Нанобиотехнология

6. Что такое нанобиотехнологии?Нанобиотехнология – это область науки на стыке биологии и нанотехнологии. Она включает в себя исследования и применение наноразмерных биологических объектов в промышленных масштабах для создания биотехнологических продуктов [1-2]. Эта область познания представляет собой биологическое использование нанотехнологий, в качестве связующего звена между живой и неживой природой.Нанотехнология как междисциплинарная область знаний стала в наступившем веке мощным двигателем технологического прогресса. В сферу ее охвата входят проблемы, без решения которых не мыслится не только повышение качества жизни человека, но и само его существование [3]. К числу этих проблем относятся: • разработка технологий производства продуктов питания, способствующих в максимальной степени гарантировать человеку нормальное исполнение всех жизненных функций и профилактику заболеваний; • создание средств диагностики; • разработка лекарственных препаратов, специфическая активность которых обеспечивала бы постоянный рост уровня качества лечения16. Сравните фотохимическое и радиационно-химическое восстановление для синтеза наночастиц металлов. Приведите примеры.Наноматериалы, в том числе и на основе наночастиц металлов, получили широкое применение в различных областях промышленности, техники, медицины. Это связано с проявлением уникальных свойств наночастиц, отсутствующих у блочных металлов. Существует много разных химических методов, которые можно использовать для получения наночастиц металла.Получение наночастиц металлов в условиях воздействия на химическую систему высоких энергий связано с генерацией высокоактивных сильных восстановителей типа электронов, радикалов, возбужденных частиц.Фотохимическое (фотолиз) и радиационно-химическое (радиолиз) восстановление различаются по энергии. Для фотолиза типичны энергии меньше 60 эВ, а для радиолиза – 103-104 эВ. К основным особенностям химических процессов под влиянием излучений высокой энергии относят: неравновесность в распределении частиц по энергиям, перекрывание характерных времен физических и химических процессов, определяющее значение для химических превращений активных частиц, многоканальность и нестационарность процессов в реагирующих системах [4-5].Фото- и радиационно-химическое восстановление по сравнению с химическим методом имеет определенные преимущества. Оно отличается большей чистотой образуемых наночастиц, так как отсутствуют примеси, получающиеся при использовании химических восстановителей. Кроме того, при фото- и радиационно-химическом восстановлении возможен синтез наночастиц в твердых средах и при низких температурах.Фотохимическое восстановление в растворах наиболее часто применяют для синтеза частиц благородных металлов. При получении подобных частиц из соответствующих солей в качестве среды используют их растворы в воде, спирте и органических растворителях. В процессе фотовосстановления в начальный момент облучения в УФ - спектре поглощения появляются полосы при 277 и 430 нм, относимые к кластерам и наночастицам серебра размером 2-3 нм. С увеличением времени облучения максимум полосы поглощения может сдвигаться и в сторону коротких, и в сторону длинных волн. Коротковолновый сдвиг указывает на уменьшение среднего размера частиц серебра, а длинноволновый – на протекание процессов агрегации [6].Под влиянием света в результате фотовосстановления не только осуществляются процессы получения наночастиц определенного размера, но и идет формирование более крупных агрегатов.Радиационно-химическое восстановление для синтеза наночастиц металлов в силу своей доступности и воспроизводимости получает все более широкое распространение. В жидкой фазе при получении наночастиц металлов самое важное значение имеют стадии, связанные с пространственным распределением первичных промежуточных продуктов. При радиолизе, в отличие от фотолиза, распределение получаемых промежуточных частиц происходит равномернее и способствует синтезу более узкодисперсных по размеру частиц.Методом импульсного радиолиза осуществлено получение активных частиц металлов в необычных степенях окисления. Наличие одного электрона на внешней орбитали атома или иона металла ведет к их высокой реакционной способности. Времена жизни подобных частиц в воде составляют микро- или миллисекунды. Оптические свойства таких частиц металлов определяются их восстановительным потенциалом.