Нанобиотехнологии. Основные направления развития Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ

Известия ТСХА, выпуск 1, 2010 год

УДК 573.6 - 022.532

Нанобиотехнологии. Основные направления развития

В.И. ГЛАЗКО, Т.М. МИНИНА, Т.Т. ГЛАЗКО

(Центр нанобиотехнологии, кафедра генетики и разведения животных)

Представлено обсуждение современных направлений развития нанобиотехнологий. Особое внимание уделено вкладу нанобиотехнологий в формирование геномики. Обсуждаются методы и результаты исследований в структурной и функциональной геномике. На основании собственных и литературных данных обсуждаются связи между микро- и наноуровнями организации и функциональной активности генетического материла на примере некоторых видов.

Ключевые слова: нанобиотехнологии, турная и функциональная геномика.

В современном мире темпы развития научных исследований стирают временные сроки между открытием новых фундаментальных явлений и их практическим использованием. Считается, что нанотехнология — это начало Третьей Мировой научнотехнической революции (НТР-3) — поя вления новой реальности, которая меня ет облик мира в XXI веке. Мир наноструктур (наномир) подразумевает мир объектов или связанных структур, имеющих характерные размеры от долей нанометра до сотен нанометров. «Нано-» означает десять в минус девятой степени, т.е. миллиардные доли метра — размеры нанообъектов. Нижняя граница опре-дел етс классическим радиусом атома поря дка 0,1 нанометра (0,1 нм = = 1 Е, т.е. одного Ангстрема, — единицы длины пор дка размера одного атома), верхняя — размерами до 0,1 микрометра (100 нм; 0,1 мкм = = 10-7 м), т.е. размером биомолекул, при которых утрачиваетс специфика поведени и свойств наночастиц [1]. Термин нанотехнология впервые был использован японским учёным

наночипы, ДНК-микроматрицы, струк-

Н. Танигучи в 1974 г. на конференции Японского общества точного машиностроения [1]. Широко термин Nanotechnology — нанотехнология ввёл Эрик Дрекслер, напечатав в 1986 г. книгу «Машины созидания . Грядущая эра нанотехнологии») [2]. Ранее принципиальное значение малоразмерных объектов показано в 1959 г. лауреатом Нобелевской премии физиком-теоретиком Ричардом Фейнманом при обсуждении проблем миниатюризации в лекции «Внизу полным-полно места: приглашение

в новый мир». В ней он подчёркнул актуальность работ в этой области, отмечая при этом, что законы физики не запрещают конструирование на атомно-молекул рном уровне. Теперь ясно и показано, что переход от макро- к наноразмерам приводит к по влению качественных изменений физико-химических свойств различных соединений и получению на их основе наносистем. Нанотехнологи обещает проникнуть во все сферы деятельности человека, кардинально изменить производство, экономику и жизнь в целом, подобно тому, как

это случилось в результате информационной и компьютерной революции в конце XX века. Однако по всем признакам и прогнозам последстви нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Современные темпы развити научных исследований практически стирают грани и сроки между открытием новых я вле-ний и их практическим использованием. Фундаментальные исследовани в области нанотехнологии направлены на решение определённых практических задач. Ясно и другое, что конкретные прикладные применени нанобиотехнологий невозможны без фундаментальных научных исследований. Возникновение и развитие нанонауки отвечает современному развитию естествознани .

Основные приоритеты развити нанобиотехники и наномедицины опре-дел ют по следующим направлени м работ [1, 3$8, 14$17]: биологические наночипы дл диагностики соматических и инфекционных заболеваний, в т.ч. дл видовой идентификации возбудителей особо опасных инфекций и токсинов; медицинские нанороботы, способные устран ть дефекты в больном организме путем управл емых нанохирургических вмешательств;

молекул рные детекторы дл секве-нирования генома на основе неорганических нанопор; саморазмножаю-щиеся геномы, применимые в области биотехнологии и медицины с целью производства лекарств, проведения фармакологического скрининга и мо-делировани патологических процессов; биосовместимые наноматериалы широкого спектра применени (в т.ч. дл создани искусственных органов, принципиально новых типов перев -зочных материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной активностью).

Важнейшей задачей нанобиотехнологии вл етс создание средств доставки терапевтических препаратов в определённые виды клеток. Это на-

ночастицы как лекарственные препараты нового поколения, а также как контейнеры дл адресной доставки лекарств в клетки-мишени. В частности, необходимо создание методов введени в клетки ДНК и РНК дл развития быстро развивающейся ге-нотерапии. Разработаны новые подходы к доставке РНК и ДНК, основанные на биотехнологических подходах. Дл стимул ции св зывани нуклеиновых кислот с клетками предложено формировать из них комплексы, представл ющие собой наноразмер-ные частицы. Такие частицы форми-руютс за счёт нековалентных взаимодействий нуклеиновых кислот между собой и катионными полимерами. Частицы эффективно связываются с клеточной поверхностью, что способствует их успешному поглощению клеткой. Эти исследовани открывают возможность создания действенных методов генотерапии.

