Біотехнології і наномедицина

1. Біотехнології і наномедицина Ярослава Кос

2. “Різниця між поняттями «машина» і “живий організм” криється у «штучному» і «природному», відповідно, походженні. Нанотехнології показали можливість створення штучних аналогів живих систем, керування природними процесами і створення на основі живих об’єктів синтетичних механізмів. Тому різниця між цими двома поняттями не така вже й очевидна». Лідія Соколовська

3. Біотехнологія – це сукупність методів для надання біологічним об’єктам певних властивостей з метою їх використання в різних галузях промисловості. Основне завданння біотехнології - отримання біооб’єктів із цінними властивостями. Біотехнологія працює з біомолекулами (ДНК, білки ), мікроорганізмами (бактерія- ми, мікроскопічними грибами, дріжджами, спорами, віру- сами ), клітинами і тканинами рослин і тварин. Все це можна розглядати як наноструктури, тому часто біотехнологію розглядають як підрозділ нанотехнології.

4. Наномедицина • Лабораторії на чипі; • Доставка ліків за адресою до ушкоджених клітин; • Нові бактерицидні та противірусні засоби; • Діагностика захворювань за допомогою квантових точок • Нанороботи для ремонту ушкоджених клітин • Нейроелектронні інтерфейси…

5. Лабораторія на чипі (lab-on chip) МЕМS/NEMSтехнології Крихітка-лабораторія: Affymetrix (“GeneChip”) Agilent (“LabChip”) • Розмір чипа - 4х4 см • Одночасний аналіз до 12 зразків • Час аналізу- 15-30 хв HANAA (“CombiMatrix”) • ПЛР-аналіз • Імуноферментний аналіз • Аналіз ДНК/РНК • Встановлення батьківства • Визначення ГМО • Рання діагностика онкологічних захворювань • Вивчення ефективності трансфекції клітин • Кількісне визначення білків • Визначення рівня експресії генів Та багато іншого!

6. Нанотехнології проти вірусів і бактерій • Препарати на основі наночастинок для ефективного загоювання ран; • Антисептичні вуглецеві фільтри з наночастинками; • Бактерицидні барвники для профілактики захворювань, що передаються повітряно-крапельним шляхом; • Одяг і білизна, що самодезинфікуються; • Знезаражуючі аерозолі.

7. З нанотрубкою - на бактерію Нанокаталізатор створює вуглецеві трубки і змушує їх збиратися в структуру “ковра” Нанотрубка проколює бактерійну мембрану Фото "ковра" із нанотрубок • як біологічний детектор • як бактерицидна поверхня

8. Фармакологічна “пошта”.Доставка ліків за адресою “пошкоджена клітина” Біологічна засвоюваність – здатність молекул речовин потрапляти в тіло пацієнта туди, де вони необхідні Зростання дози - зростання токсичності

9. Мембрани з нанопорами Діаметр нанопористих мікрочастинок- 1.5 мкм – захист інкапсульованих речовин від імунної атаки Створення мікрокапсул при доставці ліків клітині

10. Ліпосоми Інструмент мембранної інженерії Ліпосома (гр. lipos – жир и soma – тіло) – сферичний міхурець із фосфоліпідів, куди можна помістити різноманітні БАР – вітаміни, антибіотики, білкові екстракти тощо. • універсальність • антиалергенність • цілеспрямованість • Інтактність

11. Рак • Операція • Променева терапія • хіміотерапія Лікарські препарати діють не вибірково - як на хворі, так і на здорові клітини Проблема біозасвоюваності препаратів - перемога не вмінням, а числом Від подібних «бомбардувань» виникає багато побічних ефектів

12. “Транспортний засіб” для точної доставки ліків у клітину Соболев, 80-і рр Конструкція транспортера: • Ліганд – модуль, що знаходить хвору клітину ; її «молекулярне впізнавання» та поглинання всієї конструкції клітиною 2. Ендосомолітичний модуль – розриває ендосому, що утворилася при потраплянні транспортера в клітину (дифтерійний токсин) 3. Модуль, що забезпечує проникнення транспортера через пори ядерної мембрани (вірус приматів) 4. Модуль-носій діючої речовини (гемоглобіноподібний білок) Знищення ядра Змінюючи програму модулів можна отримати макромолекули-транспортери для лікування будь-якого типу раку.

13. Акустичні бомби Створення антиракових наносистем безпосередньо в пухлинній тканині • Введення наночастинок в тканину • Збірка агрегатів у клітинних структурах • чутливість до ультразвуку • селективне нагрівання і кіллінг ракових клітин Терофтал (FeO)– дія 10 хв - 80% пухлини гине протягом тижня

14. Нанобіотики Гарвард,2008 Можливість дистанційного керування введеними в організм магнітними наночастинками (наномагнетиками), що здатні "включати" і "виключати" різноманітні біохімічні процеси всередині клітин. • Діаметр частинок - 30 нм • Кожна частинка містить 5-нм металічне ядро, покрите молекулами білка, специфічного до рецепторів клітини- мішені. • Керовані зовнішнім магнітним полем (парамагнетики). • Можуть індукувати відкривання Ca²+каналів – генерація нервового імпульсу Керування нервовими сигналами ззовні

15. Квантові точки як люмінесцентні маркери • Як переміщуються в організмі різноманітні речовини? Органічні барвники: - токсичні - ідентифікуються лише при певній довжині хвилі Квантові точки («штучні атоми») – це напівпровідникові флуоресцентні кристали нанометрового розміру з унікальними хімічними і фізичними властивостями, що не характерні для тих самих речовин в макромасштабі. Біоінертне покриття для діагностики захворювання : - захищає квантові точки від «нападу» ферментів - не дає токсичним речовинам потрапити в організм - різні групи наноміток можна освітлювати одним джерелом

