Бнт экзамен. Каковы причины развития бионанотехнологии



Скачать 347.58 Kb.
страница5/5
Дата30.04.2016
Размер347.58 Kb.
1   2   3   4   5

Наноцитометр – карманное устройство, к-е очень быстро диагностирует заболевания, тестируя одну каплю крови с пом.дешевого картриджа, состоящего из кремниевого чипа, усеянного искусственными нанопорами, к-е имитируют сист.очистки чел.клеток. Созданы биосенсоры на кремниевой нанопроволоке, обладающие высокой чувствительностью.

Одной из серьезных проблем современной мед.явл.доставка лекарств в опр.место орг. в строго опр-х дозах. Эта же проблема сущ.и в косметологии. Создание нанотехнологий позволило микропасулировать активные ингредиенты до наночастиц и траспортировать в дерму с помощью липосомов и наносомов. Эти же наносомы могут транспортировать и лекарственные вещества.

Бионаноу-ва исп-ся позволяют сделать поверхность стента нанопористой. Стент представляет собой эндопротез сосудов для предотвращения закупоривания артерий.

Благодаря своим особым свойствам наноматериалы могут быть в будущем использованы для выращивания искусственных органов и тканей. Композиты, включающие наночастицы, обладают большей прочностью, гибкостью, химической устойчивостью. В

дальнейшем ученые планируют также заниматься разработкой наноматериалов, которые

способствовали бы росту и заживлению тканей. На их основе предполагается создать матрицу, имитирующую структуру и химические свойства природной среды, в которой растут клетки ткани. Отдельную задачу представляет создание искусственных органов чувств. Известно о биосовместимости алмазных поверхностей и частиц с живыми клетками с целью исп.их при создании нанороботов, искусственных органов и ортопедических протезов с алмазным покрытием. В перспективе ученые планируют изготовить нейрочип, способный выполнять различные нервные функции. Например, с его пом.можно будет облегчить жизнь людям с заболеваниями Паркинсона.

Фулерены С60 чрезвычайно токсичны и способны повреждать клеточные мембраны. Это св-ва м.б.исп-но для создания антибактериальных препаратов и раковых опухолей. К настоящему времени семь процессов с использованием иммобилизированных ферментов или клеток нашли крупномасштабное промышленное применение в ряде развитых стран мира:

1. Производство глукозо-фруктозных сиропов и фруктозы из глюкозы.

2. Получение оптически активных L-аминокислот из их рацемических смесей.

3. Синтез L-аспарагиновой кислоты из фумаровой кислоты.

4. Синтез L-яблочной кислоты из фумарофой кислоты.

5. Производство диетического безлактозного молока.

6. Получение сахаров из молочной сыворотки.

7. Получение 6-аминопенициллановой кислоты из обычного пенициллина для последующего производства полусинтетических антибиотиков пенициллинового ряда.

Помимо этого, некоторые процессы отрабатываются на пилотных установках и обсуждается целесообразность их промышленного применения. К ним в первую очередь относится получение: 1) глюкозы из из частичных гидролизатов крахмала; 2) инвертного сахара из сахарозы; 3) глюкозы из целлюлозы; 4) белковых гидролизатов.

Еще можете написать про биодатчики, к-е могут сказать о степени загрязнения воздуха или почвы пестицидами, о использовании биомембран для очистки сточных вод, что лучше с экономической и экологической точки зрения. Что лаборатории на чипе исп-ся в развивающихся странах, в к-х невозможно провести диагностику в обычных лабораториях из-за нехватки чего-нибудь там. А теперь можно диагностировать ВИЧ и сифилис в кратчайшие сроки. Про ДНК-чипы можете написать.

42. Как контролируются биотехнологические производства в экологической биотехнологии, сельском хозяйстве.

С/х бт охватывает растениеводство, животноводство и ветеринарию. Создание сельскохоз-х культур,сбалансированных по содержанию белка, углеводов,жиров, минеральных элементов на основе достижения клеточной бт и тотипотентности растительных клеток,клональном микроразмножений и ускоренном получений линий сельскохоз-х растений, используемых в селекций на устойчивость,продуктивность и качество; оздоровление растений от вирусов; получение БАВ и кормовых белков растительного происхождения; сохранение ценных генотипов; использование изолированных клеток,генно-инженерных технологий в селекций растений,дающих сорта и линий, устойчивые к засухе,низким температурам; разработка генетичкских основ повышения эффективности использования азотфиксирующих микроорганизмов,клубеньковых микроорганизмов.

В животноводстве применение клеточной биотехнологии, трансплантации эмбрионов позволяет улучшать хозяйственно- ценные свойства: рост и упитанность, устойчивость к инфекции, высокие удои молока; путем рекомбинатной ДНК - технологии получают бав с молоком трансгённых животных (человеческий сывороточный альбумин, антигемофяльный фактор, антитрипсин, урокиназа, химозин и др.); столь же актуально получение кормовых белков, незаменимых аминокислот, витаминов, антибиотиков, пополняющих рацион сельскохозяйственных животных. Актуальна задача уменьшения применения в сельском хозяйстве средств химизации, пестицидов и расширение использования бактериальных удобрений, инсектицидов мик-робного происхождения; разработка генно-инженерных вакцин и диагностикумов на основе моноклональных антител.

Экологическая бт. -это научно-техническое направление,включающее применение биотехнологии для решения проблем окружающей среды (обработка сточных вод, переработка твердых отходов, борьба с загрязнениями окружающей среды и др.)

Экологическая биотехнология — это специальное применение биосистем и процессов для решения задач охраны окружающей среды и рационального природопользования.

Эти процессы включают утилизацию сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов, очистку стоков и газо-воздушных выбросов, деградацию ксенобиотиков, получение эффективных и нетоксичных препаратов для борьбы с болезнями и вредителями культурных растений и домашних животных, а также создание альтернативных и безвредных для окружающей среды способов воепроизводства пищи, лекарственных препаратов, энергоносителей и добычи полезных ископаемых.

Промышленные экосистемы, формирующиеся на территории промышленных комплексов и городов, характеризуются следующими особенностями: высоким уровнем загрязненности (физические, химические и биологические загрязнения), высокой зависимостью от внешних источников энергии, неблагоприятным влиянием на смежные экосистемы.

Решение проблем окружающей среды, возникающих в антропогенных экосистемах, таких как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии. В настоящее время выделен ряд микроорганизмов, способных к деградации ксенобиотиков (неприродных, синтетических химических веществ) – гербицидов, пестицидов, хладагентов, растворителей. Однако широкое применение биодеградации (разрушения загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов) в большинстве случаев ограничено, так как: ни один из природных микроорганизмов не может разрушать все органические соединения; некоторые органические соединения в высокой концентрации подавляют функционирование или рост деградирующих их микроорганизмов;

большинство очагов загрязнения содержит смесь химикатов, и микроорганизм, способный разрушить один или несколько ее компонентов, может инактивироваться другими компонентами; биодеградация органических соединений часто происходит достаточно медленно.

