CC BY
68
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №3/2016 ISSN 2410-700Х_
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 577
Козлов Юрий Павлович
докт. биол. наук, проф., президент Русского экологического общества
г. Москва, РФ E-mail: jp-kozlov@mail.ru
НАНОБИОСЕНСОРИКА КАК ОБЛАСТЬ ИННОВАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
Аннотация
Рассматривается разработка и использование наноструктур - детекторов и трансдукторов для измерения малых концентраций веществ, в частности высокочувствительных биосенсоров на основе наноконструкций из полиферментных комплексов по измерению и контролю уровня биологически важных молекул и химических поллютантов в окружающей среде.
Ключевые слова
Наночастица, детектор, трансдуктор, ферментные комплексы, поллютанты
Разработаны многофункциональные наночастицы, состоящие из соединяемых друг с другом наномодулей, каждый из которых имеет размеры в диапазоне от 0,1 до 100 нм и выполняет ту или иную функцию: одни наночастицы могут нести лекарственные вещества; другие - молекулы узнавания и адресной доставки; третьи наноструктуры в составе наносомы могут выполнять роль биосенсоров (рН, редокс потенциала, мембранного потенциала); четвертые могут быть оснащены наноантеннами из нанокристаллов золота, вызывающими нагревание наносомы при помещении в электромагнитное поле определенной частоты. Применение суперпарамагнитных наночастиц в составе наносом позволяет визуализировать их местонахождение в организме с помощью томографических методов. Под биосенсорами [1] понимают аналитические устройства (детекторы), включающие биологический компонент (фермент, культуру клеток/ткани, антитела, микроорганизмы, растения, животные) и средства измерения реакции (отклика) этого элемента на измерение качественного состава среды - физический или физико-химический датчик (трансдуктор). Действие биосенсоров основано на специфичности клеток и молекул и используется для идентификации и измерения малых концентраций различных веществ. Так, биосенсоры могут быть использованы, например, для : измерения степени загрязнения окружающей среды [2] или экспресс-анализа крови [3]. Нами были созданы, во-первых, ферментные биосенсоры на основе термостабильной целлюлозо-дегидрогеназы (ЦДГ) и лакказы (ЛК) из грибов для определения фенолов в сточных водах и наноконструкция из ЦДГ и ЛК, способная осуществлять в присутствии фермента (целлобиозы) и О2 циклический процесс превращения фенола в хинон; последним способом может быть осуществлена ампликация сигнала на кислородном электроде Кларка (разновидность амперометрического биосенсора), позволяющая определять низкие концентрации экотоксинов/поллютантов на уровне 1 мг/л-1 и 1 мкг/л-1 [4]; во-вторых, люминесцентные биосенсоры на основе многокомпонентного ферментативного реагента с использованием иммобилизованной люциферазы и НАДН-ФМН-оксидоредуктазы для определения фенолов, хинонов и тяжелых металлов в сточных водах, а также биосенсоры, содержащие в качестве рецепторного элемента фоточувствительные пигмент-белковые комплексы, чувствительные к присутствию поллютантов (гербициды, ионы тяжелых металлов - в концентрациях 10-4 — 10-6 М/л) на основе регистрации кинетики и квантового выхода реакции флуоресценции; разработан способ определения фотосенсибилизирующего действия (ФСД) поллютантов (от целлюлозо-бумажного комбината /ЦБК/ оз. Байкал) на наноструктуры -липосомные белки мембран саркоплазматического ретикулума (СПР) в присутствии красителя (основной
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №3/2016 ISSN 2410-700Х_
