Бнт экзамен. Каковы причины развития бионанотехнологии



Скачать 347.58 Kb.
страница3/5
Дата30.04.2016
Размер347.58 Kb.
1   2   3   4   5

Репликация ДНК — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение.  Гибридизация ДНК - слияние двух отдельных цепейДНК от разных видов (организмов) в единую двухцепочечнуюмолекулу ДНК. При комплементарностивсех нуклеотидов обеих цепей (полнойкомплементарности) слияние происходит легко и быстро. В случае неполнойкомплементарности слияние цепейв единую двухцепочечную молекулу (дуплекс) замедляется. На основанииоценки скорости этого слияния делают вывод о степеникомплементарностиисходных цепей.Описанным методом можносформировать дуплексы типа≪ДНК-ДНК≫, так и соединения типа≪ДНК-РНК≫, в результате которых образуются рекомбинантные ДНК. Фолдинг - это процесс принятия молекулами определенной формы или конформации. Наиболее активно изучается фолдингбелков, которые образуют третичную структуру за счет специфической последовательности аминокислот, имеющих определенные химические свойства. При взаимодействии аминокислот друг с другом и клеточным окружением получается хорошо определённая трёхмерная структура — конформация. В результате на внешней поверхности белковой глобулы формируются полости активных центров, а также места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и с биологическими мембранами. Форма молекулы белка обуславливает его функции и может быть использована для разработки лекарственных средств, влияющих на различные процессы в организме. В некоторых случаях возможно существование двух правильных конформаций белка (конформеров), выполняющих различные функции, и имеющих примерно равные по энергии состояния в разных областях фазового пространства белковой молекулы. Образование правильной трехмерной структуры белка крайне важно для его корректной работы, так как нарушения в свертывании приводят к образованию неактивной молекулы с новыми свойствами. Фолдинг также имеет большое значение при синтезе новых молекул или фолдамеров. Они могут служить моделями биологических молекул и потенциально могут быть использованы при разработке новых функциональных наноматериалов.

17. Назовите общие принципы созданий бионанотехнологий.

Нанобиотехнологии – междисциплинарная область, являющаяся по оценкам экспертов современным лидером по перспективности и темпам развития. К практическим применениям нанобиотехнологии относятся: • увеличение скорости и точности диагностики заболеваний; • создание наноструктур для доставки функциональных молекул в клетки-мишени; • повышение специфичности и скорости доставки лекарств; • миниатюризация биосенсоров путем объединения биологического и электронного компонентов в один мельчайший прибор; • способствование развитию экологически чистыхпроизводственных процессов.





Принцип «снизу–вверх».• Нанотехнологии типа «снизу–вверх» (англ. «bottom–up» nanotechnology) — технология получения наноструктурированных материалов, в которой реализуется образование наночастиц из атомов и молекул, т. е. достигается укрупнение исходных элементов структуры до частиц нанометрового размера. • К технологиям этого типа относятся такие методы, применяемые для получения изолированных наночастиц, нанопорошков и компактных наноматериалов, как газофазный синтез с последующей конденсацией паров; плазмохимический синтез; осаждение из коллоидных растворов; химическое и физическое осаждение пленок и покрытий из газовой фазы (CVD и PVD), плазмы или жидких растворов на подложку; электроосаждение пленок и покрытий; термическое разложение (пиролиз); детонационный синтез. Принцип «сверху–вниз». • Нанотехнологии типа «сверху–вниз» (англ. «top–down» nanotechnology) — технология получения наноструктурированных материалов, в которой нанометровый размер частиц достигается с помощью измельчения более крупных частиц, порошков или зерен твердого тела. • К технологиям этого типа относятся, например, методы, применяемые для получения компактных наноматериалов и нанопорошков из объемных заготовок: кристаллизация аморфных сплавов; интенсивная пластическая деформация; электрохимическое травление; упорядочение твердых растворов и нестехиометрических соединений. Одно из основных стратегических направлений в конструировании наноматериалов и наноустройств состоит в использовании принципов самосборки и молекулярного узнавания биологических макромолекул. Самосборка. Простые «строительные блоки» собираются вместе, образуя супермолекулы или ассоциаты с различной морфологией, специфическими функциями, уникальными физико-химическими свойствами. В природе существенную роль играет необратимость –основа большинства процессов самоорганизации, идёт за счёт многоточечных нековалентных взаимодействий «строительных блоков»: водородные связи, электростатические и гидрофобные взаимодействия. «Молекулярное узнавание» описывает способность молекул взаимодействовать друг с другом с высокой аффинностью и специфичностью.