Однако фотохимический способ синтеза наночастиц отличается высокой скоростью протекания реакции восстановления, отсутствием необходимости введения дополнительных реагентов, отсутствием дополнительных условий для термической активации реакции. Фотохимический синтез можно останавливать в любой момент путем прекращения облучения. Также возможно управление синтезом за счет изменения энергии и длительности облучения. При фотохимическом синтезе возможно получение наночастиц серебра заданной концентрации, формы с определенными спектральными свойствами. Также преимущество фотохимического восстановления катионов серебра состоит в образовании наночастиц, отличающихся большей чистотой, из-за отсутствия примесей.Важным преимуществом радиационно-химического восстановления ионов металлов можно назвать возможность получения наночастиц металлов однородных по форме и размерам, а также лишенных примесей химических восстановителей и побочных продуктов[7].36. Охарактеризуйте процессы заполнения нанотрубок.Возможность заполнения внутреннего объема нанотрубки веществами различной природы привлекла внимание исследователей сразу после открытия этого уникального материала. Впервые данная возможность обсуждалась, по-видимому, в работе, где теоретически рассмотрена задача о втягивании молекулы HF внутрь нанотрубки под действием поляризационных сил. При этом показано, что капиллярные явления, которые вызывают втягивание жидкостей, смачивающих поверхность нанотрубки, в ее внутреннюю полость, сохраняют свою природу при переходе к трубкам нанометрового диаметра. Заполнение нанотрубок различными веществами стало возможным после разработки метода раскрытия одного из концов нанотрубки, основанного на воздействии сильного окислителя. При этом проникновение внутрь многослойной нанотрубки с раскрытым концом жидкого легкоплавкого металла (например, свинца) происходит за счет эффекта капиллярного втягивания. Наличие свинца внутри нанотрубок устанавливалось методами рентгеновской дифракции и электронной спектроскопии. Как показали измерения, диаметр самой тонкой свинцовой проволочки, образованной внутри нанотрубки в результате эффекта капиллярного втягивания, составил 1,5 нм.Наряд у с жидкими материалами, углеродные нанотрубки могут быть заполнены также газообразными веществами. Интерес исследователей к такой возможности, наряду с чисто фундаментальным аспектом, связан с практически важной проблемой разработки устройств для хранения водорода с целью их использования для экологически безопасного автомобильного двигателя, работающего на водородном горючем. Высокие сорбционные свойства углеродных нанотрубок и потенциальная возможность их производства в больших масштабах привлекают интерес исследователей к проблеме использования УНТ для хранения водорода. Успешное решение этой проблемы могло бы не только устранить вредное с экологической точки зрения воздействие автомобильного транспорта на условия жизни на Земле, но также обеспечить естественный переход от углеводородных к ядерным способам получения энергии, при котором водородное топливо могло бы использоваться в качестве промежуточного агента, синтезируемого на атомных электростанциях. В разделе 4 представлено детальное рассмотрение проблемы заполнения материалов, содержащих УНТ, водородом и другими газообразными веществами [8-9].Замечательным примером проявления сорбционных свойств УНТ могут служить структуры, получаемые в результате заполнения нанотрубок молекулами фуллеренов. Схема заполнения УНТ ферромагнитными жидкостями на основе Fe3O4 (~10нм) наглядно показана на рис.1. На первом этапе методом CVD - без катализатора проводился template-синтез углеродных нанотрубок с использованием мембраны из оксида алюминия. Средний размер пор мембраны и, соответственно, внешний диаметр получаемых нанотрубок - 300нм. Для заполнения использовали выпускаемые промышленностью (Ferrotec Corp.) ферромагнитные жидкости на водной и органической основе. В первом варианте нанотрубки заполняли непосредственно в мембране (рис.1b). Ферромагнитная жидкость проникала в поры (рис.1c), после высушивания в УНТ оставались только частицы магнетита (рис.1d), затем мембрану растворяли в NaOH (рис.1e). Во втором варианте сначала мембрану растворяли в NaOH и получали индивидуальные нанотрубки (рис.1g). Каплю ферромагнитной жидкости наносили сверху на слой УНТ (рис.1h), после испарения жидкости образовывались нанотрубки с частицами внутри (рис.1i).