Нанобиотехнологии — прогресси-рующа область научных интересов создани новых методов познани биологических систем на основе кон-струировани структур в нанометро-вом диапозоне. Переход от макро- к наноразмерам приводит к по влению качественных изменений физикохимических свойств различных соединений и получению на их основе наносистем. Нанобиотехнологии можно примен ть не только дл создани новых материалов. На основе биомолекул возможно создание «биомашин», различных устройств и сенсоров. В области разработки молекуля рных машин активно ведутс исследовательские работы. Доказано, что можно сделать движущися наноструктуры, «шагающие роботы», выполненные из молекул ДНК. Они способны двигаться в определённом направлении по молекуле ДНК при подведении к ним энергии. Достижения нанобиотехнологии особенно важны для разработки новых методов биодиагностики, основанной на применениии наноча-

стиц дл специфической детекции в биоаналитических и клинических направлениях. Получены материалы с наночастицами серебра, обладающие антибактериальными свойствами. Применимы в медицине дл борьбы со стафилококками и другими бактери -ми в виде красок, бесхлорных средств дезинфекции, перевя зочных материалов, лака для покрытия катетеров и т.д. Белье из такого материала может носиться в течение длительного времени без стирки. Такие материалы используют в сельском хоз йстве, например в доильных аппаратах, решают проблему загр знени фильтров любых кондиционеров. Разраба-тываютс материалы дл клеточных технологий; создаютс биосовмести-мые полимеры, синтетические, например, полиэтилентерефталат (лавсан), политетрафторэтилен (тефлон) или биодеградируемые — природные (хитозаны, ацетилцеллюлоза и др.) и бактериального (полиоксиалканоаты) происхождения . Например, если тефлон подвергнуть ионно-плазменной обработке ионами СЕ 4 и на его поверхности создать рельеф с заданной шероховатостью, то этот полимер после обработки приобретает абсолютно новые, уникальные свойства. Так, если среднеквадратическое отклонение высоты полученных в результате обработки микронеровностей свыше 10 нанометров, соблю-даютс определенные соотношени

между высотой и радиусом основания выступов, а также полярным и дисперсионным компонентами поверхностной энергии, то эта полимерная структура приобретает антибактериальную активность. Это значит, что можно обеспечить уменьшение в воздухе и различных средах концентрации патогенных бактерий (кишечной палочки, синегнойной палочки и др.) и патогенных грибов при контакте с пленкой, обработанной таким образом. Зависимость антибактериальной активности от геометрических и энер-

гетических параметров поверхности имеет пороговый характер. В России уже есть научно-практический задел по направлению использовани наноматериалов дл восстановлени механических свойств зубной эмали [6]. Ведутс исследовани и в области разработки технологии обработки поверхностей методом нанонапылени с целью придани им антибактериальных свойств.

Другое направление св зано с созданием полифункциональных композитных материалов на базе интеграции синтетических и природных наноструктурированных полимеров, например, хитозана, и наноматериала в виде фуллерена 60 — С60. Хито-зан — полимер, обладает свойством биодеградировать, или растворяться в биологических средах. Фуллере-ны — это наноматериалы, представ-л ющие собой аллотропную форму углерода. Фуллерен 60 обладает ря -дом уникальных свойств. Кроме хорошо известных электрофизических, оптических, адсорбционных и других полезных технических свойств фул-лерена особое место занимает возможность его применения в биологической и медицинской химии. Разнообразие технологий производства фуллеренов и их производных позво-л ет планировать в рамках программы существенное расширение спектра применени наночастиц как лекарств. Создание математических моделей дл прогнозировани биологической активности, формулирование требований к производственным технологи м и в итоге получение наночастиц с заданными лекарственными свойствами.

Интеграци двух нанобиоматериалов позвол ет существенно расширить их области применени путем создани средств адресной доставки лекарственных препаратов. Например, к молекулам фуллерена 60 с помощью химической реакции при-соединя ют порфирин, используемый

в фотодинамической химиотерапии, нанос т диаду фуллерен-порфирин на наноструктурированный полимер, например, хитозан, и с применением лапароскопической техники проведе-ни операций внос т непосредственно в область опухоли. После облуче-ни лазером порфирин разлагаетс с образованием радикала, уничтожающего раковые клетки, а хитозан постепенно раствор етс в средах организма. Помимо противоопухолевого действи этот нанокомпозитный биоматериал обладает антибактериальными и иммунномодулирующими свойствами.

Другое направление исследований св зано с созданием биокерамического матрикса из смеси хитозана с керамикой. Работы ведутс в направлении определени параметров поверхности дл оптимизации скорости роста клеток на поверхности матрикса, а также св заны с исследованием параметров поверхности полимерной пленки хи-тозана, полученной с использованием ионно-плазменной обработки. Новые фармацевтические препараты, основанные на достижениях нанохимии и биотехнологии позвол т создавать новое поколение нейростимул торов и высокоэффективных аэрозольных спецсредств разнообразного назначе-ни .

