Научная статья на тему 'Роль нанобиотехнологии в инновационном развитии ветеринарной медицины'

Роль нанобиотехнологии в инновационном развитии ветеринарной медицины Текст научной статьи по специальности «Биотехнология»

1758
270
Поделиться
Ключевые слова
Биотехнология / ветеринарная медицина / Нанотехнология

Аннотация научной статьи по биотехнологии, автор научной работы — Алимов А. М.

Представлены этапы развития биои нанотехнологии. Приведены основные задачи ветеринарной медицины, решаемые методами биои нанотехнологии.

Development stages bioand nanotechnologies are presented. The primary goals of veterinary medicine solved by methods of biotechnology are resulted.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Роль нанобиотехнологии в инновационном развитии ветеринарной медицины»

УДК 573.086.83:619-9.616-07

РОЛЬ НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ В ИННОВАЦИОННОМ РАЗВИТИИ

ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

А.М. АЛИМОВ

ФГОУ ВПО «Казанская государственная академия ветеринарной медицины

имени Н.Э. Баумана»

Представлены этапы развития био- и нанотехнологии. Приведены основные задачи ветеринарной медицины, решаемые методами био- и нанотехнологии.

Ключевые слова: биотехнология, ветеринарная медицина, нанотехнология.

На современном этапе задачи ветеринарной медицины по обеспечению сохранности здоровья людей, благополучия территории страны и регионов, получению безопасной и высококачественной продукции животноводства и сырья животного происхождения весьма усложнились. Это, в первую очередь, связано с многоукладностью экономики, интенсивным перемещением людей, животных, продукции и сырья не только внутри страны, но и между государствами и даже континентами.

В связи с этим от ветеринарной службы требуется принятие оперативных и быстрых решений, которые должны базироваться на экспресс методах анализа качества безопасности продукции сельского хозяйства, оценки здоровья животных. Для решения этих задач требуются экспресс методы анализа, отличающиеся высокой точностью и специфичностью. В связи с этим дальнейшее развитие ветеринарной медицины безусловно потребует широкого использования современных достижений нанобиотехнологии.

Впервые термин «биотехнология» был использован венгерским экономистом К. Эре-ки в 1919 году, но окончательно закрепился в научной терминологии в 70-е годы в связи с началом развития генетической и клеточной инженерии. Однако отдельные элементы биотехнологии применялись человеком давно (хлебопечение, виноделие, пивоварение).

В связи с наступлением эры антибиотиков в 1940-50 годы биотехнология получила бурное развитие. Производство антибиотиков оказалось весьма наукоемкой отраслью, которая потребовала интеграции усилий специалистов разного профиля (биохимиков, микробиологов, генетиков, инженеров, медиков) и использования технологических достижений в области микробиологии.

Благодаря использованию антибиотиков в лечении многих инфекционных болезней

были достигнуты большие успехи. Однако за последние годы появились и ряд проблем, связанных с аллергизацией организма и антибиотикорезистентностью микроорганизмов. Анти-биотикорезистентность стала мировой проблемой. В Европейских странах ежегодно заболевают около 400000 человек бактериальными инфекциями, вызываемыми устойчивыми к антибиотикам микроорганизмами. Количество стран с очагами резистентности микробов к антибиотикам растет из года в год. К числу таких стран относятся США, страны Евросоюза, Африки, Латинской Америки и Россия. Эта проблема стоит и перед ветеринарной медициной не только в плане лечения животных, но и по предупреждению попадания антибиотиков с продукцией животноводства в организм человека.

В 60-е годы прошлого века дальнейшее развитие биотехнологии было связано с производством кормовых дрожжей, белка одноклеточных организмов, незаменимых аминокислот и белково-витаминных концентратов для использования в животноводстве.

Появление новой отрасли - генетической инженерии - способствовало существенному изменению микробной биотехнологии. В частности, значительно повысилась продуктивность промышленных микроорганизмов - продуцентов аминокислот, ферментов, антибиотиков, благодаря введению дополнительных генов, увеличения их активности и количества, а также изменения питательных потребностей микроорганизмов. Генетическая инженерия позволила получить штаммы микроорганизмов, способных синтезировать несвойственные им вещества, а также изменить сущность селекции микроорганизмов-продуцентов, так как появилась возможность введения новых генов для получения целевого продукта.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рассматривая историю развития микробной биотехнологии выделяют два периода: эра дорекомбинантной ДНК до 1981 года и с 1982 года - эра пострекомбинантной ДНК, т.е. генетической инженерии.

В процессе создания полупроводниковых материалов, интегральных схем и компьютеров произошло переосмысление процессов живой природы. В связи с этим чаще вместо термина «нанотехнология» стали использовать термин «нанобиотехнология», который объединяет в себе достижения нанотехнологий и молекулярной биологии.

Нанобиотехнология - сфера науки и производства, занимающаяся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровнях.

Наиболее высокие достижения нанобиотехнологии связаны с расшифровкой генотипов различных организмов, в том числе и человека, свиней и трансгенной инженерией (изменение генетических свойств путем замены или дополнительного введения отдельных типов в молекуле ДНК), использованием органических молекул в микрочипах для электроники.

Слово «нанотехнология» произошло от единицы измерения - нанометр, составляющей 1/1000 микрометра (микрона), что является приблизительным размером молекулы. В частности

А.Энштейн (1905) доказал, что размер молекулы сахарозы составляет примерно 1 нанометр.

Развитие нанотехнологий связано не только с умением оперировать отдельными атомами и молекулами, но и с изменением самих подходов в организации науки.

Есть различные определения термина «нанотехнология». В настоящее время нанотехнология означает совокупность приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1-100 нм), для получения объектов с новыми химическими, физическими и биологическими свойствами.

В последние годы много внимания уделяется нанотехнологиям и возможностям их применения в различных отраслях человеческой деятельности. К практическим аспектам применения нанобиотехнологии относятся: ускорение и повышение точности диагностики заболеваний; создание наноструктур для доставки функциональных молекул в клетки-мишени; повышение экологизации производственных процессов, разработка новых материалов.

Нанобиотехнология позволила создать технику быстрого секвенирования ДНК с помощью нанопор, что дает возможность ускорения появления геномной медицины, направленной на лечение генетических болезней отдельного человека, исходя из дефектов в его ДНК.

Созданы «биочипы», позволяющие идентифицировать присутствие в пище следовых количеств мяса от 12 видов млекопитающих, 5 видов домашней птицы и 16 видов рыб, а также выявлять мононуклеотидный полиморфизм по 20 тысячам сайтов в различных участках геномов молочных и мясных пород крупного рогатого скота. В институте молекулярной биологии РАН разработана, запатентована и внедряется в медицинскую диагностику нанотехнология биочипов, позволяющая проводить оперативный анализ ряда инфекционных, онкологических и сердечно-сосудистых и наследственных заболеваний. Данная технология позволяет быстро и в ультрамалых количествах определять «чувствительность микобактерий туберкулеза к лекарственным средствам, вирусов лейкоза, оспы, гепатитов, птичьего гриппа, возбудителя сибирской язвы и др.

Современные разработки направлены на выявление диагностически значимых маркеров с использованием постгеномных технологий, так и на разработку способов специфической сорбции маркеров в наноустройствах для тестирования образцов биопрепаратов людей и животных, кормов и продукции животного происхождения (мяса, колбасных изделий, молока и молочных продуктов).

На нанобиотехнологию возлагают большие надежды в борьбе со злокачественными опухолями. В настоящее время уже созданы наносистемы для селективного разрушения опу-

холи без повреждения здоровых тканей, разрабатываются диагностические инструменты на основе микроскопических датчиков; созданы «биочипы», биосенсоры.

Важным «инструментом» для доставки лекарственных средств в клетки или ткани-мишени являются липосомы, представляющие сферическое тело, построенное из фосфолипидов на подобие клеточных оболочек.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В ветеринарной медицине методами нанобиотехнологии решаются ряд задач, главными из которых являются:

- разработка высоко эффективных и экспресс-методов диагностики инфекционных и инвазионных болезней животных;

- индикация и идентификация возбудителей;

- создание средств защиты (вакцин), обладающих высокой иммуногенностью и низкой реактогенностью;

- разработка и применение ДНК-технологий в селекции животных;

- конструирование новых лекарственных средств и их доставка к мишеням в организме больного животного;

- создание средств, повышающих резистентность животных - (пробиотики, интерфе-роны, интерлейкины, иммуномодуляторы);

- производство биологически активных веществ (аминокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов, гормонов) для стимуляции роста и повышения продуктивности животных;

- увеличение кормовых ресурсов путем производства кормового белка, белкововитаминных концентратов, незаменимых аминокислот с использованием отходов сельскохозяйственного производства;

- создание биологических средств защиты животных и растений;

- дополнение новыми источниками дефицита кормового белка продовольственных ресурсов;

- улучшение охраны окружающей среды с использованием микроорганизмов;

- решение энергетических проблем путем конверсии биомассы растений и отходов животноводства в биогаз и биотопливо;

- защита окружающей среды.

Вместе с тем существуют объективные трудности широкого распространения использования нанотехнологий, особенно в фармацевтических и медицинских аспектах. Нет единого общественного мнения об использовании генетически модифицированных продуктов, несмотря на значительные успехи и безопасные результаты использования инсулина, гормонов роста человека и вакцины от гепатита В, ящура, полученных геннорекомбинантной технологией. Это связано, с одной стороны, с недостаточной информированностью населения, а с

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

другой - поспешностью внедрения отдельных достижений без должного обоснования и установления отдаленных последствий.

Установлено, что шарообразные молекулы С60, называемые фуллеренами, могут вызывать серьезные заболевания и вредить окружающей среде. По данным В. Колвин и др. при растворении в воде фуллерены образуют коллоиды С60, которые при воздействии на клетки кожи человека и клетки карциномы печени вызывают их гибель.

Ряд ведущих ученых мира считает, что исследования в области нанотехнологий, рекомбинантных ДНК-технологий и некоторых других областях должны находиться под строгим контролем, чтобы не навредить человечеству.

Ставится задача о необходимости лицензирования и регулирования широкого спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства, аппаратура, ветеринарные препараты), изготавливаемых с помощью нанобиотехнологии или использованием наноматериалов, наноструктур и генномодифицированных объектов.

В заключение следует отметить, что в настоящее время достигнуты значительные успехи в использовании достижений биотехнологии в медицине и биологии. Созданы «бионаночипы» с использованием биомакромолекул (ДНК, РНК, олигонуклеотиды, белки, пекти-ды), которые обеспечивают экспресс диагностику болезней, индикацию возбудителей инфекций, расшифровку геномов животных и растений, изменение генетических свойств путем замены отдельных чипов и нуклеотидов в молекуле ДНК, генную терапию, а также оценку и селекцию животных с использованием ДНК технологий.

THE ROLE OF NANOBIOTECHNOLOGY FOR INNOVATIVE DEVELOPMENT

OF ANIMAL MEDICINE

AM. ALIMOV

The Kazan' State Academy of Animal Medicine named by N.E. Bauman

Development stages bio- and nanotechnologies are presented. The primary goals of veterinary medicine solved by methods of biotechnology are resulted.

Key words: biotechnology, animal medicine, nanotechnology.