир буквально наполнен биологическими нанообъектами, имеющими линейные размеры 1–100 нм по крайней мере в одном измерении. К ним относят молекулы белков, ДНК, РНК и полисахаридов, которые формируют внутриклеточный каркас (цитоскелет) и внеклеточный матрикс, мембранные каналы, систему внутриклеточной сигнализации, молекулярные

машины для синтеза, упаковки и утилизации белков и нуклеиновых кислот, производства энергии, внутриклеточного транспорта и движения клеток.

Внеклеточные структуры также могут иметь наноразмерные характеристики. Так, экзосомы и везикулы, переносящие материал между клетками, имеют диаметр 65–100 нм. Частицы липопротеинов плазмы крови, транспортирующие липиды в организме, составляют 8–50 нм.

Биологические наноструктуры, образуемые на основе белка, называют белковыми наноструктурами. Они очень разнообразны по размерам и трехмерной структуре. Разнообразие белковых наноструктур обусловлено: большим количеством аминокислотных остатков в молекуле полипептида (от нескольких десятков до нескольких сотен); способностью каждого из аминокислотных остатков приобретать около 10 пространственных конфигураций и вступать в разнообразные связи с другими молекулами белка.

Ученые установили, что в живом организме форма и размеры исходных белковых наноблоков более строго определяют форму и структуру надмолекулярных комплексов, чем в искусственных условиях. Это обстоятельство заинтересовало исследователей.

Используя отличия в поведении белковых молекул в искусственных условиях, ученые смогли получать разные белковые наноструктуры, даже такие, которые не образуются в живых организмах. Получаемые белковые наноструктуры выделяют из среды, очищают и кристаллизуют. Затем их изучают с использованием физических и химических методов. Результаты исследований белковых наноструктур используют при конструировании нанокомплексов в лабораторных и производственных условиях.

Рассмотрим первые достижения в этом направлении.

Российские ученые из Института биоорганической химии РАН первыми разработали технологию автоматической сборки наночастиц с помощью молекул некоторых белков, выделенных из палочкообразных бактерий. Эти белки стали использовать в качестве «роботов» на сборочной линии наночастиц.

Собранные таким способом наночастицы представляют интерес для медицины и биотехнологий. К этим наночастицам можно присоединять молекулы лекарств, радиоактивные частицы для диагностики и лечения раковых заболеваний. В наночастицу можно вмонтировать радиоактивный изотоп, флуоресцентную частицу, лекарства, токсины.

Ученые сингапурского Института биоинженерии и нанотехнологий сконструировали и применили наночастицы с антимикробными свойствами вместо антибиотиков, к которым у микроорганизмов выработалась устойчивость.

Для решения этой проблемы использовали катионные белки. На основе молекул этих белков были созданы самособирающиеся белковые наночастицы. Они обладают антимикробным действием и способны заменять традиционные антибиотики. При этом белковые наночастицы действуют на множество микроорганизмов и уничтожают даже те, у которых выработалась устойчивость против большинства современных антибиотиков.

Испытания созданных наночастиц на некоторых устойчивых к антибиотикам микроорганизмах (бактерий, грибов и дрожжей) показали высокую активность и не обнаружили вредных побочных эффектов. Руководитель этого исследования И-Ян Янг отметил, что сконструированные «наночастицы с лёгкостью «пробивают» мембраны бактерий, дрожжей и грибов, дестабилизируют и убивают клетки». Под электронным микроскопом в мембранах погибших бактерий хорошо видны многочисленные поры, образованные наночастицами.

Лечебное действие этих наночастиц проверили на лабораторных животных. Подопытным мышам вводили в мозг минимальную летальную дозу золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Этот возбудитель вызывает острое воспаление мозга (менингит) и при отсутствии лечения в течение 48 ч приводит к 100 %‑ной гибели. Одновременное и повторное через сутки введение наночастиц с антимикробными свойствами позволило сохранить жизнь многим животным.

Положительный лечебный эффект использования белковых наночастиц с антимикробными свойствами во многом объясняется тем, что они легко преодолевают гематоэнцефалический барьер и борются с инфекцией уже «на местах». Это невозможно для обычных антибиотиков. Полученные результаты подтвердились при проверке на препаратах мозговой ткани подопытных кроликов. Таким образом, сконструированные учеными из Сингапура наночастицы — перспективное средство лечения различных инфекционных заболеваний.

По сравнению с антибиотиками белковые наночастицы с антимикробными свойствами обладают двумя преимуществами: проникают через клеточные и тканевые барьеры, «сооружаемые» организмом вокруг органов, в том числе и больных органов; не приводят к нежелательным побочным эффектам.

На основе механизмов функционирования белков–переносчиков и белков–рецепторов ученые разработали нанобиосенсоры. Нанобиосенсор — это искусственное наноустройство, создаваемое на основе углеродной нанотрубки, в котором чувствительный слой содержит рецепторы (антитела, ферменты) и реагирует на присутствие определяемого компонента в биологическом материале.

Нанобиосенсор генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Высокочувствительные нанобиосенсоры позволяют выявлять специфические белки, вирусы или ДНК в органах, тканях, клетках и биологических жидкостях.

Нанобиосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из биохимического и физического преобразователей, находящихся в тесном контакте друге другом.

Читать дальше