Открытия, которые в обозримом будущем могут коренным образом изменить нашу жизнь, сегодня делаются на стыке наук: биологии и математики, химии и физики, медицины и нанотехнологии.

Член-корреспондент РАН, доктор медицинских наук Михаил Владимирович Дубина собрал в Академическом университете РАН биологов, физиков, нанотехнологов, которые учатся друг у друга и вместе работают на границе наук и технологий.

С некоторыми результатами своей деятельности ученые познакомили журналистов на очередном заседании клуба «Матрица науки» в Санкт-Петербургском пресс-центре «РИА Новости».

Лаборатория нанобиотехнологий в Академическом университете была создана в 2008 году с целью разработки новых биосовместимых наноматериалов и электронных устройств, предназначенных для изучения и управления биологическими процессами.

Нанотехнологии – это область научных знаний, которые направлены на решение технологических проблем, связанных с манипуляцией атомами и молекулами в диапазоне от 1 до 100 нанометров (10^-9 м). При уменьшении размера изучаемого объекта до масштабов 100 нм и менее на смену классическим физическим законам взаимодействия приходят квантовые.

Конечно, нанообъекты, чьи размеры составляют менее 100 нм, существовали до того, как им было придумано такое название, и даже до появления людей вообще. Но молекула гемоглобина не может считаться нанобиотехнологичной, так как она создана природой. Толщина клеточной стенки составляет 7–8 нм, а длина одного нуклеотида в составе ДНК составляет всего лишь 0,33 нм.

Все это соответствует по размеру, но есть и другое необходимое условие того, чтобы объект считался нанотехнологичным: он должен быть либо синтетическим, то есть искусственным, но биологически-направленным, либо природным, но модифицированным какими-то искусственными методами. Третья необходимая составляющая нанобиотехнологического продукта – он должен быть управляемым.

Михаил Владимирович напомнил о первом нанотехнологичном лекарстве, которое и положило начало направлению. Хорошо известен противогрибковый препарат «Амфотерицин B» – очень эффективное, но токсичное лекарство. Избавляясь от грибка, пациент практически терял еще и почки. Чтобы уйти от этого побочного эффекта, в 80-х годах прошлого века препарат растворили в жире, превратив в так называемую липосомальную форму, то есть частица препарата оказывалась внутри крохотной капли жира. Благодаря тому, что стенки грибка имеют сродство с этой липосомальной оболочкой, препарат попадает внутрь грибка, сильно снижая воздействие на другие ткани и органы.

Следующим этапом стало предложение идеи «волшебной пули», такого набора наночастиц, которые не только оказывают терапевтическое воздействие, но и позволяют направить лекарство строго в нужное место.

Возможности манипулировать такими объектами дает понимание того, как они устроены и почему именно так. Область интересов Михаила Владимировича Дубины – онкология. О том, почему некоторые клетки становятся раковыми, ученые спорят уже много лет и выдвигают все новые и новые гипотезы. Но, как оказалось, дело не только в том, что в ДНК происходят определенные мутации, но и то, в каком порядке они происходят и через какое время, тоже имеет значение. Все наши достижения в генной инженерии по внедрению ДНК в чужую клетку – это лишь попытки воспроизвести эволюцию вирусов, которая насчитывает много миллионов лет.

А панацея XX века – антибиотики – все хуже и хуже справляются с бактериями. Эти проблемы – новые задачи для нанотехнологов.

Игорь Елисеев, аспирант лаборатории нанобиотехнологий, рассказал об антибактериальных пептидах, за которыми, по мнению ученых, будущее в области борьбы с бактериальными инфекциями. Антимикробные вещества, представляющие собой короткие молекулы из 24–40 аминокислот, известны давно. Есть они и у человека, и у самих бактерий. Одно из ценных свойств, которыми они обладают, – к ним почти не вырабатывается резистентность, а, следовательно, бактериям очень сложно им противостоять. И, конечно же, ученым хотелось бы использовать эти качества для создания лекарств. Антибактериальные пептиды действуют примитивно, попросту разрушая оболочку бактерии. Но при высоких концентрациях можно навредить не только патогенной бактерии, но и себе. Поэтому очень важно уменьшить их токсичность и на основе естественного вещества конструировать белки с заданными свойствами.

Несколько лет назад в Массачусетском технологическом университете была предпринята попытка сконструировать искусственные антимикробные пептиды с помощью лингвистики. Лингвистический анализ позволил выявить в известных антимикробных пептидах около 700 «характерных фраз» (паттернов) длиной в несколько аминокислот, которые есть у всех. Игорь Елисеев и его коллеги совместно с Институтом экспериментальной медицины решили продолжить эту работу, и им удалось синтезировать пептиды, которые успешно справляются с кишечной палочкой и некоторыми разновидностями стафилококка. Одновременно с разработкой нужно решить проблему токсичности, ведь антимикробные пептиды довольно универсальное оружие и могут нанести вред и здоровым клеткам и тканям. Поэтому, скорее всего, это будут местные препараты, или же составные части «волшебной пули», о которой шла речь выше.

Увы, до внедрения в клиническую практику еще далеко, так как государственная машина и финансовый вопрос – более серьезное препятствие для молекул, чем бактериальная мембрана. Как пояснил Михаил Владимирович, самые современные и эффективные на сегодняшний день лекарственные препараты были разработаны в 80–90-е годы прошлого века. Сейчас наука уже вышла на принципиально другой уровень, но сегодняшние разработки дождутся своего часа, скорее всего, еще через несколько десятилетий.

Физик Андрей Чернев работает над проектом, который можно назвать символичным для нанобиотехнологий вообще. С одной стороны, это генетика, с другой стороны – это гетеро-структуры, за которые Нобелевскую премию получил Жорес Иванович Алферов. И если все получится, то это будет переворот в генетических исследованиях, считает Михаил Владимирович Дубина. Речь идет о разработке нанобиосенсора, с помощью которого можно будет получить дополнительные характеристики для биологических объектов. Как уже было сказано, многие заболевания начинаются с нескольких мутаций, которые в определенной последовательности происходят в ДНК. Поиск этих мутаций, маркеров для их обнаружения – одно из важнейших направлений в современной медицине. Делается это при помощи полимеразной цепной реакции (ПЦР), когда определенный участок ДНК, если он есть в исследуемом материале, умножается во много-много раз для того, чтобы существующие на сегодняшний день методики могли работать с этим количеством. Результатом же проекта, о котором идет речь, должен стать полупроводниковый кристалл, который при взаимодействии с короткими молекулами ДНК сможет выдать количественные и качественные характеристики всего лишь одного гена в буквальном смысле.

Андрей Чернев привел пример с кремниевыми технологиями, которые сейчас лежат в основе любого компьютера или мобильного телефона. Примерно то же самое планируется создать и для анализа ДНК, чтобы обеспечить мгновенное получение результатов и обработку огромных массивов данных.

Эта технология должна превзойти и полупроводниковое секвенирование, в основе которого лежит фиксирование ионов, которые выделяются при присоединении нового нуклеотида к нити ДНК. Сейчас это фантастика, но усилиями наших молодых ученых она движется к тому, чтобы стать реальностью.