Т.е. натуральным способом получения нанообъектов могут быть самосборка и самоорганизация.



18. Примеры использования бионанопроцессов для создания новых продуктов. Процессы, в которые вовлекаются наноструктуры (наночастицы) получили название нанопроцессов. Самый главный нанопроцесс в живом организме – биосинтез белка. Транскрипция – процесс синтеза РНК с использованием комплементарной ей ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках; перенос генетической информации с ДНК на РНК. Первая стадия процесса биосинтеза белков. Трансляция – осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной РНК. Трансляция является финальной реакцией реализации генетической информации. Гибридизация ДНК - слияние двух отдельных цепейДНК от разных видов (организмов) в единую двухцепочечнуюмолекулу ДНК (ДНКнанотехнологии  используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.) Фолдинг - это процесс принятия молекулами определенной формы или конформации. Наиболее активно изучается фолдингбелков, которые образуют третичную структуру за счет специфической последовательности аминокислот, имеющих определенные химические свойства. Образование правильной трехмерной структуры белка крайне важно для его корректной работы, так как нарушения в свертывании приводят к образованию неактивной молекулы с новыми свойствами (промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (биспептиды). Фолдинг также имеет большое значение при синтезе новых молекул или фолдамеров. Они могут служить моделями биологических молекул и потенциально могут быть использованы при разработке новых функциональных наноматериалов. Примеры использования. Особенности метаболизма клеток позволяют создавать биосенсоры как на индивидуальные молекулы, так и на классы соединений. Для создания клеточных биосенсоров, как и в случае ферментных, используются различные трансдьюсеры (амперометрические, потенциометрические, кондуктометрические, оптические и другие). Одно из достижений биотехнологии и биоинженерии – разработка методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы – лежит в основе создания биосенсоров на основе клеток. Ферментативный катализ обеспечивает биоселектирующими возможностями основную массу современных биосенсоров. Сопряжение ферментативно-каталитических и электрохимических реакций, происходящих на электропроводящих материалах, погруженных в раствор электролита, позволило разработать много биосенсоров для определения глюкозы, аминокислот, молочного сахара, пирувата, мочевины и других метаболитов. Биологические процессы также способствовали изобретению комбинированных наночастиц, поверхность которых покрыта биологическими лигандами, т.е. молекулами, специфически распознающими определенные мишени в организме, например, поверхность раковых клеток. Внутренняя часть наночастицы составлена биологически инертным полимером, который связывает действующее вещество, например, доцетаксел, который традиционно используют для химиотерапии рака. Такие частицы могут долгое время циркулировать в крови и задерживаются, а значит, скапливаются, только вокруг клеток опухоли. В результате, концентрация токсичного вещества в опухоли может увеличиваться в десять тысяч раз по сравнению с традиционными методами химиотерапии. На основе этой технологии, в частности, созданы препараты для лечения опухолей мозга, которые с трудом поддаются традиционным методам лечения. Похожий механизм действия у частиц наноалмазов, которые адсорбируют цитотоксический препарат и накапливаются в тканях опухоли, создавая там повышенную концентрацию действующего агента. 

20. Чем отличаются потенциометрический, амперометрический и кондуктометрический биосенсоры.

