Нанобиотехнологии

Нанобиотехнологии –целенаправленное использование биологических макромолекул и органелл для конструирования наноматериалов и наноустройств.

Развитие и становление современной, основанной на знаниях о строении и функциях ДНК, биотехнологии приходится на вторую половину ХХ века. Биотехнология работает с биомолекулами (ДНК, белки и т. д.), микроорганизмами (бактериями, микроскопическими грибами, дрожжами, спорами, вирусами и т. д.), клетками и тканями растений и животных. Все это можно рассматривать как наноструктуры, поэтому часто биотехнологию считают одним из разделов нанотехнологии.

Биотехнология – это совокупность методов для придания биологическим объектам заданных свойств с целью их использования в разных отраслях производства.

Многие биотехнологические производства человечество освоило задолго до того, как были открыты не только основные законы биологии, но и существование самих микроорганизмов. К ним относятся, например, производства хлеба, вина, пива, уксуса, кефира, сыра и т. п. Где только ни применяются достижения современной нанобиотехнологии:

В пищевой, фармацевтической, химической, нефтяной промышленности микробы производят многие продукты, пищевые добавки и комбикорма, синтезируют и очищают сложные химические вещества, контролируют состав растворов.

В экологии микроскопические работники очищают сточные воды, разлагают отходы и мусор, поглощают вредные вещества.

В энергетике бактерии вырабатывают горючие газы и ликвидируют последствия нефтяных загрязнений, а полученный с помощью дрожжей или микробных ферментов спирт добавляют в бензин. Микробы занимаются фотосинтезом, восстанавливают топливные ячейки, а недавно ученые сделали из бактерии “живую” нанобатарейку.

В сельском хозяйстве используются трансгенные (генетически измененные) растения и животные, биологические средства защиты растений, бактериальные удобрения, фитогормоны, стимулирующие рост растений. Не за горами использование в животноводстве клонированных и даже генетически модифицированных животных.

В электронике биологические объекты уже служат деталями микросхем и датчиков, а в будущем возможно создание полностью живых компьютеров. Изучение молекулярной природы нейронов сделало возможным соединение живых нервов с микрочипами, а удивительное вещество бактериородопсин управляет лучами света.

В машиностроении биомолекулы и микроорганизмы уже сегодня составляют основу примитивных наномашин, синтезирующих по заданной программе сложные полимеры и свои копии. Живые мышцы приводят в движение микророботов, а молекулы ДНК собирают наночастицы в трехмерные структуры.

В основе биотехнологии лежат процессы, протекающие в клетке. Известно, что первыми живыми обитателями Земли были так называемые прокариотные клетки, которые и сформировали ту среду, в которой появились все другие организмы. Около двух с половиной миллиардов лет они были единственными живыми существами на планете, и только 1 млрд. лет назад, когда произошла «неопротерозойская революция», на Земле появились и стали распространяться эукариоты.

Наследственная информация всех известных науке существ записана в молекулах ДНК, входящих в состав хромосом. Принято делить организмы на две группы по наличию у них ядра, отделяющего хромосомы от цитоплазмы клетки.

Прокариоты (от лат. «pro» – до + греч. «karyon» – ядро) – это безъядерные организмы, к которым относятся бактерии и цианобактерии (сине_зеленые водоросли). В отличие от них, эукариоты (от греч. «eu» – полностью + «karyon» – ядро) имеют четко оформленное ядро с оболочкой, отделяющей его от цитоплазмы. К ним относятся грибы, растения и животные.

Типичный прокариот включает следующие основные подсистемы (рис. 10):

- геном (инструкция по сборке РНК и белков);

- механизм репликации ДНК (производство ее новых копий);

- рибосомы (синтез белка);

- цитозоль (управление обменом веществ);

- мембрана.

Рис. 10. Основные подсистемы прокариотной клетки

Мембрана содержит механизмы переноса веществ: субстратов – внутрь клетки, а продуктов ее жизнедеятельности – наружу. Поступающие из внешней среды субстраты (химические соединения органического и неорганического происхождения) в результате электрохимических преобразований расходуются на синтез необходимых клетке соединений, в т. ч. АТФ (аденозинтрифосфат)– универсального переносчика энергии. У фотосинтезирующих организмов мембраны обеспечивают накопление разницы электрических потенциалов, возникающих под действием света при участии молекул хлорофилла.

Одна из главных подсистем клетки – цитозоль – представляет собой внутреннюю полужидкую среду клетки. Это своеобразный «котел» всех метаболических превращений. Механизмы обмена веществ в клетке направлены на ее рост и развитие. Для этого необходимы энергия и строительные блоки (аминокислоты) для производства белков. И то, и другое получается в результате переработки поступающих извне веществ. Энергия

образуется в результате расщепления сложных веществ – катаболизма, а строительные блоки – в результате синтеза, анаболизма. Катаболизм и анаболизм представляют собой две основные части метаболизма – обмена веществ.

Наследственная информация закодирована в парах нуклеотидов на двойной спирали ДНК. Ген – это участок ДНК, кодирующий свойства определенного белка или молекулы РНК и соответствующий какому-либо признаку организма. А полный набор генов называется геномом.