Создаютс молекул рные детекторы на основе нанопор. Данна кате-гори молекул рных детекторов выделена в отдельную группу в св зи с ее значимостью дл решени задачи прочтени индивидуальных геномов. Регистрация прохождения молекулы через нанопору достигается за счет изменени электрических характе-

ристик между поверхностя ми пене-трируемой поверхности (более грубый вариант детекции) либо между подведенными к нанопоре наноэлектродами. При последнем способе регистрации чувствительности детектировани достаточно для того, чтобы различать разные типы нуклеотидов в составе

цепочки ДНК. При этом чтение последовательности нуклеотидов происходит со скоростью в сотни тысяч раз быстрее, чем при использовании стандартных методов секвенировани ДНК.

Интенсивно ведутся работы в области наносенсоров (НК-зависимых переключателей, молекулярных сенсоров, сенсоров на основе гибридных конструкций, которые состоят из нуклеиновых кислот и белка). Считается , что они найдут широкое применение в молекул рной диагностике. Создано множество диагностических систем для медицины, основанных на олигонуклеотидах, самособираю-щихся в комплекс на анализируемой ДНК, получены патенты на такие системы и ДНК-чипы.

Разработаны наноразмерные неорганические структуры — «квантовые капли», которые за счёт квантовых эффектов окрашены в различный цвет и используютс как спектральные метки дл диагностических систем.

Фосфолипидные наносистемы при-мен ютс дл введени лекарственных соединений и вакцин. Одним из способов создани лекарственных средств нового поколения стало снабжение их системами доставки, обеспечивающими пролонгированное поступление лекарственных веществ в определенные органы и клетки-мишени. Разработана и сертифицирована фосфолипидная наносистема с диаметром наночастиц от 25 до 50 нм (фосфоглив для внутривенных инъекций). Направленный транспорт лекарств в очаг развити патологического процесса позвол ет добитьс повышени эффективности уже существующей лекарственной терапии. Мировой объем продаж лекарств с модифицированной системой доставки в насто щее врем состав-ля ет 20% от общего объема рынка фармпрепаратов.

Реализуется мечта Ричарда Ф. Фейнмана, предсказавшего, что че-

ловечество сможет конструировать материальный мир вокруг себ по собственному усмотрению, разъединяя и соединяя атомы, как болты и гайки, как давно реализуются в автопромышленности, авиастроении,

медицине [9]. С помощью таких технологий создаютс особо прочные и особо тонкие материалы, которые трудно или невозможно создать в обычных условиях. Но только в 1982 г. по вилс патент на сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволивший не только увидеть атомы, но и манипулировать ими.

В насто щее врем наиболее развитые разделы нанобиотехнологии — это расшифровка геномов различных организмов, в т.ч. и человека; генная инженерия, т.е. изменение генетических свойств путем замены отдельных генов и нуклеотидов в молекуле ДНК; использование органических молекул в чипах дл электроники; внутриклеточные манипул ции и многое другое.

Наиболее безопасные, практически важные направления, которые разви-ваютс в области нанобиотехнологий в последнее время, относятся к разработкам методов секвенировани и вы влени полиморфизма геномов [4]. Это позвол ет вести поиск белков-маркеров патологических состо ний, разрабатывать новые технологии по-вышени концентрационной чувствительности и производительности молекул рной диагностики. Нанобиотехнологии внос т существенный вклад в развитие методов оценки биобезопасности генно-модифицированных продуктов, в создание новых поколений лекарств, а также оптимизации методов генной терапии.

Одним из развитых направлений нанотехнологий вл ютс биочиповые технологии или ДНК-микроматрицы, без которых современна биологи и медицина уже не могут существовать. Это имеет большое значение дл секвенировани и изучени полиморфизма геномов. ДНК-чипы (биочипо-

вая технология) — современная нанотехнологи анализа генетического материала, позволяющая проводить скрининг сложных смесей нуклеиновых кислот. Это индустри высоких технологий, базирующаяся на современных достижениях химии, биологии, физики, микроэлектроники, информатики и других отраслей знаний. Биочип представл ет собой пластинку, несущую на своей поверхности множество различных зондов — фрагментов нуклеиновых кислот или олигонуклеотидов, размещённых в определённом пор дке. С помощью такого чипа можно наблюдать за структурой (геномика) и функционированием (функциональна геномика) всех генов в организме человека — всё это уже делается в лаборатория х. Практически дл медицинских целей необходимы упрощённые варианты чипов: для обнаружения разных вирусов и патогенных микроорганизмов.

Микроматрицы ДНК — техническое достижение в цепочке методов нанобиотехнологий, использующих

принципиальное свойство дуплекса ДНК — комплементарность последовательностей двух цепочек. Одним из разработчиков методов создани и использовани микроматриц вл ет-ся А.Д. Мирзабеков [10].