Часть этих проблем решают биотехнологии, создавая с помощью генетических манипуляций рекомбинантные микроорганизмы, способные к деградации нескольких соединений. Отличие новых нанобиотехнологий от традиционных заключается в том, что наночастицы являются универсальным реагентом, способным нейтрализовать большое количество вредных веществ. Нейтрализация происходит в результате окисления железа в грунтовых водах и образования нерастворимых комплексов с такими токсичными веществами, как соединения свинца, никеля, ртути и даже тяжелых радиоактивных элементов.

44. Примеры комплексных ферментных препаратов для интенсификации в пищевой промышленности.

Ферментные препараты, высокоактивные катализаторы различных биохимических процессов. Различают ферментные препараты животного, растительного и микробного происхождения. По объему и ассортименту среди выпускаемых ферментных препаратов доминируют препараты, полученные путем микробиологического синтеза. Технология их производства основана на культивировании специально отобранных штаммов микроорганизмов — активных продуцентов ферментов, с последующим выделением препаратов. Для интенсификации технологический процессов виноделия ферментная промышленность предлагает ряд комплексных препаратов грибного происхождения, различающихся по величине активности и соотношению гидролитических ферментных систем, оказывающих многообразное действие на высокомолекулярные вещества винограда и вина. При получении ординарных вин всех типов широкое применение получили пектолитические ферментные препараты — Пектаваморин П 10х и Г 10х, а также Пектофоетидин П 10х и Г 10х. Препараты стандартизуются по общей пектолитической активности; в качестве основных ферментов они содержат полигалактуроназу эндо- и экзодействия и пектинэстеразу, а в качестве сопутствующих — протеиназы, целлюлазы и гемицеллюлазы. Пектолитические ферментные препараты могут быть использованы для обработки трудноосветляемых виноматериалов. При этом значительно сокращается расход оклеивающих веществ, повышается стабильность вин к помутнениям коллоидного характера.

С положительным технологическим результатом было апробировано применение опытных партий протеолитических ферментных препаратов — Протаваморина П 10х и Проторизина П 10х, катализирующих гидролиз белковых веществ сусла и вина, сопровождающийся накоплением пептидов и аминокислот. Разработан способ иммобилизации кислой протеиназы, выделенной из ферментных препаратов. Пектаваморин П 10х, позволивший многократно использовать фермент, повысить его стабильность к ингибирующему действию среды и создать непрерывный процесс обработки виноградного сока и вин с целью устранения помутнений белкового характера.

Активный комплекс ферментов целлюлолитического и гемицеллюлазного действия, обнаруженный в препаратах Цитороземин П 10х, Ксилонигрин П 10х, Целлолигнорин П 10х, Целлоконингин П 10х и Целлобранин П 10х, обеспечивает более глубокую степень мацерации растительной ткани при использовании вышеназванных ферментных препаратов по сравнению с пектолитическими ферментными препаратами. Использование целлюлолитических и пектолитических ферментных препаратов позволяет усовершенствовать технологию переработки сладких виноградных выжимок. При этом увеличивается выход спирта-сырца и снижается процент примесей в осадке виннокислой извести. Перспективы дальнейшего совершенствования приемов использования ферментативного катализа в виноделии связаны с созданием композиций высокоочищенных ферментов строго регламентированного состава, а также с получением иммобилизованных форм различных ферментных препаратов.



45. Нанопроцессы в сорбции низкомолекулярных органических соединений нативными крахмалами.

Гранулированный наносорбент.

Изобретение относится к способам и технологии получения сорбирующих веществ, содержащих наноструктурные элементы, может быть использована при очистке водных сред от техногенных загрязнителей (тяжелые металлы, нефтепродукты, органика, пестициды, радионуклиды и т.д.). В наст. время получают гранулированный наносорбент, который предназначен для использования в качестве фильтрующей и сорбционной засыпки, способной заменить активированный уголь, анионно-катионные смолы, обратноосмотические мембраны и.т.д.

Известен сорбент и способ получения неорганических сорбентов на основе диоксида циркония в гранулированном виде, заключающийся в том, что золь гидратированного диоксида циркония (ГДЦ), содержащий 2-35 моль. % оксида алюминия по отношению к диоксиду циркония, капельно диспергируют в раствор аммиака, полученные гранулы отмывают водой и сушат при 100-900°С в течение 6 ч. Введение оксида алюминия в диоксид циркония в количестве 2-35 моль приводит к существенному (почти в десять раз) увеличению механической прочности при высоких температурах сушки.

Известный способ позволяет получать сферические гранулы ГДЦ, обладающие высокой механической прочностью при 200-900°С, что дает возможность использовать сорбенты в высокотемпературных процессах очистки. Механические и термические свойства полученных гранул сорбента отвечают требованиям, предъявляемым к катализаторам и сорбентам, работающим при высоких температурах. Однако применение диоксида циркония в качестве одного из исходных компонентов существенно увеличивает стоимость конечного продукта, что негативно сказывается на его потребительских качествах.

Широко известен гранулированный сорбент и способ его получения, реализуемый при работе установки для гранулирования глауконита. Сорбент содержит глауконит и связующее - золь диоксида циркония. Способ заключается в следующем: добытый на месторождении глауконит подсушивают с помощью сушильного устройства, просеивают, удаляют примеси кварца, затем снова просеивают, выделяя фракции менее 40 мкм. Более крупные фракции возвращают на повторный размол.

Нанотрубки.

Многие перспективные направления в нанотехнологиях связывают с углеродными нанотрубками. Углеродные нанотрубки – это каркасные структуры или гигантские молекулы, состоящие только из атомов углерода. Углеродную нанотрубку легко себе представить, если вообразить, что вы сворачиваете в трубку один из молекулярных слоёв графита – графен . Способ сворачивания нанотрубок – угол между направлением оси нанотрубки по отношению к осям симметрии графена (угол закручивания) – во многом определяет её свойства.

Конечно, никто не изготовляет нанотрубки, сворачивая их из графитового листа. Нанотрубки образуются сами, например, на поверхности угольных электродов при дуговом разряде между ними. При разряде атомы углероды испаряются с поверхности и, соединяясь между собой, образуют нанотрубки самого различного вида – однослойные, многослойные и с разными углами закручивания. Диаметр однослойных нанотрубок, как правило, около 1 нм, а их длина в тысячи раз больше, составляя около 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца. Происходит так называемая самосборка углеродных нанотрубок из атомов углерода. В зависимости от угла закручивания нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов, проводимостью, а могут иметь свойства полупроводников.

