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

Таким образом, наибольший интерес для медицины представляют два направления использования нанобиосенсоров в совокупности с нанокапсулами: обнаружение антител, специфичных к антигенам больных клеток, и избирательная доставка лекарств непосредственно к больным клеткам.

Одна из серьезных проблем генотерапии — доставка терапевтической молекулы ДНК внутрь ядра больной клетки. Если это удается сделать, то ДНК производит белки, корректирующие генетическое заболевание.

Группа американских исследователей из Университета Пэрдью в качестве средства направленной доставки лекарств к больным клеткам предложила использовать безвредные штаммы бактерий. Они способны проникать в клетку и доставлять внутрь ядра полезный «груз» из наночастиц.

Сначала ученые присоединили ДНК к поверхности наночастиц. Затем прикрепили их к бактериям в качестве полезного «груза». После этого «нагруженная» бактерия проникала в клетку и доставляла ДНК в ядро, заставляя его синтезировать светящийся зеленым флуоресцентный белок.

Ученые предположили, что наночастицы могут нести на себе лекарства, гены, наносенсоры. Полезный «груз» можно выбирать так, чтобы при доставке в различные участки клетки он мог выполнять как диагностическую, так и лечебную функцию.

Участвовавший в исследовании Рашид Башир отметил, что «существует множество комбинаций бактерий и наночастиц, мы можем выбирать из них ту, которая больше всего подходит для данных клеток. Другими словами, мы можем лечить самые разные заболевания». При проведении экспериментов ученые использовали культуры раковых клеток развившихся в различных тканях, включая кишечные, печеночные, яичников, груди. В результате был предложен новый метод, позволяющий доставлять генетический материал в различные органы, включая печень и почки.

Преимущество нового метода доставки лекарств в клетки состоит в том, что бактерия может нести на себе сразу сотни нано частиц. Каждая из них, в свою очередь, — сотни молекул лекарств. Благодаря этому можно вводить в клетки и относительно крупные структуры, например наносенсоры, углеродные нанотрубки.

Наносенсоры могут применяться для j регистрации активности внутри клеток при ранней диагностике рака. Их можно использовать для наблюдения за развитием заболевания и успешностью лечения. Доставленные в клетки и подвергнутые действию света углеродные нанотрубки могут нагреваться и убивать только больные клетки.

Группа немецких биологов из Научно–исследовательского центра в г. Дрезден — Россендорф в захоронениях урановой руды на отработанном руднике в Саксонии обнаружила бактерию Bacllus sphaercus JG-A12. Для защиты от действия урана эта бактерия образует очень прочную наружную белковую оболочку с множеством нанопор.

Немецкие ученые поместили бактерии в солевой раствор палладия и наблюдали за ними в инфракрасном спектре. В ходе наблюдений было обнаружено, что в нанопорах оболочки бактерии образуются нанокластеры палладия. Получаемые с помощью бактерий наночастицы окружены мембраной, поэтому их легко можно выделять из раствора.

В ходе дальнейших исследований ученые установили, что по сравнению с палладием, получаемым традиционным способом, палладий из оболочки бактерий проявляет большую каталитическую активность, например при очистке автомобильных выхлопных газов.

Бактерии с палладиевыми нанокристаллами ученые поместили в реактор для очистки сточных вод, где ядовитые соли хромовой кислоты превращаются в безвредные соединения хрома. «Естественный» катализатор в виде бактерий с палладиевыми нанокристаллами оказался чрезвычайно устойчивым. Он функционировал три месяца, тогда как стандартные промышленные устройства работают меньше недели. Исследователи предполагают, что такой способ очистки растворов и синтеза катализаторов может стать общепринятым для химических производств, но для этого понадобится примерно 10 лет.

Помимо палладия, бактерии оказались способными извлекать из растворов платину и другие металлы. Зная способ и место соединения металла и оболочки Bacllus sphaercus JG-A12, исследователи генетически настроили бактерии на получение наночастиц золота диаметром от 5 до 15 нм. Наночастицы золота применяют в медицине при терапии злокачественных опухолей и лечении токсоплазмоза. Ученые предполагают, что направленная доставка с помощью золотых наночастиц ДНК, антигенов и лекарств является одним из перспективных направлений в биомедицине.

С помощью бактерий исследователи научились получать наночастицы серебра и сплава золота с серебром. Это стало несомненным успехом, так как производить наночастицы в таком узком диапазоне размеров биологическими методами ранее никак не удавалось. Формируемые в бактериях наночастицы металлов представляют интерес для различных наноконструкций и технологических производств.

Магнитными наночастицами называют наночастицы, имеющие постоянный или наведенный магнитный момент. Ученым долгое время не удавалось получать магнитные наночастицы одинакового размера и формы. В ходе исследований было обнаружено, что магниточувствительные бактерии (Magnetotactc bactera) при комнатной температуре синтезируют кристаллы магнетита одинаковой формы и близкие по размерам. Для этого у магниточувствительных бактерий есть специальные органеллы — магнетосомы . Обычно в клетке бактерии содержится от 15 до 20 кристаллов магнетита, которые помогают ей ориентироваться относительно геомагнитного поля.

Специальную технологию выращивания однородных кристаллов магнетита с помощью магниточувствительных бактерий разработали английские ученые из университета Лидса. Для этого бактериями покрывали участки золотой подложки. Затем ее помещали в раствор солей железа. При температуре +80 °C на покрытых бактериями участках образовывались однородные нанокристаллы магнетита.

В дальнейшем было выяснено, что размеры магнитных наночастиц зависят от условий культивирования бактерий. Изменяя эти условия, исследователи получали магнитные наночастицы нужного размера. Они накапливались в цитоплазме бактерий и легко выделялись из них.

В настоящее время синтезирован широкий спектр магнитных наночастиц на основе железа, кобальта, никеля, оксидов железа, ферритов. В биомедицине наиболее широкое применение получили частицы наноразмерного оксида железа. Это обусловлено их низкой токсичностью и стабильностью магнитных характеристик.