Микроматрицы (микрочипы), содержащие тысячи иммобилизованных фрагментов нуклеиновых кислот, доступных для исследований, я вля ют-с основой развити новой области молекул рной генетики — геномики, науки о геноме. Очевидно, что фундамент этой новой науки составл ют: определение первичных последовательностей ДНК, их физическая упор доченность в геномах, размах и закономерности их полиморфизма, скорость эволюции.

Развитие методов использовани микроматриц позвол ет создавать ДНК диагностикумы дл вы влени мутаций в структурных генах, которые ассоциированы с различными

заболевания ми, а также интегрированного в геном различных видов животных генетического материала патогенных агентов. В недавно проведенном исследовании участка генома человека длиной в 2,3x10е п.н. были обнаружены 2 тыс. сайтов полиморфизма на уровне нуклеотидных замен (single-nucleotide polymorphism, SNP), что позволяет представить масштабы генетической изменчивости в попу ля ция х человека. В 2006 г. была создана карта хромосом человека, на которой представлены районы полиморфизма по дупликаци м участков ДНК [1, 11]. Оказалось, что такие

районы занимают почти 12% всего генома. Они содержат сотни генов, регул торных последовательностей и других генетических элементов. Выявлено большое количество (~5%) протяженных блоков ДНК, имеющих в различных област х генома почти идентичные копии. Такие блоки названы сегментными дупликаци ми (СД) или дупликонами, хотя число их копий в геноме часто превышает 2.

Технологи микрочипов ДНК поз-вол ет осуществл ть мониторинг экспрессии большого количества генов и изучать профили генной экспрессии различных клеточных популя ций, на разных стадиях развития, цитодиф-ференицировки и органогенеза (expression profiling). С этой целью для генов с известными последователь-ност ми нуклеотидов создаетс микроматрица сегментов кДНК длиной

0,5-1,0 т.п.о. Из анализируемых образцов (например, опухоли и здоровой ткани) выделяют суммарную мРНК, которую с помощью обратной транскрипции превращают в кДНК, мет т флуоресцентными красител -ми и используют дл последующей конкурентной гибридизации с фрагментами известных генов, нанесенными на микроматрицу. Интенсивность флуоресценции отдельных

элементов микроматрицы после обра-зовани гибридов позвол ет качест-

венно характеризовать различия в уровн х экспрессии конкретных генов в анализируемых образцах. Например, отсутствие конкуренции за образование гибридов со стороны кДНК нормальной ткани может говорить о транскрипции в опухоли новых генов, не экспрессирующихс в нормальных клетках.

Использование технологии ДНК-микроматриц позвол ет одновременно осуществл ть мониторинг нуклеотидных последовательностей большого количества генов, оценивать активность их транскрипции (профили генной экспрессии). Особую важность эти методы имеют дл поиска генов, транскрипция которых вносит определ ющий вклад в формирование желательных хозяйственно ценных признаков, а также патологических фенотипов при р де заболеваний у с.-х. видов животных.

Исследовани профилей генной

экспрессии в различных органах (транскриптомный фенотип органа) позвол ет вы вл ть гены и контролируемые ими метаболические пути, изменение в работе которых может быть тесно свя заны с формированием различных фенотипических характеристик. Для того, чтобы иметь возможность надежно типировать работу т аких «критических» генов для разных фенотипов необходимо создание базы данных о межорганных особенност х профилей генной экспрессии у животных, которых условно можно отнести к физиологической норме. Такая база может в дальнейшем служить в качестве исходного контроля, по отношению к которому будут рассматриватьс взаимосв зи между изменения ми экспрессии «критических» генов транскриптомного фенотипа органов и фенотипической изменчивостью различных морфофизиологических характеристик животных.

В этой свя зи нами выполнен сравнительный анализ у свиней профилей

генной экспрессии двух органов, печени и почек, имеющих определенную близость ранних этапов гистогенеза и внос щих определ ющий вклад в контроль биохимического гомеостаза многоклеточных организмов.

Важно подчеркнуть, что, несмот-р на широкую распространенность использовани ДНК-микроматриц

дл анализа профилей генной экспрессии, метод имеет ряд недостатков, которые могут приводить к ошибочным результатам. Источники таких ошибок остаютс недостаточно исследованными до сих пор. Один из таких источников, который широко обсуждается в литературе, — проблема перекрестной гибридизации. В наших исследования х [16] с использованием ДНК-микроматриц выполнен сравнительный анализ экспрессии р да генов в печени и почках свиней. Показано, что отличия в профилях генной экспрессии между клетками почек и печени свиней соответствуют межорганным функциональным и гистологическим различи м.

Суммарный сравнительный анализ различий в интенсивности экспрессии генов в печени и почках, отличав-шихс по уровню экспрессии более чем на 20000 условных единиц свечения , позволил выя вить 40 генов, экс-пресси которых была существенно выше в клетках почек, чем печени. Больше половины из них вл ютс генами, продукты которых относятся к белкам-рецепторам или транспортерам, включенным в плазматическую или митохондриальную мембраны, представл ющим сигнальную систему клетки и непосредственно участвующим в ионном обмене между внеклеточным пространством и цитоплазмой, а также между цитоплазмой и внутренним матриксом митохондрий.