Углеродные нанотрубки прочнее графита, хотя сделаны из таких же атомов углерода, потому, что в графите атомы углерода находятся в листах (рис. 22). А каждому известно, что свёрнутый в трубочку лист бумаги гораздо труднее согнуть и разорвать, чем обычный лист. Поэтому-то углеродные нанотрубки такие прочные. Нанотрубки можно применять в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей, ведь модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Поэтому нить, сделанная из нанотрубок, толщиной с человеческий волос способна удерживать груз в сотни килограмм.

Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок обычно составляет около сотни микронов - что, конечно, слишком мало для повседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается - сейчас ученые уже вплотную подошли к миллиметровому рубежу. Поэтому есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры.



46. Как конструируются рекомбинантные биокатализаторы.

РЕКОМБИНАНТНЫЕ БИОКАТАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И БИОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ.
Оксидаза D-аминокислот (DAAO) является одним из активно исследуемых в 

настоящее время ферментов. На практике DAAO может быть использована:

1) для определения ряда D-аминокислот в сложных образцах, включая спинно-мозговую жидкость (например, диагностика шизофрении, для выявления которой в данный момент известны лишь косвенные методы).

2) для синтеза  α-кетокислот и неприродных  L-аминокислот из дешевых рацемических смесей. Упомянутые соединения являются исходным блоками для синтеза лекарств, а их получение с помощью обычных методов органической химии характеризуется низкими вы-ходами и образованием большого количества побочных продуктов. 3) для анализа оптической чистоты смеси рацематов аминокислот, который не требу-ет использования дорогих колонок с привитой хиральной фазой. Практическое   применение  DAAO  в   настоящее   время   ограничено   очень   высокой 

стоимостью фермента из-за отсутствия дешевого и эффективного метода его получения, а широким спектром 

субстратной специфичности природного фермента, что не позволяет 

селективно определять отдельные 

D -аминокислоты, что очень важно для медицинской диагностики. 

Например, для ранней диагностики шизофрении необходим фермент активный с D-серином и неактивный с D-аланином. В случае болезни Альцгеймера для определения уровня 
D-аланина в присутствии высоких концентраций  D-серина требуется фермент с обратной субстратной специфичностью. В нашей лаборатории создан рекомбинантный штамм E. coli - суперпродуцент оксидазы  D-аминокислот из дрожжей  Trigonopsis  variabilis, что позволяет 
приступить к экспериментам по белковой инженерии этого фермента. Отметим, что фермент из  T. variabilis  по   своей   каталитической   активности   превосходит   остальные   известные DAAO, в том числе из дрожжей R. gracilis. Решение поставленной задачи получения мутантных форм DAAO с заданным спек-тром субстратной специфичности возможно с использованием двух подходов – неупорядоченного мутагенеза (метод направленной эволюции) и сайт-специфического мутагенеза (ра-циональный дизайн). Анализ применения этих двух подходов для DAAO из R. gracilis 

показал, что рациональный дизайн позволяет достичь гораздо более лучших результатов, чем метод направленной эволюции. Однако даже самые лучшие мутанты DAAO из R. gracilis уступали по эффективности нашему ферменту. В нашей работе планируется проведение экспериментов по белковой инженерии  DAAO  из  T. variabilis  с помощью 

рационального дизайна. Для этого планируется вначале построить компьютерную модель структуры фермента, а 

затем получить кристаллы и определить структуру с помощью рентгеноструктурного 

анализа.  Нами планируется получить мутантные формы фермента активные с D-серином и неактив-ный с D-аланином и активные с D-аланином и неактивные с D-серином, а также мутантные формы более активные с цефалоспорином С, из которого 

получают 7-аминоцефалоспорано-вую кислоту – исходное соединения для синтеза полусинтетических цефалоспориновых антибиотиков. Опыт успешной реализации всего цикла таких исследований – компьютерное моделирование, рентгеноструктурный анализ фермента дикого типа и его мутантов, разработка   собственного   подхода   к   анализу   структуры   и   предсказания   мутаций   –   был   продемонстрирован на примере других оксидоредуктаз – формиатдегидрогеназы и пероксидазы. Возможный объем производства биокатализаторов на основе оксидазы D-аминокис-лот, рассчитанный исходя из потребности в продукте (на территории РФ) составляет 8-10 млн. руб./год. Предварительная оценка  показывает, что для выполнения запланированного объема работ потребуется 5-7 лет.

47. Биологическая регенерация промышленных адсорбентов в процессах очистки сточных вод.

Общеизвестно, что адсорбционные методы преимущественно применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Верхний предел применения сорбционных методов 1000 мг/л. Нижний предел применения 5 мг/л. Адсорбцию уже используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, красителей и др. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод содержащих несколько .веществ, а также рекуперации этих веществ. Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, извлечением  вещества из адсорбента и его утилизацией. Она может быть деструктивной, при которой извлеченные изсточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом.



Регенерация адсорбента.

 Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа) равна 200-300 °С, а инертных: газов 120-140 °С. После десорбции пары конденсируют и вещество извлекают из конденсата. Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических оснований) или раствором щелочей (для удаления кислот). При этом за счет ионизации молекулы сорбата получают заряд и за счет этого десорбируются. В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем). Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700-800°С в бескислородной среде. Разрабатываются биологические методы регенерации углей, при которых адсорбированные вещества биохимически окисляются. Этот способ регенерации значительно удлиняет срок использования сорбента, но длителен и трудоемок. Примеры адсорбционной очистки. Адсорбционная очистка сточных вол от нитропродуктов, содержание которых в воде находится в пределах 1400 мг/л, производят углями до остаточного их содержания не более-20 мг/л. Уголь регенерируют растворителями (бензолом, метанолом, этанолом, метиленхлоридом). Растворитель и нитропродукты разделяют перегонкой. Остатки растворителя из угля удаляют острым паром. Для извлечения фенолов из сточных вод используют активные угли различных марок. Высокой поглотительной способностью обладают селективные сильнокарбонизированные малозольные угли с высокой пористой структурой. Регенерацию углей проводят термическим способом в многоподовых печах или печах с кипящим слоем при температуре 870-930 °С. При этом теряется 10-15% адсорбента. Возможно удаление фенолов из углей и аммиачной водой. В некоторых случаях очистку сточных вод от фенолов возможно проводить с применением таких сорбентов, как диатомиты, трепел, шлаки, кокс, торф, силикагель, кварцевый песок, керамзит, керамикулит и др. Однако адсорбционная емкость их мала. Для силикагеля она составляет 30%, а для полукокса всего 6%. Практически полной дефенолизации сточных вод добиваются, используя в качестве сорбента сульфат железа, модифицированный полиакриламидом и карбоксиметилцеллюлозой. Лигнин, пропитанный хлорным железом, способен сорбировать до 92% -фенола при концентрации последнего 3-9 мг/л. Активные угли в виде порошков применимы для удаления из воды хлорорганических пестицидов до их остаточной концентрации 10 мг/л.