Рис. 1. Схема заполнения УНТ металлическими наночастицами56. Поясните, как в нанохимии пересекаются научные и практические проблемыВ настоящее время в философии техники широко обсуждается вопрос о соотношении фундаментального и прикладного знания в технонауке (нано-, био- и информационная технология), где сходятся интересы двух различных областей исследовательской деятельности человека – науки и технологии. Рассмотрим это разделение на примере нанонауки и нанотехнологии. Нанонаука занимается исследованием феноменов в масштабе от 1 до 100 нм, а нанотехнология создает и контролирует объекты на этой же шкале с целью получения новых материалов со специфическими свойствами и функциями, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации. Получается, что нанонаука занимается фундаментальными исследованиями, а нанотехнология – прикладными. Различаются эти области знания по цели деятельности ученого: цель фундаментальных исследований – познавательная, открытие новых явлений и их изучение, поиск истины как основополагающей ценности науки, ради чего и осуществляется познание вообще; цель прикладных исследований – утилитарная, связанная с применением фундаментального знания на практике, его ценность иная – эффективность практико-технологического решения.Вторая точка зрения сводится к тому, что фундаментальные и прикладные исследования обладают относительной самостоятельностью, так как за ними видятся различные социальные институты с разными научными идеалами, ценностями и целями познания. Взаимодействие между фундаментальными и прикладными исследованиями осуществляется не по принципу субординации, а координации. Координация развития фундаментальных и прикладных исследований может иметь как эмпирическую, так и теоретическую составляющие: иногда наука использует прикладное знание для получения собственных результатов, а иногда научные результаты успешно используются в прикладных исследованиях. Эту модель взаимодействия называют когерентной. Третья точка зрения считает, что сегодня фундаментальные и прикладные исследования нельзя разделить, а наука и технология сливаются в одно целое – технонауку (симбиоз науки и технологии). При этом фундаментальные исследования приобретают все более прикладной характер и теряют свою самостоятельность, а прикладные исследования становятся все более теоретизированными. Условно эта модель называется смешанной. Именно эту точку зрения сегодня поддерживает большинство ученых и философов, начинающих всерьез обсуждать необходимость фундаментальной науки с точки зрения ее полезности [10]. Усматривая в ней только источник технологических новаций, они пишут о том, что фундаментальная наука уже все открыла и «все теоретические пузыри уже полопались», а «университетская профессура отмирает как класс и платить нужно только тем теоретикам, которые работают в реальных проектах».66. Какие основные группы направлений в разработке нанобиотехнологий можно выделить в настоящее время?В настоящее время нанобиотехнология имеет три сформировавшихся направления, развитие которых сейчас идет усиленным темпом. Это: наномедицина, биомиметика и разработка методов и способов привнесения искусственных наноразмерных частиц, различных материалов и интерфейсов в живые системы. Каждое из этих направлений заслуживает отдельного рассмотрения.Наномедицина развивается в следующих направлениях:Нанодиагностикукумы на основе молекулярных детекторов и биосенсоров и флюоресцентных наночастиц;Нанопоровые сиквенаторы индивидуальных геномов;Наночастицы как конвейеры для доставки лекарств и вакцин;Наночастицы как лекарства;Синтетические геномы в качестве саморазмножающихся систем;Нанобиоинженерия – репарация органов и тканей наноматериалами;Нанороботы для медицины – устройства, разыскивающие очаги поражения тканей и устраняющие их, и наноустройства, имитирующие функции различных клеток.Развитие наномедицины тесно связано с революционными достижениями геномики и протеомики, которые позволили ученым приблизиться к пониманию молекулярных основ болезней [11].