Биосенсор является аналитическим устройством, содержащим биологический материал (ткани, клетки микроорганизмов, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, иммуноактивные компоненты, нуклеиновые кислоты и т.д.), находящийся в непосредственном контакте с физико-химическим преобразователем или преобразующей микросистемой, представленными оптическим, электрохимическим, термометрическим, пьезоэлектрическим или магнитометрическим устройствами. По типу преобразователя биосенсоры можно разделить на основные группы: электрохимические, оптические, пьезоэлектрические и калориметрические. В свою очередь среди электрохимических биосенсоров выделяют: амперометрические, потенциометрические и кондуктометрические. Наибольшей популярностью на сегодняшний день пользуются амперометрические датчики. Особенно когда дело касается биологических сред, где с их помощью можно определить мизерные концентрации субстрата — до 10–15 Моль/л. Причем довольно быстро, поскольку отклик сенсора не зависит от массопереноса электроактивных частиц к поверхности электрода, который, кстати говоря, ухудшает селективность электрода и усложняет его стандартизацию. Сам же амперометрический метод детекции основан на измерении электрического тока, генерируемого при окислении (или восстановлении) электроактивных частиц на поверхности рабочего электрода при постоянном потенциале. К примеру, глюкосенсор на основе платинового электрода Кларка фиксирует ток восстановления кислорода, уменьшение которого пропорционально концентрации глюкозы в анализируемой крови. При изменении полярности включения кислородного электрода в глюкозном биосенсоре, электрод становится совершенно нечувствительным к кислороду. Зато начинает откликаться на присутствие пероксида водорода — продукта ферментативной реакции, что позволяет и такой трансформированный электрод использовать для определения той же глюкозы. (К слову, аналогичным способом можно определять и другие субстраты — лактаты, L-аминокислоты, салицилаты, оксалаты и пируваты.). Амперометрические преобразователи пригодны и для решения обратной задачи — оценки активности фермента по величине измеряемого тока при некоторой определенной концентрации субстрата. Впрочем, в равной мере это относится и к потенциометрическим датчикам, действие которых основано на измерении разности потенциалов при постоянном (как правило, нулевом) токе между активным электродом и электродом сравнения. Подобные биосенсоры нашли применение в медицине. В частности, в кардиологии, где информация об активности аспартаминотрансферазы и креатинкиназы позволяет оценить глубину инфаркта в клинических условиях. Кондуктометрические преобразователи регистрируют изменение проводимости раствора в биоселективной мембране и тем самым позволяют наблюдать за ходом биохимических реакций, в том числе ферментативных.



21. Какова специфика калориметрических, пьезоэлектрических и оптических биосенсоров.

Бионаноустройство (биосенсор)– это интегральная система, которая способна воспринимать и преобразовывать специфичную количественную или полуколичественную аналитическую информацию с использованием биологического распознающего элемента (биохимического рецептора), находящегося в тесном контакте с преобразователем. По типу преобразователя биосенсоры можно разделить на основные группы: электрохимические, оптические, пьезоэлектрические и калориметрические. Значительная часть оптических биосенсоров основаны на явлении поверхностного плазмонного резонанса и используют свойство золотых и других материалов, а именно то, что тонкий слой золота, нанесенный на имеющую высокий коэффициент преломления стеклянную поверхность может абсорбировать лазерный свет, создавая электронные волны (поверхностные плазмоны) на золотой поверхности. Это происходит только при определенном угле падения и длине волны падающего света и в такой степени зависит от поверхности золотого слоя, что присоединение аналита к биологическому рецептору на поверхности этого слоя генерирует заметный сигнал. Сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса представляют собой сенсорный чип, который состоит из пластиковой кассеты, несущей стеклянную тарелку, одна сторона которой покрыта микроскопическим слоем золота. Эта сторона взаимодействует с оптической распознающей аппаратурой прибора. Противоположная сторона тарелки соединяется с жидкостной проточной системой. Растворенные в жидкости реагенты могут непосредственно контактировать с поверхностью тарелки. Эта сторона стеклянного сенсорного чипа может быть различными путями модифицирована, позволяя легко присоединять интересующие молекулы. Обычно она покрыта карбоксиметилдекстраном или подобным веществом. Свет с фиксированной длиной волны отражается от покрытой золотом стороны чипа под углом полного внутреннего отражения, и детектируется внутри прибора. Этот свет индуцирует исчезающую волну, которая проникает сквозь стеклянную тарелку в раствор вблизи её поверхности. Коэффициент преломления проточной стороны сенсорного чипа прямо влияет на поведение света, отраженного от покрытой золотом стороны. Связывание веществ с поверхностью проточной стороны чипа влияет на коэффициент преломления, что можно зарегистрировать оптической аппаратурой; таким образом биологические взаимодействия могут быть измерены с высоким уровнем чувствительности. Под пьезоэлектричеством понимают явление, связанное стгенерацией электрических диполей в природных и синтетических анизотропных кристаллах, которые подвергаются механическому напряжению. В пьезоэлектрических сенсорах используются кристаллы, которые эластически деформируются при воздействии на них электрического потенциала. Переменный потенциал при определённой частоте вызывает стоячую волну в кристалле. Эта частота в значительной степени зависит от эластичных свойств кристалла, поэтому, если кристалл покрыт биологическим распознающим элементом, присоединение большого количества аналита к рецептору приведет к изменению резонансной частоты, что и служит сигналом о связывании. В материалах обнаруживается и обратный эффект, связанный с изменением их размеров под влиянием электрического поля. Многие химические и ферментативные реакции сопровождаются значительным выделением тепла, обычно в диапазоне 25 – 100 кДж/моль. Поэтому калориметрические методы имеют большие возможности для контроля таких процессов. При этом недостаток специфичности калориметрических методов можно компенсировать специфичностью иммобилизованных биокатализаторов. В связи с этим калориметрические сенсоры (термисторы) находят наиболее частое применение в сочетании с биокатализаторами (ферментами, антителами). Определения аскорбиновой кислоты, аденозинтрифосфата, холестерина, креатинина, глюкозы, триглицеридов и других веществ в пищевой и клинической химии часто проводят с использованием иммобилизованных ферментов (аскорбатоксидаза, холестериноксидаза, уреаза).