48. Примеры разработки и использования биофильтра для очистки газовоздушных выбросов.

Использование: в микробиологических производствах для очистки газовоздушных выбросов.

Биофильтр работает следующим образом. Газовоздушные выбросы микробиологических производств, содержащие микробный аэрозоль и примеси неприятно пахнущих веществ, поступают через воздуховод подвода выбросов 6 под горизонтальную опорную решетку и затем проходят вертикально снизу вверх сквозь размещенный по ней слой биологически-активного фильтрующего материала, очищаются в нем от микробного аэрозоля и примесей неприятно пахнущих веществ и затем очищенные через зазор между боковыми стенками и перекрытием выбрасываются в атмосферу.

При фильтрации газовоздушных выбросов через пропитанный питательной средой слой биологически- активного фильтрующего материала примеси неприятно пахнущих веществ абсорбируются питательной средой и окисляются обитающими в ней микроорганизмами до воды и углекислого газа в ходе их обмена веществ. Наличие соломы злаковых культур в качестве основной части биологически-активного фильтрующего материала обеспечивает ему волокнистую структуру. Содержащиеся в газовоздушных выбросах из ферментатора микрокапли питательной среды с культурой микроорганизмов (микробный аэрозоль) за счет диффузии оседают на волокнах материала, образуя микропленку жидкости, которая по мере утолщения под действием силы тяжести стекает вниз и в виде капелек выводится из слоя биологически- активного фильтрующего материала, собирается на днище и отводится через дренажный отвод. Эта жидкость одновременно является питательной средой для микроорганизмов, обитающих в биологически- активном материале.

Мельчайшие субмикронные капельки аэрозоля увеличиваются в размерах за счет конденсации на них водяного пара и затем улавливаются фильтрующим материалом в верхней его части, охлаждаемой атмосферым воздухом. Поток атмосферного воздуха поступает в пространство над биологически-активным фильтрующим материалом через зазор. Атмосферный воздух перемешивается с очищенными выбросами, охлаждает их и охлаждает верхнюю поверхность биологически-активного фильтрующего материала. Очищенные выбросы при перемешивании с воздухом охлаждаются, в них конденсируется водяной пар, образуя туман. При движении такой смеси около нижней поверхности холодного перекрытия на ней интенсивно конденсируется водяной пар, образуя пленку жидкости. Для того чтобы образующаяся пленка жидкости равномерно стекала на слой биологически-активного фильтрующего материала в виде периодически отрывающихся капель от всей нижней поверхности перекрытия, перекрытие имеет наклон от боковых стенок внутрь к оси симметрии, а угол наклона перекрытия к горизонту составляет 1-2o. Возвращение конденсата в виде капель способствует повышению степени очистки от микробного аэрозоля.

49. Новые аспекты получения биоминеральных сорбентов.

Любые сорбенты при всех их многочисленных достоинствах не в состоянии решать проблему утилизации адсорбируемых ими опасных органических веществ. Для удаления «поглощенного» адсорбентом вещества необходимо изъять из среды «нагруженный» адсорбент, что далеко не всегда возможно. Решать проблему утилизации опасных органических веществ могут только м\о. Для повышения комплексной эффективности, для достижения целей ликвидации поллютантов в окружающей среде, а не только их концентрирования на адсорбенте необходимо объединить концентрирующие ф-ции сорбента с утилизирующими способностями м\о. Для этого следует «зарядить» сорбент соответствующими м\о. Если многие адсорбенты полифункциональны в смысле широты сорбируемых ими в-в, то м\о, как и все другие живые объекты, обладают специфичностью ф-ций, условий существования и условий проявления своей максимальной акт-ти в отношении осуществляемых процессов. Необходимо создать композит - «адсорбент - микроорганизм», что позволит усилить функции и адсорбента и м\о.    Преимущества такого композита:

- будут выполняться сразу два вида очистки экосистемы - физическая и биологическая. 

- будут выполняться две функции - сбор и концентрирование поллютанта и его утилизации до углекислоты и воды.

в экосистеме не будет накапливаться сконцентрированный на адсорбенте поллютант и «нагруженный» поллютантом адсорбент не нужно будет удалять из экосистемы.

- микробная биомасса, поступающая в водную или почвенную экосистему, станет частью функционирующей в экосистеме пищевой цепи и тем самым усилит общую экологическую активность экосистемы.

Сорбент будет выполнять для м\о несколько положительных функций, в том числе: защитную от выедания «хищниками»; концентрировать органический субстрат; стабилизировать перепады физико-мимических факторов внешней среды (рН, температуры, а в почве и влажности); обеспечивать минеральными элементами. 

Такими  м\о являются представители родов бактерий: Rhodococcus, Mycobacterium, Corynebacterium, Nocardia Pseudomonas, Acinetobacter, одноклеточных грибов: Candida, Rhodotorula, Torulopsis или многоклеточных, н-р, представители рода Cladosporium и др.

Но это не означает, что любой штамм этих родов представляет интерес и выживает в прочих сорбентах.

Необходимо будет решить некоторые частные вопросы. Н-р, известно, что как адсорбент, так и м\о несут электрический заряд. Поэтому необходимо предупредить возможную проблему удерживания микроорганизмов на поверхности неорганического сорбента. Необходимо решить проблему соотношения концентрации клеток соответствующего м\о и доступной площади поверхности адсорбента. Другими словами необходимо оставить часть свободной поверхности на адсорбенте после закрепления на нем клеток бактерий для сорбирования поллютанта. Соотношение численности клеток м\о и свободной площади для органических в-в можно решить только экспериментально.



50. Примеры микробных биосенсоров для обнаружения токсичных соединений в объектах окружающей среды.

Цельноклеточные бактериальные генетически измененные биосенсоры, представляют собой экспрессное, недорогое и чувствительное средство для изучения экологической обстановки окружающей среды. Современные тест-системы позволяют проводить определение обычно без экстракци и ферменов и репортерных белков из клетки, что дает весомые преимущества для работы в полевых условиях на «живой» системе. В настоящее время применение цельноклеточных биосенсоров расширяется в не только в области биотехнологии, но и в медицине при диагностике, фармакологии, пищевой и химической промышленности, в научных исследованиях при изучении регуляции транскрипции генов, в функциональной геномике, микробной экологии in situ.