Следующим важнейшим направлением нанобиотехнологии является биомиметика. Живые организмы производят нанотехнологические операции на протяжении более 4,5 миллиардов лет. Живая клетка использует ДНК, РНК и большое количество белков, чтобы строить клеточные структуры нанометровых размеров. Именно этим свойством живых клеток пользуются биомиметические нанобиотехнологии при создании искусственных наномашин и наноконструкций. Сегодня данная область нанобиотеха находится в зачаточном состоянии, но ее развитие существенно ускорит создание таких конструкций. Как и наномедицина, биомиметика также имеет четыре сформировавшихся направления развития, это: создание наноконструкций из белка, использование в конструировании молекул ДНК и РНК и работа с вирусами при создании наномеханизмов.Особое внимание следует уделить использованию вирусов в разработке биомиметических технологий. На данный момент в мире до конца не изучена возможность использования вирусов в качестве платформы для разработки конструкций или механизмов нанометрового масштаба. Хотя при теоретическом обосновании вполне доказуемо их использование в качестве различных наномеханизмов. При этом в качестве преимуществ вирусов можно отметить их устройство, избирательность действий и механизм репликации вирусных частиц. Последнее качество вирусов может быть использовано при репродуцировании наномеханизмом или нанороботом себе подобных в неограниченных количествах.И, наконец, третье направление нанобиотехнологии – разработка методов и способов привнесения искусственных наноразмерных частиц, различных материалов и интерфейсов в живые системы. Данная область нанобиотеха являет собой разработку различных технологий и транспортных средств, которые будут доставляться посредством этих технологий в необходимое место живого организма, а в будущем, возможно, и в различные места неорганического мира.106. От каких факторов зависит длительность циркуляции наночастиц в крови? Каким образом ее можно увеличить?Клинические применения любых наночастиц требуют точного анализа их поведения в организме, особенно — времени нахождения наночастиц в кровотоке. Именно этот параметр определяет, успеют ли наночастицы распространиться по организму, достигнуть свою терапевтическую мишень (например, опухоль) и связаться с ней. Кроме того, излишне длинное время циркуляции может быть вредно, так как может привести к накоплению частиц в здоровых тканях и, соответственно, повысить их побочную токсичность. В отличие от микрочастиц, слишком крупных для внутривенного введения, НЧ, введенные внутривенно могут беспрепятственно распространяться по капиллярной сети и проникать в клетки. Попадая в кровоток, НЧ, подобно любым другим коллоидным носителям, быстро адсорбируют белки плазмы. Этот процесс, известный под названием “опсонизация”, играет решающую роль в биораспределении частиц. Опсонизированные НЧ распознаются системой мононуклеарных фагоцитов (СМФ), которая выполняет функцию по очистке крови от посторонних частиц, в том числе, например, бактерий.Были выявлены три группы факторов, влияющих на циркуляцию крови: свойства частиц, особенности их введения, а также состояние организма животного. Дольше пребывали в кровотоке маленькие отрицательно-заряженные наночастицы, вводимые в высоких дозах. Кроме того, было обнаружено, что если вводить в кровь частицы несколько раз подряд, то циркуляция последующих доз частиц значительно продлевается [12]. Наиболее распространённый подход к созданию длительно циркулирующих частиц состоит в гидрофилизации их поверхности путем создания пространственного (стерического) барьера, препятствующего сорбции белков. Стерическая стабилизация наночастиц создает так называемый “стелс -эффект” (от англ. stealth — невидимый), позволяющий НЧ стать “невидимыми” для макро - фагов и избежать захвата.Список использованных источниковДаньшина В.В., Рогачев Е.А. Исследование материалов методом зондовой микроскопии в нанобиотехнологии. Омск: Издательство ОмГТУ, 2019. 105с. Александрова, В. А. Радиационно-химическое восстановление ионов серебра в полиэлектролитной матрице – карбоксиметилхитине / В. А. Александрова, Л. Н. Широкова // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. – 2018. – Т. 60. – № 6. – С. 466-473. – DOI 10.1134/S2308113918060025.