22. Как классифицируются биосенсоры по конструктивному оформлению.

Под биосенсорами понимают аналитические устройства, использующие биологические материалы для "узнавания" определенных молекул и выдающие информацию об их присутствии и количестве в виде электрического сигнала сенсор включает в себя датчик, находящийся в контакте с преобразователем (трансдьюсером). Датчик "распознает" в сложной смеси веществ определенное соединение (соединения). Это отражается на появлении (изменении) в ЧС какого-либо свойства, например, изменении рН. Это свойство регистрируется преобразователем. Сигнал преобразователя фиксируется электронной системой регистрации сигнала, обрабатывается микропроцессором (ЭВМ) и, как правило, выдается в виде цифровой и графической информации о составе анализируемой смеси. Классификация биосенсоров по конструктивному оформлению: мембранные биосенсоры, биосенсоры-ферментеры, биосенсоры-индикаторы. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т. д. Т.о. все биосенсоры - индикаторы (определяют наличия сахаров в крови, токсичных веществ в окр.среде и т.д.). Сенсор мембранный - чувствительный элемент аналит-го устройства с полупроницаемой мембраной для повышения избирательности. В биосенсорах полупроницаемая мембрана - для механического удержания биослоя. различные мембраны — пленки используют для улучшения селективности биосенсоров и устранения помех от посторонних примесей, т.к. они предотвращают попадание примесей на электрод-преобразователь. При этом внутр. мембрана выполняет ф-ю защиты от примесей, а внешняя - пропускает субстрат в биослой. Интерес представляют биосенсоры на основе иммобилизованных на мембране микроорг-в, служащих элементом микробного сенсора. (напр-р: сенсор на аммиак (в сточных водах) на основе иммобилизованных нитрифицирующих бактерий, полезен при решении вопросов охраны окр. среды). Ферментный биосенсор – устройство, в котором биологический элемент распознавания (биослой) представлен ферментами. Ферменты — это биол.катализаторы, обладающие способностью избирательно катализ-ть многие хим-е превращения как в живой клетке, так и вне организма. При конструировании биосенсора увеличение продолжительности дей-я фермента становится осн. Задачей, т.к. нативный фермент сохраняет свои св-ва - в течение короткого времени. Решение проблемы - иммобилизация фермента. Характер фермент-й реакции зависит от природы фермента, типа его каталит. действия. Среди ферментов выделяют оксидоредуктазы, осущ-е реакции окисления и восстановления, гидролазы, катализ-е гидролиз, трансферазы, вызывающие перенос ацильных, гликозидных и т.п. остатков и т.д. Ферментные сенсоры - сторого специфичныи поэтому их создание на сегодняшний момент наиболее популярно. Принцип работы мембранного ферментного биосенсора прост. Определяемое вещ-во диффундирует ч/з полупроницаемую мембрану в тонкий слой биокатализатора, в кот-м и протекает ферментативная реакция. Поскольку в данном случае продукт фермент-й реакции опред-ся с помощью электрода, на поверхности кот-го закреплен фермент, то такое устройство еще называют ферментным электродом.

23 Чем отличаются мембранные биосенсоры, биосенсоры-ферментеры и биосенсоры-индикаторы.