С помощью цельноклеточных биосенсоров можно оценить токсичность металлов, общую токсичность и генотоксичность, мутагенный и канцерогенный потенциал антибиотиков, многих лекарственных и вновь синтезируемых органических и неорганических соединений. Можно изучать метаболизм целых организмов и м\о, судьбу

препаратов, применяемых для защиты растений от вредителей, пестицидов и фунгицидов. Модификации промоторов м\о и другие генетические манипуляции, позволяют увеличить чувствительность определения аналитов. Хотя следует отметить, что применение природных, не модифицированных промоторов, позволяет оценить воздействие экотоксикантов наиболее адекватно.

Исп-ние цельноклеточных биосенсоров позволило расширить сферу применения средств регистрации сигналов из клетки с помощью приборных методов: световолоконной оптики, поверхностного плазмонного резонанса, кондуктометрии, различных сред (гели, пленки). Появились возможности сорбции клеток на поверхности сенсоров волоконно-оптического характера, пленках, гелях, пористых стекляных шариков, диализных мембранах, что позволяет повысить точность определения аналита. Появление рынка биосенсоров в России, связанное с производством недорогих тест-систем. Позволит использовать такие цельноклеточные биосенсоры в экологическом мониторинге более широко. Изучение индукции различных ферментных систем пестицидами, компонентами ракетного топлива, продуктами химической, пищевой и фармацевтической промышленности, позволит в ближайшее время применять микроорганизмы не только для определения экотоксикантов, но и для биоремедиации загрязненных объектов окружающей среды.

Таким образом, цельноклеточные бактериальные биосенсоры, появившиеся в последние десятилетия, являются перпективным средством для определения экотоксикантов в объектах окружающей среды:

1.Биосенсоры позволяют определять только биодоступные для живой клетки компоненты, давая объективный ответ о токсической или мутагенной опасности экотоксикантов. Это позволяет наметить меры для биоремедиации окружающей среды. Если аналит биодоступен, он потенциально биодеградируем.

2.Биосенсоры дают в руки экологов и других исследователей экспрессное, дешевое и

доступное средство предварительной оценки действия экотоксикантов на живую клетку.

3.Исп-ние генетически измененных м\о, способных существовать в окружающей среде и подвергать экотоксиканты деградации, дает экологам перспективы оценки отдаленных последствий воздействия аналита на организм человека и животных.

3.Биосенсоры дают возможность оценить канцерогенный потенциал пестицидов, антибиотиков и химических соединений на живой организм.

4.Биосенсоры представляют собой средство научного изучения транскрипционной регуляции различных ферментных систем, участвующих в ответе на экотоксиканты.



51. Каковы свойства биологических систем лежащих в основе использования биоэлементов в бионанотехнологии.

ДНК, РНК, белки и другие биомолекулы в природе участвуют в переносе заряда и имеют нанометровый размер. Молекула ДНК обладает важными для создания электронных устройств свойствами: самовоспроизводимостью, возможностью копирования и самосборки. Биологические молекулы могут обладать диэлектрическими, металлическими, полупроводниковыми и даже сверхпроводящими свойствами. На их основе могут быть созданы: нанотранзисторы, нанодиоды, логические элементы, наномоторы, нанобиочипы и другие приборы нанометрового масштаба.

Разработана конструкция электронного нанобиочипа, в основе функционирования которого лежит свойство изменения проводимости одноцепочечного олигонуклеотида при его гибридизации с комплементарным участком. Такой биочип будет в миллион раз производительнее оптических ДНК-биочипов. Как и оптический биочип, электронный биочип может быть использован для диагностики различных заболеваний и одновременного секвенирования сотен тысяч генов, что делает реальным создание генетического паспорта отдельного человека.

Предполагается, что электронные устройства на основе биомолекул будут в тысячу раз производительнее полупроводниковых. В настоящее время уже разработана технология создания молекулярных нанопроводов на основе ДНК и электронной памяти на основе вируса табачной мозаики.

Аргон широко применяется в светотехнике, так как обладает способностью к яркому сине-голубому свечению под воздействием электрического тока. В среде аргона проходят процессы, при которых требуется не допустить контакта расплавленного металла с азотом, кислородом, влагой воздуха и углекислотой. Аргонная среда применяется в горячей обработке вольфрама, урана, титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, тория, а также щелочных металлов. В аргонной атмосфере обрабатывают плутоний, а также получают некоторые соединения ванадия, хрома, титана. Жидкостью этот газ становится при – 185,9°C в условиях нормального давления. Аргон замерзает при – 189,4°C, хорошо растворяется в воде при 20°C .

В нанотехнологических исследованиях широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному изучению строения вещества – при более высоких температурах наиболее тонкие элементы энергетических спектров оказываются замаскированными тепловым перемещением атомов. В температурной среде жидкого гелия многие металлы и сплавы превращаются в сверхпроводники. Сверхпроводниковые реле-криотроны находят сегодня применение в конструкциях электронно-вычислительных машин. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимым звеном в нанотехнологиях. Помимо температурных свойств, гелий обладает еще одной уникальной особенностью. Этот газ применяется в технологических операциях, которые невозможно проводить в обычной воздушной среде.

52. Перечислите разнообразие используемых в технических устройствах биоэлементов.

Практическое применение нанотехнологий предполагает изготовление устройств, способных создавать и обрабатывать объекты на уровне молекул, атомов и наночастиц.

Одним из примеров практического применения промышленных газов в области нанотехнологий стали углеродные нанотрубки — вытянутые структуры цилиндрической формы, имеющие диаметр от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров. Ученые из США получили положительный результат, внедряя в углеродные нанотрубки азот при помощи способа, предполагающего управление количеством газа содержащего азот во время роста структуры. Полученный результат означает, что данный метод может применяться для управления электронным характером подобных объектов. Упомянутые наноструктуры возможно применять в конструкциях устройств для хранения данных и т.п. Углеродные нанотрубки с примесью азота могут использоваться для создания суперконденсаторов или для изготовления легких проводов. Практически в каждом выпущенном в США автомобиле используются те или иные нанокомпозитные элементы, в основном, это углеродные нанотрубки в сочетании с нейлоном, защищающие топливную систему от статического электричества. Подобная нанотехника уже сейчас пользуется большим спросом, например, в космической отрасли. Применение азота открывает широчайшие возможности для управления проводимостью нанотрубок.

Еще одним газом, используемым в нанотехнологиях, является аргон. Аргон широко применяется в светотехнике, так как обладает способностью к яркому сине-голубому свечению под воздействием электрического тока. В среде аргона проходят процессы, при которых требуется не допустить контакта расплавленного металла с азотом, кислородом, влагой воздуха и углекислотой. Аргонная среда применяется в горячей обработке вольфрама, урана, титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, тория, а также щелочных металлов. В аргонной атмосфере обрабатывают плутоний, а также получают некоторые соединения ванадия, хрома, титана. В сфере нанотехнологий, аргон используется в процессах аргонно-кислородного дутья, производимого в специальных AOD-конвертерах. AOD-конвертеры применяются для обезуглероживания расплавов, имеющих высокую степень концентрации хрома при сниженном парциальном давлении монооксида углерода. Разбавление оксида углерода аргоном при вдувании его смеси с кислородом в расплав, это основной процесс, протекающий при окислении углерода, необходимый для сокращения потери хрома при выплавке его из высокоуглеродистого феррохрома. Продувка аргоном расплава стали намного повышает ее качество.

В нанотехнологических исследованиях широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному изучению строения вещества – при более высоких температурах наиболее тонкие элементы энергетических спектров оказываются замаскированными тепловым перемещением атомов. В температурной среде жидкого гелия многие металлы и сплавы превращаются в сверхпроводники. Сверхпроводниковые реле-криотроны находят сегодня применение в конструкциях электронно-вычислительных машин. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимым звеном в нанотехнологиях. Они присутствуют в составе детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей, оптических квантовых генераторов, приборов для измерения сверхвысоких частот. Помимо температурных свойств, гелий обладает еще одной уникальной особенностью. Этот газ применяется в технологических операциях, которые невозможно проводить в обычной воздушной среде. Чтобы исключить возможность контакта получаемого вещества с газами атмосферы, создается специальная защитная среда, для ее создания самый подходящий газ, это гелий.

53.Каковы основы классификации биоэлементов по сфере применения.

Биоэлемент это элементарная единица функционирования живой материи, кот яв-ся био-ки активным комплексом хим-х элементов в виде атомов, ионов и наночастиц с ор-ми соед-ми экзогенного (первичные) или биогенного (вторичные) происхождения. Биоэлементы широко исп-ся при создании бионаноустройств. Их исп-е и определяет сферу применения самих биоэлементов. В качестве примера можно привести биосенсоры для выявления каких-либо в-в, присутствующих в окр. среде или организме человека. Сущ-т мед. сфера применения биосенсоров (антигены, антитела, ферменты и т.д.) и есть экологическая сфера применения (микроорганизмы для определения токсичности). Биосенсор может использовать биохимические реакции, опосредуемые выделенными ферментами, иммунными комплексами, тканями, органеллами или целыми клетками, для детектирования химических соединений, как правило, в виде электрических, термических или оптических сигналов. Микробные сенсоры состоят из иммобилизированных микроорганизмов и какого-либо электрохимического датчика и пригодны для непрерывного контроля биохимических процессов. Принцип работы микробных сенсоров - это ассимиляция орг-х соединений м/о-и, что регистрируется электрохим-м датчиком. Тканевые материалы растительного и животного происхождения успешно используют в качестве биокаталитических компонентов биосенсоров. Биокаталитические материалы этого класса создают естественное окружение для представляющего интерес фермента, в результате чего требуемая ферментативная активность заметно стабилизируется. Во многих случаях тканевые биосенсоры служат намного дольше, чем аналогичные бносенсоры с выделенными ферментами. Кроме того, тканевые материалы сохраняют достаточно высокую специфическую активность, необходимую для конструирования некоторых биосенсоров. тогда как выделенные ферменты в тех же условиях разрушаются. Тканевые биосенсоры появились позже ферментных и микробных биосенсоров. Во многих случаях в медицине возможно использование биоэлементов для поддержания жизнедеятельности органов и тканей вместо использования клеточных культур и тканей, так как не всегда сущ-т необходимость или возможность восстановления функции в-вом, органом, тканью, полностью идентичным живому (например, в трансплантологии, ортопедии, при лечении остеопороза, болезней кожи, волос и др.). Биоэлементы подразделяются на: биоэлементы - органогены О, С, Н, N, Макроэлементы Са, Mg, Р, S, K, Na, Cl, эссенциальные микроэлементы Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co, Cr, Se, I, токсичные микроэлементы Al, Pb, Ba, Bi, Cd, Hg, Tl, Be, Sb. Биоэлементы также применяются в молекулярной биологии, физиологии растений и животных, ветеринарии, почвоведении, агрохимии, фармации, пищевой промышленности.


54.Проблемы интеллектуальной собственности в бионанотехнологических производствах.

Основная задача бионанотехнологии – это получение разнообразных коммерческих «продуктов». Но ни одна компания не будет реализовывать долгосрочные проекты с высокой степенью риска, если не удостоверится в том, что результаты ее разработок будут надежно защищены от использования конкурентами. Самая важная форма интеллектуальной собственности для бионанотехнологов – это изобретение. Изобретение охраняется патентом, который представляет собой узаконенный документ, обеспечивающий исключительные права патентовладельца на коммерческое использование изобретения. Рассмотрим проблему интеллектуальной собственности на примере патентования ДНК-послед-тей. Наиболее значимым патентом, выданным на способ получения продукта с использованием гена человека стал патент на способ получения рекомбинантного эритропоэтина, который принес заявитею за один год более 1 млрд. $. Эритропоэтин стимулирует образование эритроцитов и исп-ся для предупреждения анемии у больных с почечной недостаточностью, которые подвергаются диальзу. Множество др-х нуклотидных послед-тей исп-ся в качестве диагностических зондов (биомаркеров). С начала осущ-ия проекта «Геном человека», в том числе с частичным секвенированием кДНК человека из различных тканей и органов, много вопросов и споров стало вызывать патентование неполноразмерных генов. В 1991 г. Национальные институты здравоохранения США подали патентную заявку на 315 частично секвенированных послед-тей кДНК человека (EST). Ещё две заявки увеличивали общее число частично секвенированных EST, на которое испрашивались патенты. В 1994 г. Ведомство по патентам и товарным знакам (РТО) уведомило институт, что оно намерено отклонить заявки на том основании, что функции послед-тей неизвестны. Или другими словами, было сочтено, что сами по себе частично секвенированные послед-ти не удовлетворяют условию патентоспособности «промышленная применимость». Противники патентования фрагментов ДНК считают, что несмотря на несомненную ценность таких послед-тей, выдача таких патентов не только предоставит патентовладельцам слишком широкие права, но и будет препятствовать разработке различных диагностических и терапевтических средств. В связи с этим тысячи EST рассмат-ся сейчас как некие промежуточные, а не конечные продукты. С другой стороны, сторонники патентования EST утверждают, что такие послед-ти яв-ся новыми, т.к. они комплементарны мРНК из различных тканей и органов, а также они имеют промышленную применимость, поскольку каждый набор EST можно исп-ть в диагностических целях, с тем, чтобы опред-ть, в какой мере то или иное заболевание сопряжено с измерением мРНК в различных органах. Т.о. проблема патентования EST остается открытой. Может пройти некоторое время, прежде чем она будет окончательно решена, особенно если заявители отклоненных РТО заявок подадут в суд.