Продукты 10 генов относ тс к факторам регул ции транскрипции и убиквитин-зависимого каскада, 3 гена кодируют белки рибосом и 1 ген — субъединицу динактинового комплек-

са, непосредственно участвующего в контроле цитокинеза. В общем, основные отличи в профил х генной экспрессии между клетками почек и печени оказались св занными с генами, контролирующими меж- и внутриклеточный ионный обмен, а также механизмы клеточного деления . Это хорошо согласуетс с доминирующим участием почек в поддержании ионного баланса в крови млекопитающих по сравнению с печенью, а также с известными отличи ми морфологии митохондрий в клетках печени и почек, сниженной активностью цитокинеза в печени (полиплоидизацией гепатоци-тов). Таким образом, выя вленные отличи в профил х генной экспрессии клеток почек и печени соответствуют функциональным и гистологическим особенност м этих органов.

Полученные данные нагл дно демонстрируют возможности использо-вани ДНК-микроматриц дл глубоких исследований закономерностей формирования клеточного и органного фенотипов. Такие исследова-ни позвол ют вы вл ть генетикобиохимические молекул рные основы формировани органоспецифичных

фенотипов, выявлять гены, внося -щие в их специфику определ ющий вклад и, соответственно, разрабатывать экспериментальные подходы к его контролю и управлению клеточными, органными фенотипами. Важно, по нашему мнению, также учитывать возможные источники ошибок при оценке экспрессии генов, принадлежащих к генным суперсемействам, обусловленные «перекрестной») гибридизацией одной пробы с разными кДНК транскриптов, с перекрываю-щимис последовательност ми внутри транскрипта, одного транскрипта с разными пробами [16].

Изучение изменений профилей генной экспрессии широко используетс дл вы влени генных ансамблей, транскрипци которых мен етс в ответ на различные регул торные воз-

действия, в частности, при индукции клеточного деления и прохождении различных стадий клеточного цикла, на регул торы клеточной дифферен-цировки, индукторы запрограммированной клеточной гибели. Помимо известных генов в мониторинг иногда включают и случайные клоны кДНК, что позвол ет идентифицировать новые гены, экспрессия которых ассоциирована с патологическими состо -ни ми органов и тканей. С использованием микроматриц кДНК в современный анализ могут быть одновременно включены до 10 тыс. экспрессирую-щихс генов.

Другими авторами выполнены

сравнения экспрессии 20 тыс. генов в опухоли простаты и нормальном эпителии. Выявлены 40 генов (0,2%), экспресси которых существенно отличалась от нормы, причем обнаружено, что среди этих генов присутствуют и уже известные по своему участию в канцерогенезе и в других опухолях [10]. Очевидно, что лишь немногие заболевани возникают в результате повреждения отдельных конкретных генов. В большинстве случаев приходитс говорить о предрасположенности к заболеванию в св зи с наличием в геноме конкретной мутации. Сопоставление генетической информации, получаемой при использовании микроматриц ДНК, с результатами статистического анализа возникновения, протекания и исхода заболеваний, может дать ключ к правильной интерпретации результатов генетического скрининга геномов. Возможность одновременного на-блюдени за изменением экспрессии очень большого числа генов в строго контролируемых услови х открывает новые перспективы функционального исследовани генома как единого целого. Таким образом, несмотря на большие методические трудности и дороговизну, микроматрицы ДНК на-ход т свое применение как в фундаментальных исследовани х, так и в решении прикладных задач [10].

Основные проблемы при использовании этих методов в ограничении по чувствительности обнаружения ги-бридизационных сигналов и по специфичности гибридизации, трудности в количественной оценке сигналов и обработке большого количества получаемых данных с целью их интерпретации, а также высокая стоимость микрочипов ДНК.

Создание генетических деталей (BioBricks) уже поставлено на поток. Ведущим центром по изготовлению структур из ДНК вл етс лаборатория Э. Уинфри [12]. «В каждой детали — копии одного из сегментов ДНК, которые или сами выполн ют какую-либо функцию, или могут исполь-зоватьс клеткой дл синтеза белка. Очень важно, чтобы каждая деталь была тщательно подогнана таким образом, чтобы взаимодействовать с другими на двух уровнях». Первый уровень — чисто механический. BioBricks можно создавать и хранить по отдельности до поры до времени, а потом соединять друг с другом и получать крупные сегменты ДНК. Второй уровень — функциональный, каждый элемент способен посылать и принимать биохимические сигналы от своих партнеров. Все это позвол -ет измен ть поведение конструкции, просто заменяя те или иные детали. Взаимозамен емые компоненты устройств широко примен ютс при обычном конструировании.

В наших исследовани х выполнен сравнительный анализ спектров продуктов амплификации участков геномной ДНК, фланкированных инвертированными повторами нуклеотидных последовательностей (AG)9C и (GA)9C, у представителей Bovin ae (крупный рогатый скот, зубр, бизон) и Caprin ae (породы домашней овцы, снежный баран) [15]. Получены данные о присутствии в геномах исследованных видов участков ДНК, высококонсервативных по своей длине не только в пределах видов одного подсемейства, но и между предста-

вителями Bovin ae и Caprin ae. Это свидетельствует о неслучайном позиционировании инвертированных повторов коротких динуклеотидных пуринов в геномах рассмотренных видов. Нами выполнен также сравнительный анализ полиморфизма фрагментов ДНК, фланкированных терминальными участками ретротранспозон подобных элементов семейства R173 у р да сортов риса и пшениц. Вы в-лены отличи по распределению и полиморфизму таких участков, свидетельствующие об особенност х их взаимного позиционирования [14].

Полученные данные свидетельствует о кластеризации ретротранспозон подобных элементов, причем такая кла-стеризаци более стабильна у сортов риса по гомологичным элементам по сравнению с отличающимис в геномах пшениц. Результаты выполненного анализа свидетельствуют об отсутствии равноверо тного распре-делени разных ретротранспозон подобных элементов, принадлежащих к семейству R173, по длине геномов. Полиморфные полилокусные спектры, удобные для решения ря да прикладных задач в генофондных исследованиях культурных растений, могут быть получены с использованием маркеров, основанных на оценке полиморфизма участков ДНК, свя зан-ных с кластерами разных ретротран-спозон подобных элементов. Наблюдаема кластеризаци ретротранспозон подобных элементов согласуетс с наблюдениями Лима де Фария о неслучайности чередовани гетерохроматиновых блоков по длине хромосом у ряда видов растений, позволившая ему сформулировать гипотезу о «хромосомных полях», благодаря которым нуклеотидные последовательности и скопление различных семейств повторов, включая центромерные и теломерные, непосредственно связаны с морфологией хромосом, «хромосом-

ным фенотипом».

В последние годы накоплено много данных, подтверждающих эту

гипотезу о тесной свя зи между молекул рной структурой материала наследственности и морфологией хромосом. К таким данным относят-с факты неслучайного распреде-лени ретротранспозонов по длине хромосом ЛгаЫ^рв18, а также ряда видов грибов; неслучайна локали-заци семейств ретротранспозонов в центромерных районах некоторых видов растений, в частности, кукурузы, локализация ретротранспозо-нов в теломерных районах хромосом. С представлением о взаимной детерминированности микро- и наноуровней организации генетического материала хорошо согласуютс данные об участии механизмов ретровирусной экспансии в возникновении самой линейной хромосомы эукариот, ее теломерных и центромерных структур. В связи с этим очевидно, что оценка геномных полиморфизмов должна выполняться с учетом принадлежности молекул рно-генетических маркеров к семействам различных геномных элементов, имеющих неслучайное распределение по длине хромосом, структурно-функциональную организацию, а также закономерности консервативности/полиморфизма и эволюции. Использование дл генофонд-ных исследований только определенных типов молекул рно-генетических маркеров может приводить к существенному искажению результатов генофондных сравнений при экстра-пол ции получаемых данных на геномную изменчивость. Подчеркива-етс необходимость при генофондных исследовани х учитывать принадлежность молекулярно-генетических маркеров к различным семействам геномных элементов, отличающихся своей локализацией, структурнофункциональной организацией, консервативностью/полиморфизмом и эволюцией [14].

Предполагается, что объем рынка нанотехнологий через 10~12 лет сравн етс с рынком информационных технологий, а потом и обгонит

его. Нанотехнологии признаны основной движущей силой науки и техники XXI века. К 2015 г. мировой рынок продукции нанотехнологий составит, по оценкам экспертов, триллион долларов, а потребность в специалистах — два миллиона человек. Реальная цифра может оказаться больше или меньше, но объективные тенденции свидетельствуют, что дол рынка любого назначени будет неуклонно возрастать. Важно отметить ещё одну особенность, связанную с развитием нанонауки, — её междисциплинарность. Здесь тесно переплетаются интересы, подходы и методы исследований физики, химии, биологии и материаловедения . Успешное развитие различных направлений нанонауки в услови х подобной многоплановости предполагает организацию сотрудничества учёных разных специальностей в рамках единой общей задачи или программы. Междисциплинарность нанонауки требует изменени и совершенствовани обу-чени и подготовки специалистов дл работы в новом направлении, которое будет определ ть развитие естествознания в XXI веке. Примером служит созданая база данных о 160 проектах использовани нанотехнологий в сельском хозяйстве, под эгидой организации ФАО, которых она финансировала и разрабатывала [13]. Большинство из них св зано с пищевой промышленностью, с использованием наноматериалов дл упаковки пищи или определения и, в отдельных слу-ча х, нейтрализации опасных токсинов, аллергенов или патогенов. Раз-виваютс проекты по созданию и улучшению пищевых добавок. Например, получение растительного масла с нанодобавками, которые вызывают кластеризацию жирных кислот и препятствуют поступлению холестерина в кровь млекопитающих. Или добавки, которые делают шоколад более мелкодисперсным. Друга группа про-