Геном бактерий включает несколько тысяч генов, расположенных линейно на макромолекуле ДНК, называемой хромосомой. В отличие от эукариотных клеток, имеющих большое число незамкнутых хромосом, клетки прокариот содержат всего одну кольцевую хромосому.

Прокариоты размножаются бесполым путем, посредством деления клеток после репликации ДНК. Репликация представляет собой процесс, когда ДНК дочерних клеток получаются из одной нити материнской и одной нити вновь синтезированной ДНК.

Джеймс Уотсон и Френсис Крик, открывшие в 1953 году структуру ДНК, доказали, что ее молекула состоит из тысяч соединенных между собой маленьких молекул четырех

нуклеотидов, или оснований: гуанина (G), цитозина (С), тимина (T) и аденина (A). Пары нуклеотидов связаны между собой водородными связями, причем таким образом, что аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином (рис. 11).

Рис. 11. Схема соединений нуклеотидов в молекуле ДНК

Именно таким, комплементарным, образом соединяются между собой две нити спирали ДНК: напротив тимина из одной нити всегда будет находиться аденин из другой и ничто иное.

Такое расположение позволило объяснить механизмы репликации ДНК (рис. 12): двойная спираль расплетается c образованием двух репликативных вилок, на каждой из которых начинается встречный синтез второй нити. В этом процессе принимает участие специальный белок – ДНК полимераза, который, проходя вдоль нити материнской ДНК, последовательно считывает нуклеотиды и строит на их основе вторую нить (по принципу комплементарности).

Рис. 12. Репликация ДНК.

Таким образом, каждая из исходных нитей материнской ДНК получает по точной копии ее бывшей «партнерши». Нуклеотидные нити достраиваются из так называемых предшественников, поступающих из цитозоля и образуемых из пентоз, оснований, АТФ, ферментов и др. молекулярных соединений.

Превращение информации в активный белок происходит на рибосоме. Для нормального развития и функционирования клетки ей необходимо поддерживать постоянный обмен веществ с внешней средой, получая из среды различные субстраты и выводя в нее некоторые продукты жизнедеятельности.

В качестве субстратов используются, в основном, различные углеродсодержащие соединения – глюкоза, крахмал, спирты и органические кислоты, углекислота, метан, парафины и т.д., широко распространенные в природе.

А вот в качестве продуктов, как оказалось, микроорганизмы способны синтезировать многие чрезвычайно полезные вещества – различные белки, ферменты, аминокислоты, витамины, гормоны, антибиотики и прочие биологически активные соединения. Другими словами, бактерии являются настоящими молекулярными фабриками по производству необходимых человеку веществ. Эти свойства микробов легли в основу множества биотехнологических производств, начало которым положило широкомасштабное производство антибиотика пенициллина в 40-х годах ХХ столетия.

Центральное звено любого биотехнологического процесса – штамм, то есть совокупность микроорганизмов одного вида, обладающих специфическими физиолого-биохимическими признаками.

Биотехнологическое производство может быть направлено либо на получение максимально возможного количества биомассы (например, производство хлебопекарных дрожжей), либо на достижение максимума выхода продуктов жизнедеятельности клеток. В естественных условиях обмен веществ в клетках осуществляется по принципам строжайшей экономии, что обеспечивается сложной системой его регуляции. Поэтому задача промышленных микробиологов состоит в создании мутантных форм микроорганизмов – сверхпродуцентов соответствующих веществ.

Для выделения из природных популяций сверхпродуктивных штаммов используются разнообразные методы.

Селекция – это искусственный отбор организмов с лучшими в своем поколении показателями. Главный недостаток этого метода – его чрезвычайная длительность.

Более эффективен индуцированный мутагенез, основанный на мутагенном воздействии рентгеновского и УФ-излучения или некоторых химических соединений. Мутагены вызывают изменения ДНК, приводящие к сдвигу метаболических реакций, в результате чего часть обычных клеток превращаются в сверхпродуцентов.

Как правило, методы мутагенеза и селекции используются в совокупности. Общая схема микробиологического производства состоит из следующих основных этапов:

1. Подготовка питательной среды;

2. Получение чистых штаммов для внесения в ферментер;

3. Ферментация – основной этап биотехнологического процесса.

Ферментация – это вся совокупность операций от внесения микробов в подготовленную и нагретую до необходимой температуры среду до завершения биосинтеза целевого продукта или роста клеток. Весь процесс протекает в специальной установке – ферментере (рис. 13).

Рис. 13. Схема ферментера

Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндр, в котором механически перемешиваются среда вместе с микроорганизмами. Через него прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста: постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода. По окончании ферментации образуется смесь рабочих микроорганизмов, раствора непотребленных питательных компонентов и продуктов биосинтеза. Ее называют культуральной жидкостью или бульоном.

4. Выделение и очистка конечного продукта;

5. Получение товарных форм продукта.

Среди веществ, получаемых методами биотехнологии, аминокислоты занимают первое место по объему производства. Помимо применения в качестве пищевых добавок, приправ и усилителей вкуса аминокислоты используют как сырье в химической, парфюмерной, фармацевтической промышленности и т. п.

Кроме того, методами биотехнологии производят витамины, некоторые органические кислоты, антибиотики, ферменты, вакцины, иммунные сыворотки и др.