55.Неорганические молекулы участники биологических процессов.

Обмен в-в и практически все процессы в организме контрол-ся орган. и неорган. молекулами. Особую роль в регуляции биопроцессов играют неорг-е молекулы: Са, Nа, К и т.д. В качестве примера можно привести ионные каналы. ИК - это специализированные белки клеточной мембраны, образующие гидрофильный проход, по которому заряженные ионы могут пересекать клеточную мембрану по электрохимическому градиенту. Пути с «воротами», которые могут находиться в открытом или закрытом состоянии.Участвуют в облегченной диффузии. Облег.диффузией переносятся сахара, аминокислоты, нуклеотиды и др.полярные мол. Каналы обычно участвуют в переносе определённых ионов. Через ионные каналы проходят ионы Na+, K+, Cl− и Ca++. Из-за открывания и закрывания ионных каналов меняется конц-я ионов по разные стороны мембраны и происходит сдвиг мембранного потенциала. Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются молекулярные системы открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. Ионные каналы могут иметь несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами. Также важную роль в жизнедеятельности клетки играют такие минеральные соли (помимо тех, что представлены выше), как соли магния и анионы соляной, угольной, фосфорной и некоторых других кислот. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия в 20— 30 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия внутри клетки, наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных градиентов концентраций осуществляются многие важные процессы жизнедеятельности, такие, как возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон. После гибели клетки конц-я катионов снаружи и внутри быстро выравнивается. Анионы слабых к-т участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса (рН) клетки. Анионы фосфорной кислоты необходимы для синтеза главной энергетической молекулы — АТФ, нуклеотидов и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Минеральные соли в живых организмах находятся не только в виде ионов, но и в твердом состоянии. Кости нашего скелета в основном состоят из фосфатов кальция и магния. Углерод способен образовывать стабильные, прочные ковалентные связи его атомы образуют стабильные цепи или кольца. Углеродные атомы образуют обычные ковалентные связи с атомами Н, N, О, Р, S. Также способен образовывать кратные связи; этим же свойством обладают кислород и фосфор.


56.Почему биологически активные вещества служат основой построения биологических макромолекул для бионанотехнологий.

БАВ - это соед-я, кот. вследствие своих физико-хим св-в имеет определенную специфическую активность и выполняет или влияет, меняет каталитическую (ферменты, витамины, коферменты), энергетическую (углеводы, липиды), пластичную (углеводы, липиды, белки), регуляторную (гормоны, пептиды) или иную функцию в организме. БАВ служат основой построения био макромолекул, т.к. они обладают ценными св-ми: термолабильность, биологическая активность, влияние на них активаторов и ингибиторов, стерильность получения и др. Одним из важнейших св-в БАВ яв-ся их био активность. Она зависит от уровня рН среды, температуры и может теряться в процессе нагревания в результате повышения локальных значений температур, образования неравномерности потоков р-ра, перегрева пристенного слоя р-ра свыше температур термической стойкости и длительном времени обработки. Основными функциями БАВ яв-ся: клеточный обмен в-в в организме; превращения в-в; синтез необходимых в-в; катализации биореакций в организме. Размеры большинства БАВ сильно варьируют. Наночастица - это изолированный твердофазный объект, имеющий отчетливо выраженную границу с окр. средой, размеры которого во всех трех измерениях составляют от 1 нм до 100 нм. Многие БАВ можно классифицировать как наночастицы. Те БАВ, характерные размеры которых лежат в диапазоне между 1 и 100 нм., служат основой для построения биомакромолекул для бионанотехнологий.



57. Каковы ключевые свойства ферментов, белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов как участников бионанотехнологий.

Размеры большинства атомов лежат в интервале от 0.1 до 0.2 им. Наночастица (англ. nanoparticle) - это изолированный твердофазный объект, имеющий отчетливо выраженную границу с окруж.средой, размеры к-рого во всех трех измерениях сост. от 1 им до100 им. Многие биообъекты можно классиф-вать как наночастицы. Фермент - белковые молекулы, реже молекулы РНК или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) хим. реакции в живых системах. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних вещ-в (субстратов) в др.(продукты). Основные ф-ции ферментов — катализировать превращение вещ-в, поступающих в организм и образ-ся при метаболизме, а также осущ. молек.-биолог. процессы (н-р, воспроизведение и реализацию генетической инф-ции). Ферменты выступают в роли катал-ров практически во всех биохим. р-циях, протекающих в живых организмах: ими катализируется около 4000 р-ций. Белки — высокомолек. природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соед. амидной (пептидной) связью –CO–NH–. Каждый белок харак-ся специф-кой аминокислотной послед. и индивид.простран-ной структурой (конформацией). Белки яв-ся одной из основных функц-ных структур всего живого. Данные структуры находят широкое применение в нанобиотех. и наномедицине. К ним относятся: молек. векторы направленной доставки лекарств (антитела), чувств-ные элементы хим. сенсоров (ферменты и ионные каналы), биогенные и универ-ные наночастицы терапев-кого или диагностического назначения и многое др. Нуклеиновая кислота - полимерная молекула, сост. из нуклеотидов. Полинуклеотиды — биополимеры,НК, образов. нуклеотидными звеньями, к-рые в свою очередь состоят из азотистого основания, углеводного остатка и фосфатной группы. Цепочки из нуклеотидов соед. через остаток фосфорной кислоты (фосфодиэфирная связь). В состав всех НК входят аденин, цитозин и гуанин, а также тимин (ДНК) и урацил (РНК). В клетках синтез НК осущ. ферментами, к-рые образуют новые цепи полинуклеотидов, используя в качестве матрицы резидентную молекулу НК. Полинуклеотиды опред-го нуклеотидного состава могут быть использованы как структурные элементы ДНК-наноструктур или элементы биогенных наночастиц. Липосомы находят широкое применение в качестве наноносителей для ферментов и лекарственных препаратов, что обусловлено главным образом близостью свойств липидных носителей и природных биомембран. По своей природе входящие в состав биологических мембран липиды можно разделить на три класса: фосфолипиды, гликолипиды и нейтральные липиды, основным представителем которых является холестерин. Мицеллы представляют собой практически идеальную среду для выделения и проведения структурных исследований мембранных белков. Типичный диаметр мицелл равен  4-10 нм, гидрофобные углеводородные «хвосты» молекул мицелл изолированы от контактов с водой полярными «головами». 