16. Квантові точки можна приєднати до біомолекул- білків, пептидів, антитіл, ДНК. Можна сконструювати сотні різновидів квантових точок, що сполучаються в організмі з різноманітними біомолекулами чи антигенами, і таким чином знаходити ділянки зі специфічним поєднанням ознак захворювання. Розчини квантових точок

17. Наносистеми та біотехнології: імітуючи природу Біоміметика - біо-життя, “подібне до життя” Живі організми здійснюють нанотехнологічні операції протягом 4.5 мільярдів років. Клітина використовує ДНК, РНК і величезну кількість білків для побудови клітинних структур нанометрових розмірів

18. Конструкції з білків • Деякі білки можуть формувати регулярні структури – кристалічні ґратки для наномашин і наноектронних пристроїв; • Створення біосенсорів на основі мономолекулярних S- шарів бактерій при їх реорганізації на синтетичних носіях. Реконструкція рельєфу кристалізованого білка Bacillus sphaericus CCM2177 скануючим електронним мікроскопом. Відстань між центрами ґратки – 13.1 нм

19. Збірка квантових точок з використанням гібридних білків Проблема фолдингу долається шляхом створення “бібліотеки” вірусів, що синтезують білки - «липучки» для Золота, Срібла, оксиду Цинку, арсеніду Галію та ін. Фрагменти ДНК, що кодують різноманітні білки, вбудовують в ДНК бактеріофага, який синтезує ці білки на своїй поверхні. Вірус розмножується, утворюючи довгі нитки, покриті металом. Їх можна використовувати в наноелектроніці і наносистемах.

20. ДНК- конструкти Недріан Сімен, Ньюйоркський університет ДНК-роботи з наноманіпуляторами зможуть маніпулювати окремими молекулами і атомами Приєднання «причепа» до робота дозволить переносити різноманітні речовини (наприклад атоми заліза)

21. РНК-наномашини Побудова із молекул РНК матриць, що самоорганізуються • Висока біосумісність молекул РНК із організмом • Можливість інтеграції РНК-моторів із біосенсорами, нанотрубками та ін. наноструктурами Робота вірального мотору бактеріофага phi29 – аналог двигуна внутрішнього згорання

22. “Приручення” бактеріофага Використання таланту вірусів доставки власної ДНК в клітину як інструмент генотерапії Можливість лікувати окремі клітини

23. Нанотехнологии и бессмертие «Природа зіграла з людиною злий жарт, наділяючи її розумом, та обділяючи безсмертям». Нанотехнології і безсмертя

24. Нанороботи “А чому б не замінити кров людини 500 трильйонами роботів?” “Roboblood” (2002, Кріс Фенікс, Роберт Фрайтас) 500 трильйонів мікроскопічних нанороботів вагою близько 2 кг споживають 30200 Ватт енергії

25. Нанороботи утворюють кровоносну систему і функціонують в ній • Зроблені із алмазоїду чи іншого біосумісного матеріалу • Біологічне живлення отримують із глюкози і кисню • Боротьба із хвороботворними мікроорганізмами ; • регулярне «прибирання» і укріплення судин – попередження атеросклерозу, варикозного розширення вен та ін. хворіб; • автоматичне лікування пошкоджених клітин; • заміна «хворих» генів «здоровими».

26. Васкулоїд - комплекс медичних нанороботів, що здатні жити і функціонувати в людському організмі, виконуючи функції крові – циркуляцію дихальних газів, глюкози, гормонів, відходів, клітинних компонентів • клотоцити – зупиняють кровотечу за 1 секунду, коли для звичайного тромбогенезу необхідно 5-17 хв • респіроцити – штучні аналоги еритроцитів, здатні накопичувати більше кисню при менших розмірах та енергозатратах • мікрофагоцити – штучні імунні клітини • комуноцити - здійснюють зв’язок нанороботів між собою, навігатори

27. Нейроелектронні інтерфейси Рей Курцвейл- «Щоб досягнуи безсмертя, треба перенести свідомість із мозку людини в програмно-апаратний комплекс» Чим більше знань – тим більше зв’язків Всі наші знання і вміння – шаблони міжнейронних зв’язків і концентрації нейротрансміттерів • Нейрони – громіздкі прилади, працюють в 10 млн. разів повільніше електроніки. • Діють з частотою 200 Герц, • Сигнали поширюють зі швидкістю до 150 м/с. 10 млрд нейронів - 1015 байт інформації

28. Сканування мозку зсередини нанороботами крові – отримання інформації про стан кожного нейрону • Скануючі електроди на основі нанотрубок Нейроелектронні інтерфейси – прилади, здатні сполучати комп’ютери з нервовою системою Max Planck Institute , 1999 – помістили нейрон щура діаметром 20 мкм на матрицю транзисторів, покритих діоксидом кремнію. Нейрон жив в розчині електроліту на поверхні чіпа 3 дні і обмінювався інформацією з транзистором.

29. Прикладки сучасного застосування нанотехнологій в медицині : • Наноструктуровані матеріали – поверхні з нанорельєфом, мембрани з нанопорами; • Наночастинки (в т. ч., фулерени і дендримери); • Мікро- і нанокапсули; • Нанотехнологічні сенсори і аналізатори; • Медичне застосування скануючих зондових мікроскопів; • Наноінструменти і наноманіпулятори; • Мікро- і нанопристрої різного ступеня автономності. Дендример

30. Дякую!