ектов направлена на развитие более эффективных и средосберегающих агротехнологий. Например, использование наноматериалов дл очистки воды в агроэкосистемах. Или их применение дл конвертировани отходов растениеводства в этанол. Проводитс разработка проектов с использованием наноматериалов для более точной и безопасной доставки пестицидов и удобрений к биологическим мишен м. В животноводстве разрабатывают методы использовани нанодобавок в цел х уменьшени доз ростовых факторов и гормонов, нейтрализации патогенов на ранних стади х их контакта с животными.

В этих проектах испольуетс р д следующих технологий. Транспортные процессы — наноматериалы как агенты транспорта химических соединений, молекул и т.д. Биоселектирующие поверхности — наноматериалы с увеличенной или сниженной способностью св зыватьс со специфическими молекулами или организмами. Биоразделение — наноматериалы или нанопроцессы, которые способствуют разделению молекул, биомолекул, или организмов. Микропотоки — потоки в наношкале, которые используются для разделения, контроля или анализа состава, состояния свойств исследуемых объектов. Микроэлек-тромеханические системы вход т в эту категорию. Они позвол ют исследовать каналы и поверхности, потоки вещества через них. Нанобиопроцессинг — использование нанотехнологий или биотехнологических процессов для создания веществ с желательными свойствами. Биоинженерия нуклеиновых кислот — использование ДНК как блоков дл формировани наночастиц или использовани наночастиц для генной инженерии. Адресовка веществ — использование наноматериалов дл доставки веществ к клеткам-мишеням у животных. Моделирование — использование нанотехнологий

дл построени моделей наноматериалов и их применения в сложных системах.

По направлению исследований выдел ютс следующие проекты:

• Биосенсоры — использование

нанотехнологий дл контрол биологических процессов или биомолекул, или дл определени биомолекул,

биохимических процессов, или организмов.

• Защита окружающей среды («зеленая») инженерия ) — использование нанотехнологий дл изучени состоя ния окружающей среды, удаления загрязнителей, ремедиации или уменьшения отходов. Включает также изучение средовых эффектов наноматериалов.

• Устойчивое сельское хозяйство — использование нанотехнологий дл уменьшени его разрушающего действия на окружающую среду, питьевую воду (например, пестициды) дл получени конечной продукции менее энергоемким путем.

• Определение патогенов — использование нанотехнологий дл

определения патогенов в окружающей среде, в организмах животных, растений, кормах, конечной с.-х. продукции.

• Растениеводство/животноводство — использование нанотехнологий дл улучшени воспроизводства и селекционной работы с культурными растениями и животными, включая методы трансгеноза или клонирова-ни ; дл повышени устойчивости растений к сорн кам и вредител м, гербицидам и инсектицидам, температурам, засухе и другим неблагоприятным факторам окружающей среды, а также для использования растений в целях получения биотоплива (рапс, кукуруза, подсолнечник, сахарный тростник).

• Низкотемпературна досушка с обеззараживанием зерна и плодов.

• Ветеринарна медицина — использование нанотехнологий дл

улучшения здоровья животных, без-

опасности пищевой животноводческой продукции, формирования микроклимата, озонирования.

• Пищевые биопереработки — использование нанотехнологий дл по-вышени питательной ценности, улучшения технологий переработки пищи и улучшения ее качества, обе-спечени потребностей диетического питания, а также для методов ультрафильтрации, позволяющих управлять цветом, ароматом и другими свойствами конечной продукции.

• Нано-биопромышленные продукты — использование нанотехнологий для получения продуктов, необходимых для промышленности (например, энергоисточники) из с.-х. видов, их продуктов или отходов их разведе-ни .

• Сельскохозяйственная техника — нанопорошковые материалы, повышающие ресурсы машин (увеличение стойкости к температуре, влаге, износу и т.д.); упрочнение режущих элементов; нанодобавки к шинам, маслам; уменьшение вредных выбросов.

• Наноэлектробиотехники — использование наночастиц дл модификации биологических и физиологических процессов на уровне клетки за счет воздействия электронов, протонов, ионов, фотонов; оптическое излучение (УФ) на с.-х. объекты.

• Наномембраны и пленки — светотрансформирующие пленки, мембраны для очистки воздуха, воды, опреснени морской воды; пленки с наночастицами серебра дл бактерицидных фильтров, в т.ч. для молочной промышленности, а также как элемент упаковочного материала; использование силатранов, кремнийор-ганических биостимул торов — биологически активных соединений, созданных на основе кремни ; разработка самоочищающихс кремниевых мембран.