Биология и нанотехнологии имеют обширный «интерфейс». Биологические системы состоят из наноразмерных строительных блоков и молекулярных машин (моторов). Их организация и принципы работы представляют непочатый край новых подходов и структур для нанотехнологий. Вместе с тем, нанотехнологии обеспечивают биологию инструментарием и технологиями для изучения организации живого на молекулярном уровне. Соразмерность биологических структур и искуственных наноматериалов, с одной стороны, может определять биологические и токсические свойства последних. С другой — биологические структуры могут использоваться для конструирования новых наноустройств.



58. Основные бионанообъектов, используемые для бионанотехнологии.

Наноразмерные биологические объекты - компоненты живых систем, имеющие линейные размеры 1–100 нм по крайней мере в одном измерении.

К бионанообъектам относятся молекулы белков, нуклеиновых кислот(ДНК, РНК) и полисахаридов, формирующие внутриклеточный каркас (цитоскелет) ивнеклеточный матрикс, мембранные каналы, рецепторы и переносчики, систему внутриклеточной сигнализации, молекулярные машины для синтеза, упаковки и утилизации белков и нуклеиновых кислот, производства энергии, внутриклеточного транспорта и движения клеток. Размер белковых молекул и надмолекулярных белковых комплексов колеблется от 1 до 1000 нм. Диаметр спирали ДНК составляет 2 нм, а ее длина может достигать нескольких сантиметров. Белковые комплексы, формирующие нити цитоскелета, имеют толщину 7–25 нм при длине до нескольких микрон. Белковые комплексы, образующие поры, достигают 120 нм в диаметре. Внеклеточные структуры также могут иметь наноразмерные характеристики. Так, экзосомы, везикулы, переносящие материал между клетками, имеют диаметр 65–100 нм, а частицы липопротеинов плазмы крови, транспортирующие липиды в организме, — 8–50 нм.

Основной объект воздействия современной медицины - это клетка, а зачастую - макромолекулы (ДНК, белки, реже полисахариды). Но если размер клеток 7-20 мкм, а диаметр двойной спирали ДНК 2,4 нм, то и инструменты для их починки должны быть того же порядка, что и объект, то есть нанометрового диапазона. Конечную цель наномедицины можно определить как создание "нанороботов-лекарей", которые путешествуют по организму, проходят через все барьеры и доставляют к клеткам лекарственную субстанцию, а также устройства для манипуляций над клетками и молекулами. Сегодняшний же уровень развития наномедицины - это доставка лекарственных и диагностических субстанций в наноконтейнерах в нужное место. Такая адресная доставка обеспечивает более эффективное действие лекарства и сохраняет окружающие ткани. Для нее служат нанокапсулы (стелс-липосомы) или векторы для генной терапии (вирусные и невирусные). У наночастиц-лекарей несколько последовательных задач. Им надо найти в организме клетки-мишени, пройти через все барьеры, доставить к ним субстанцию для лечения или диагностики, затем проникнуть внутрь клетки и выгрузить содержимое. После выполнения своей задачи судьба наночастиц - распасться на части и покинуть организм. Для того, чтобы обеспечить выполнение всех этих этапов действий, им надо обладать некоторыми вполне определенными свойствами. Иметь рецепторы для направленного движения к цели. Обладать способностью проходить через клеточные мембраны. Высвобождать содержимое точно в нужное время и в нужном месте. Быть нетоксичными. Мишени, на которые направлены наночастицы, это, к примеру, раковые клетки, клетки, зараженные вирусом, атеросклеротические бляшки и всяким образом поврежденные органы. Когда доксорубицин доставляется к опухоли в липосомах, его лечебное действие на опухоль в несколько раз больше, чем когда раствор просто вводится в организм (в опытах на мышах). Барьеры, которые встают на пути наночастиц, многообразны: стенки желудочно-кишечного тракта, стенки капилляров, гемато-энцефалический барьер (между кровью и клетками мозга), мембрана клетки и мембраны клеточных органелл. И они их успешно преодолевают, например, через ГЭБ наночастицы проходят лучше, чем отдельные молекулы.



59. Какие регуляторы используются в биологических процессах в бионанотехнологии.

Регуляторными молекулами биопроцессов являются гормоны, ферменты, медиаторы, разнообразные биологически активные вещества;



Ферменты — это белки, обладающие специфическими каталитическими свойствами, то есть каждый фермент катализирует одну или несколько сходных реакций. Ферменты катализируют реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм), в том числе репликацию и репарацию ДНК и матричный синтез РНК. 

Гормоны — биологически активные вещества органической природы, вырабатывающиеся в специализированных клетках желёз внутренней секреции, поступающие в кровь и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции. Гормоны служат гуморальными регуляторами определённых процессов в различных органах и системах. 

Медиатор — 1) мультибелковый комплекс, необходимый для транскрипции генов эукариот РНК-полимеразой II. Термин «М.» предложен И. Келлихером с соавт. в 1990 г. 2) сигнальное вещество, синтезирующееся в отличие от гормонов не специализированными клетками желез внутренней секреции, а различными другими типами клеток. После секреции М. оказывает гормоноподобное действие на окружающие ткани. К наиболее важным М. относятся гистамин и простагландины. 

Примером регуляторов в биологических системах может стать инактивация наноматериалов как токсикантов. Первый фермент в мультиферментных системах биотрасформации является обычно регулятором. Поскольку аллостерические ферменты часто участвуют в регулировании (регуляторные ферменты), роль сигнала управления (α) играет эффектор (положительный – активатор, отрицательный – ингибитор).

Природные пептидные биорегуляторы — комплексы из пептидов, аминокислот, витаминов и микроэлементов, регулирующих процессы метаболизма.

Способствуют:

1.Восстановлению нарушенных функций органов и тканей;

2.Регуляции активности генов: короткие пептиды связываются со строго определенными участками соответствующих генов, инициируя раскручивание молекулы ДНК и считывание с нее информации;

3.Делению клетки без атипии.
60. Перечислите основные биологические процессы, используемые в бионанотехнологии.

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.

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 цепей ДНК от разных видов (организмов) в единую двухцепочечную молекулу ДНК. При комплементарности всех нуклеотидов обеих цепей (полной комплементарности) слияние происходит легко и быстро. В случае неполной комплементарности слияние цепей в единую двухцепочечную молекулу (дуплекс) замедляется. На основании оценки скорости этого слияния делают вывод о степени комплементарности исходных цепей. Описанным методом можно сформировать дуплексы типа ≪ДНК-ДНК≫, так и соединения типа ≪ДНК-РНК≫, в результате которых образуются рекомбинантные ДНК.

Фолдинг (англ. Folding)- это процесс принятия молекулами определенной формы или конформации. Наиболее активно изучается фолдинг белков, 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.
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

Скачать 347.58 Kb.

Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5




База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2020
обратиться к администрации

    Главная страница