Биосенсор - устройство, в котором чувствительный слой, содержащий биологический материал: ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК, непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, — биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь это свойство фиксирует с помощью специальной аппаратуры. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т. д. Т.о. все биосенсоры - индикаторы (определяют наличия сахаров в крови, токсичных веществ в окр.среде и т.д.). Сенсор мембранный - чувствительный элемент аналит-го устройства с полупроницаемой мембраной для повышения избирательности. В биосенсорах полупроницаемая мембрана - для механического удержания биослоя. различные мембраны — пленки используют для улучшения селективности биосенсоров и устранения помех от посторонних примесей, т.к. они предотвращают попадание примесей на электрод-преобразователь. При этом внутр. мембрана выполняет ф-ю защиты от примесей, а внешняя - пропускает субстрат в биослой. Интерес представляют биосенсоры на основе иммобилизованных на мембране микроорг-в, служащих элементом микробного сенсора. (напр-р: сенсор на аммиак (в сточных водах) на основе иммобилизованных нитрифицирующих бактерий, полезен при решении вопросов охраны окр. среды). Ферментный биосенсор – устройство, в котором биологический элемент распознавания (биослой) представлен ферментами. Ферменты — это биол.катализаторы, обладающие способностью избирательно катализ-ть многие хим-е превращения как в живой клетке, так и вне организма. При конструировании биосенсора увеличение продолжительности дей-я фермента становится осн. Задачей, т.к. нативный фермент сохраняет свои св-ва - в течение короткого времени. Решение проблемы - иммобилизация фермента. Характер фермент-й реакции зависит от природы фермента, типа его каталит. действия. Среди ферментов выделяют оксидоредуктазы, осущ-е реакции окисления и восстановления, гидролазы, катализ-е гидролиз, трансферазы, вызывающие перенос ацильных, гликозидных и т.п. остатков и т.д. Ферментные сенсоры - сторого специфичныи поэтому их создание на сегодняшний момент наиболее популярно. Принцип работы мембранного ферментного биосенсора прост. Определяемое вещ-во диффундирует ч/з полупроницаемую мембрану в тонкий слой биокатализатора, в кот-м и протекает ферментативная реакция. Поскольку в данном случае продукт фермент-й реакции опред-ся с помощью электрода, на поверхности кот-го закреплен фермент, то такое устройство еще называют ферментным электродом.
24. Как создаются электрохимические биосенсоры на основе окислительно-восстановительных ферментов.

Биосенсор - устройство, в котором чувствительный слой, содержащий биологический материал: ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК, непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, — биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. По способу измерения сигнала биосенсоры классифицируют на физические, электрохимические, оптические и гибридные. В настоящее время наибольшее распространение получили электрохимические преобразователи. Одни из них генерируют потенциал на специальном электроде, на поверхность которого нанесен слой биоматериала, другие генерируют электрический ток реакции продукта превращения определяемого вещества на поверхности электрода, вызванного биоматериалом. Другими словами, существуют потенцио- и амперометрические биосенсоры. Электрохимические биосенсоры обычно основаны на ферментативном катализе реакции, в которой освобождаются или поглощаются электроны (используемые ферменты принадлежат к классу оксидоредуктаз). Биосенсор обычно включает в себя три электрода: электрод сравнения, рабочий и вспомогательный. На поверхность рабочего электрода наносят биологический материал (окислительно-восстановительные ферменты), который специфически вступает в реакцию с аналитом. Заряженные продукты реакции создают на рабочем электроде потенциал, который отнимается от потенциала на электроде сравнения для получения выходящего сигнала. Применяется также измерение силы тока (в этом случае интенсивность потока электронов пропорциональна концентрации аналита) при постоянном потенциале или потенциал можно измерять при нулевой силе тока (это даёт логарифмический отклик). Нужно отметить, что на потенциал электродов влияет заряд их окружения, что часто используется. Более того, возможно прямое электрическое определение небольших пептидов и белков по характерному для них заряду, используя биологически модифицированные ион-селективные полевые транзисторы.




Каталог: uploads
uploads -> Методические рекомендации организация деятельности по резервам финансовых и материальных ресурсов для ликвидации чрезвычайных ситуаций
uploads -> Кардиоренальные взаимоотношения и качество жизни при лечении больных хронической сердечной недостаточностью с сопутствующим сахарным диабетом 2 типа 14. 00. 06 Кардиология
uploads -> Сердечная недостаточность (книги и статьи из научно-медицинских журналов, имеющихся в фонде библиотеки)
uploads -> Хроническая сердечная недостаточность: определение, классификация, диагностика
uploads -> Лечение гериатрических пациентов с заболеваниями органов дыхания и кровообращения


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница