Наноматериалы, наноэлектроника и нанобиотехнологии

(Из доклада академика В.В. Власова)

Во второй части доклада директор Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН академик В.В. Власов рассказал о работах, ведущихся в области бионанотехнологии.

Нанобиотехнология, как ее определяет Совет РАН по нанотехнологии, — это конструирование новых материалов и устройств на основе естественных или синтетических макромолекул, конструирование новых биологических структур на основе синтетических биополимеров. Молекулярные биологи имеют дело с объектами порядка нескольких нанометров: все вирусы, белки, рибосомы, молекулы ДНК попадают в этот размер.

Академик В. В. Власов отметил, что,

«работая с нуклеиновыми кислотами и белками, мы всегда по сути занимались нанобиотехнологией, только не использовали этот недавно появившийся термин. Наверное, правильно будет сказать, что пока мы на данных объектах занимаемся фундаментальными исследованиями (это называется молекулярной биологией), но если исследования ориентированы на получение конкретного результата, на создание технологии, то это нанотехнология».

Молекулярно-биологические объекты обладают рядом замечательных свойств. Во-первых, они способны избирательно взаимодействовать друг с другом: например, белки обладают способностью связываться с другими определенными белками и органическими молекулами. Всем известно, что две цепочки ДНК образуют двуспиральную структуру.

Механизм избирательного взаимодействия биомолекул расшифрован, молекулы эти можно получать в больших количествах биотехнологическими методами и на их основе создавать новые материалы. В структуре этих материалов могут быть вмонтированы с высокой степенью упорядоченности любые вещества и нанообъекты, например, металлические наночастицы.

Бионанотехнологии можно применять не только для создания новых материалов. На основе биомолекул возможно создание «молекулярных машин», различных устройств и сенсоров. В области разработки молекулярных машин активно ведутся исследовательские работы. Доказано, что можно сделать движущиеся наноструктуры, «шагающие роботы», выполненные из молекул ДНК. Они способны двигаться в определенном направлении по молекуле ДНК при подведении к ним энергии.

Что касается наносенсоров (НК-зависимых переключателей, молекулярных сенсоров, сенсоров на основе гибридных конструкций, которые состоят из нуклеиновой кислоты и белка), они уже находят широкое применение в молекулярной диагностике. В Институте химической биологии и медицины СО РАН разработано несколько диагностических систем для медицины, основанных на олигонуклеотидах, самособирающихся в комплекс на анализируемой ДНК, получены патенты на такие системы и ДНК-чипы. Недавно в институте получены наноразмерные неорганические структуры — «квантовые капли», которые за счет квантовых эффектов окрашены в различный цвет. Они могут быть использованы как спектральные метки для диагностических систем.

В ИХБиФМ разработаны оригинальные биосенсоры для визуализации определенных вирусных РНК. Преимуществами новых нанобиосенсоров являются: селективность по отношению к РНК; высокая чувствительность; стабильность биосенсоров in vitro и in vivo. Крайне важным направлением является создание из ДНК новых материалов, различных двухмерных и трехмерных структур. На их основе могут быть получены совершенно новые материалы для электроники. Ведутся работы по получению химически модифицированных нуклеиновых кислот, которые необходимы для получения таких материалов.

Важнейшей задачей бионанотехнологии является создание средств доставки терапевтических препаратов в определенные виды клеток. В частности, необходимо создание методов введения в клетки ДНК и РНК для развития генотерапии. В Институте химический биологии и фундаментальной медицины СО РАН разработаны новые подходы к доставке РНК и ДНК в клетки, основанные на биотехнологических подходах.

Для стимуляции связывания нуклеиновых кислот с клетками предложено формировать из них комплексы, представляющие собой наноразмерные частицы. Такие частицы формируются за счет нековалентных взаимодействий нуклеиновых кислот между собой и катионными полимерами. Частицы эффективно связываются с клеточной поверхностью, что способствует их успешному поглощению клеткой. Эти исследования открывают возможность создания действенных методов генотерапии.

Одним из наиболее развитых направлений нанотехнологий являются биочиповые технологии, без которых современная биология и медицина уже не могут существовать. Биочиповая технология — современная нанотехнология анализа генетического материала, позволяющая проводить скрининг сложных смесей нуклеиновых кислот. Это индустрия высоких технологий, базирующаяся на современных достижениях химии, биологии, физики, микроэлектроники, информатики и других отраслей знаний. Биочип представляет собой пластинку, несущую на своей поверхности множество различных зондов — фрагментов нуклеиновых кислот или олигонуклеотидов, размещенных в строгом порядке.

С помощью такого чипа можно наблюдать за функционированием всех генов в организме человека — все это уже делается в современных лабораториях. Практически, для медицинских целей, необходимы упрощенные варианты чипов. Например, в ИХБФМ разработаны чипы для обнаружения разных генотипов вируса гепатита С.

Совместно с ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» разработаны чипы для обнаружения различных вариантов вируса оспы. Совместно с Институтом геологии и минералогии СО РАН разрабатываются высокоэффективные ДНК-чипы, обладающие улучшенными характеристиками за счет развитой поверхности, образованной монодисперсными сферическими частицами кремнезема. Наличие на поверхности многослойных пленок наночастиц значительно повышает чувствительность чипов. И это далеко не полный перечень проводимых исследований и разработок институтов СО РАН.

Таким образом, институты Сибирского отделения Российской академии наук обладают значительным научно-техническим потенциалом в области нанотехнологий и работают над созданием наноматериалов и наноустройств для электроники.

Направления работ прорывного характера связаны с использованием процессов самоорганизации и самосборки нанообъектов, использованием квантовых свойств наноструктур и применением методов наноконструирования в информационных, химических, биологических и медицинских технологиях.

Развитие нанотехнологий в Сибирском регионе требует более тесной кооперации институтов СО РАН с предприятиями высокотехнологической промышленности региона, вузами и органами исполнительной власти.

http://pine.ict.nsc.ru/…/n50/f7.html

Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН

http://www.niboch.nsc.ru/

Ну что ж, работают люди и хорошо работают. Новых им успехов и достижений на этом пути!..