фиолетовый) - детекторы, при этом осуществлялось рН-метрическое измерение транспорта ионов Са внутрь везикул СПР (Са/АТФ в молях) /трансдуктор/ в контроле и при ФСД поллютантов ЦБК; наблюдали существенное снижение показателя Са/ВТФ в освещенном образце при ФСД тестируемых поллютантов на уровне 1 мг/л-1 и 1 мкг/л-1[5]; в-третьих, созданы датчики, способные к экологическому мониторингу окружающей среды, в частности внутриклеточных биосенсоров на основе генетически модифицированных объектов (рыб) c изменением их окраски для определения диоксинов в водной среде в концентрациях 0,000001-0,00000001 М/л [2]; в-четвертых, разработана [3] система адресной доставки лекарств в клетки и ткани организма с помощью наноконтейнеров: синтетических наночастиц, вирусных капсул и липосом; в-пятых, разработаны и применены новейшие нанотехнологии и биотехнологические способы для сохранения биоразнообразия ценных видов рыб и их устойчивого использования; на основе «открытия» половых феромонов рыб [6,7] был предложен экологически безопасный препарат для стимуляции созревания рыб -«Феромин-I» в условиях рыборазводных хозяйств, позволяющий существенно увеличить рыбопродуктивность, восстановить естественные нерестилища популяций рыб, стимулировать искусственное рыборазведение; препарат эффективен, безопасен и экономичен: одного милиграмма достаточно для стимулирования размножения тысячи особей; концентрация препарата в водном р-ре порядка 10-8 - 10-10 г/л обеспечивает через несколько суток созревание самцов и самок и стимулирует их половое поведение, повышая эффективность их нереста; в-шестых, с помощью реакции биолюминесценции (трансдуктор) проанализировано содержание АТФ при гематологических заболеваниях человека; как известно, биолюминесценция связана с протеканием ферментативных реакций (светящиеся беспозвоночные) и включает взаимодействие 4-х компонентов: субстрата-С (люцеферин), фермента-Ф (люцефераза), АТФ и О2; при отсутствии хотя бы одного компонента свечения не наблюдается; к физиологическому р-ру смеси, включающей три компонента (С, Ф, О2) добавляли плазму крови доноров и гематологических больных (исходно содержащих определенную концентрацию АТФ) и возникало свечение; по сути дела, с помощью измерения интенсивности реакции биолюминесценции «сканировали» концентрацию. АТФ в плазме крови (до 10-8М); как оказалось плазма крови доноров содержала значительно большую концентрацию АТФ, нежели больные гематобластозами [3]. Таким образом, на привеленых примеров видно важное значение нанобиосенсорики как новой области инновационных исследований наук об окружающей природной среде.
Список использованной литературы: 1.Дмитриева Т.М., Козлов Ю.П. Сенсорная экология // Учебное пособие (с грифом УМО): М. - РУДН. -2010. - 404 C..
2.Козлов Ю.П. Биосенсоры как эффективные анализаторы химических поллютантов в окружающей среде // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития науки и образования», ч. 4..- М.: АР-Консалт.-2014.- с. 115-116.
3.Gukasov V.M., Rybakov Y.L., Dmitrieva T.M., Kozlov Yu.P. Production and utilization of highly sensetive biosensors for the measurement and control level of the biological impotant molecules and for the content of the chemical pollutants in environment // Collection of materials Russian-American simposium on biotechnology in industry, agriculture and health.- Moscow-Philadelphia: RES-SRI RINKCE.- 2014.- p.18-19.
4.Rabinovich Mikhail L., Kozlov Yu.P. et all. Application of cellulose-based self-assembled tri-enzyme system in a pseudo-reagent-less biosensor for biogenetic catecholamine detection // Biotechnol. J. 2007, vol.2. p.546-558.
5.Козлов Ю.П., Каган В.Е., Бейм А.М., Ритов В.Б. Способ определения фотосенсибилизирующего действия химических веществ на биологические объекты // Патент РФ, №1161879, 1985.
6.Katzel P.V., Dmitrieva T.M., Kozlov Yu.P. et all. Sex pheromones of male Yellowfin Baical Sculpin: isolation and chemical studies //Journal of Chemical Ecology.-v.8.-Issue 11.-1992.-2003-2010.
7.Дмитриева Т.М., Козлов Ю.П. Разработка и применение нанобиотехно-логического принципа управления половым процессом у рыб // Материалы Международной научно-практической конференции «Новая наука : опыт, традиции и инновации».-2015, г. Стерлитамак.-РИЦ АМИ (РФ).- с.3-5.
© Козлов Ю.П., 2016