Из анализа работ я сно, что фундаментальные исследования должны быть направлены на решение опреде-

лённых практических задач. Одновременно совершенно я сно и другое: конкретные прикладные применени невозможны без серьёзных и глубоких, чисто научных исследований. Возникновение и развитие нанонауки требование времени и отвечает современному развитию естествознани .

Объём современных ежегодных инвестиций в реализацию Третьей Научно-технической революции можно оценить в 20~50 млрд долл. Ожидается , что именно реализация ее достижений и будет лежать в осно-

ве устойчивого развития, деклари-ровавшегос на Всемирной встречи на высшем уровне, проведённой под эгидой ООН в Иоганнесбурге (ЮАР) 26 августа - 4 сентя бря 2002 г. При-н та на этом саммите Деклараци глав государств заканчиваетс словами: «Мы торжественно обя зуемся перед народами мира и перед поколения ми, которые неизбежно унаследуют нашу Землю, решительно действовать для обеспечения того, чтобы наша общая надежда на устойчивое развитие сбылась») [7].

Библиографический список

1. Глазко В.И., Глазко Г.В. Введение в генетику, биоинформатика, ДНК-технология, генная терапия, ДНК-экология, протеомика, метаболика. Киев: КВИЦ, 2003.

2. Глазко В.И., Белопухов С.Л. Нанотехнологии и наноматериалы в сельском хозяйстве. Под ред. В.М. Баутина. М.: Издательство РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева. М., 2008.

3. Глазко Т.Т., Глазко В.И. Перспективы и ограничения использования нанотехнологий в геномных исследованиях / Материалы международной конференции «Нанобиотехнологии в сельском хозяйстве», М: ФГОУ ВПО РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева, 2008. С. 17-19.

4. Глазко В.И., Цветков И.Л., Созинова Л.Ф., Глазко Т.Т. Молекулярно-генетические маркеры полиморфизма ДНК и их геномное позиционирование // Докл. РАСХН, 2009. №3. С. 3-6.

5. Глазко В.И. Геномное распределение ISSR-маркеров (AG)9C и (GA)9C у видов Bovin ae и Caprin ae / Сельскохозяйственная биология, 2009. № 4. С. 31-35.

6. Мирзабеков А.Д. Биочипы в биологии и медицине XXI века// Вестник российской академии наук, 2003. Т. 73. № 5. С. 412-422.

7. Путилов А.В. О развитии работ в России в области наноматериалов и нанотехнологий. Журнал «Микросистемная техника», http://www.microsystems.ru/ files/publ/607.htm

8. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир,1977.. http://e-drexler.com/

9. Drexler K.Er. Engines of creation. The Coming Era of Nanotechnology, pp.299, Anchor Books Double-day, New York, 1986., русский перевод см. http://mikeai. nm.ru/russian/eoc/eoc.html

10. Crucial physical and information al technologies, http://e-drexler.com

11. Glazko T.T., N.S. Khlopova, Fahrenkrug S. Gene expression profiles in liver and kidney of pig // Izvestia of Timiryazev-academy. Moscow, 2009. Special Issue. P. 55-60.

12. Kuzma J., VerHage P. Nanotechnology in agriculture and food production: antici pated applications — Project on Emerging Nanotechnologies suported by THE PEW CHARITABLE TRUSTS — Washington, One Woodrow Wilson Plaza, 2006. 44 p., web-address www.wilsoncenter.org/n ano; www.nanotechproject.org.

13. Redon R.,Ishikawa S., Fitch K. et al. Global variation in copy number in the human genome//Nature, 2006. Vol 444, N. 05329. P. 444-454.

14. Roco M.C. Government Nanotechnology Funding: An International Outlook, http://www.n ano.gov/html/res/IntlFundingRoco.htm

15. Zhirnov V.V., Kavin R.K., Hutchby J.A., Bourianoff G.I. Limits to Binary Logic Switch Scaling-A Gedanken Model. Proc. of the IEEE, vol.91, No.11, Nov.2003, pp. 1934-1939.

16. http://www.un.org/russian/conferen/wssd/docs/decl_wssd.pdf

17. http://www.dna.caltech.edu/

Рецензент — к. c.-x. н. M.C. Pacкин

SUMMARY

Review of modern directions in n anobiotechnology development was presented. Special consideration is given to the contribution of n anobiotecnologies in genomics formation. Methods and results of researches in structural and function al genomics have been an alyzed. On the basis of both own and literary data the links between micro- and n anolevels in the organization and function al activity of genetic materials on the example of some species were discussed.

Key words: nanobiotechnologies, nanochips, DNA microarrays, structural and function al genomics.

Глазко Валерий Иванович— д. с.-х. н., РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева. Эл. почта: vglazko@yahoo.com

Минина Татья на Михайловна — Центр нанобиотехнологий РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева.

Глазко Татья на Теодоровна — д. с.-х. н., РГАУ - МСХА имени К.А. Тимиря -зева. Тел. 976-34-34.