Сечина, Е. В. Нанотехнологии в медицине: перспективы развития и возможные риски / Е. В. Сечина, И. В. Бирюкова // Биоразнообразие, биоресурсы, вопросы химии, биотехнологии и здоровье населения Северо-Кавказского региона : материалы V (62-й) ежегодной научно-практической конференции, Ставрополь, 03–21 апреля 2017 года. – Ставрополь: Северо-Кавказский федеральный университет, 2017. – С. 164-166.Романовская, Г. И. Фотохимический синтез наночастиц серебра различной морфологии в водных растворах в присутствии цитрата натрия / Г. И. Романовская, М. В. Королева, Б. К. Зуев // Пятая международная конференция стран СНГ "Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем" - "Золь-гель 2018" : Сборник тезисов, Санкт-Петербург, 27–31 августа 2018 года. – Санкт-Петербург: ООО "Издательство "ЛЕМА", 2018. – С. 258-260.Муллагалеева, А. Р. Применение нанобиотехнологических методов в производстве лекарственных средств / А. Р. Муллагалеева, А. А. Хорунжая // Неделя науки - 2017: Материалы Всероссийского молодежного форума с международным участием, Ставрополь, 23–24 ноября 2017 года. – Ставрополь: Ставропольский государственный медицинский университет, 2017. – С. 520-521Применение нанобиотехнологий в исследовании взаимодействия убиквитинированного лизоцима с регуляторными субъединицами протеасомы RPN 10 и RPN 13 / О. А. Бунеева, О. В. Гнеденко, А. Т. Копылов [и др.] // Актуальная биотехнология. – 2018. – № 3(26). – С. 164.Скорнякова, Д. А. Нанобиотехнология. Биосенсоры и биочипы, их производство и применение в медицине / Д. А. Скорнякова // Актуальные вопросы фармацевтических и естественных наук : Сборник статей Всероссийской студенческой научно-практической конференции с международным участием, Иркутск, 17–21 мая 2021 года. – Иркутск: Иркутский государственный медицинский университет, 2021. – С. 289-292.Волков, А. А. Модификация диоксида церия наночастицами палладия / А. А. Волков, Е. И. Исаева // XVII Всероссийская молодежная научная конференция с элементами научной школы - "Функциональные материал: синтез, свойства, применение ", посвященной 110-летию со дня рождения член.-корр. АН СССР Н. А. Торопова : Тезисы докладов XVII Всероссийской молодежной научной конференции с элементами научной школы - «Функциональные материал: синтез, свойства, применение», посвященной 110-летию со дня рождения член.-корр. АН СССР Н. А. Торопова, Санкт-Петербург, 04–06 декабря 2018 года / Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН). – Санкт-Петербург: ООО "Издательство "ЛЕМА", 2018. – С. 136.Елецкий А.В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур / Успехи физических наук, 2004, Т.174, №11, с.1191-1231Глазко В.И., Минина Т.М., Глазко Т.Т. Нанобиотехнологии. Основные направления развития / Проблемы современной науки. 2010, №1, с. 92-104.Доставка наночастиц на поверхности эритроцитов для терапии онкообразований в легких / А. В. Яременко, И. В. Зелепукин, А. В. Бабенышев [и др.] // Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии : Сборник тезисов XXXII Зимней молодежной научной школы, Москва, 10–13 февраля 2020 года. – Москва: Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 2020. – С. 35.Гельперина, С. Э. Системы доставки лекарственных веществ на основе полимерных наночастиц / С. Э. Гельперина, В. И. Швец // Биотехнология. – 2009. – № 3. – С. 8-23.Практические задания126. На основании опытных данных, полученных при исследовании поверхностного натяжения указанного водного раствора ПАВ при 20°С Рассчитайте площадь, занимаемую одной молекулой ПАВ и толщину адсорбционного монослоя.146. Сколько атомов углерода входит в состав наноалмаза диаметром 3.0 нм? Какой процент от общего объема алмаза занимают атомы углерода? Ковалентный радиус атома углерода составляет 0.077 нм (половина длины связи C–C). Плотность алмаза 3.52 г/см3156. В каком случае и во сколько раз интенсивность светорассеяния латекса полистирола больше: при освещении светом с λ1 = 530·10-9 м или с λ2= 680·10-9м.176. Порог коагуляции положительно заряженного гидрозоля Fе(ОН)з под действием электролита NaCl равен 9,25 ммоль/л. С помощью правил Шульце - Гарди и Дерягина - Ландау для этого золя рассчитайте пороги коагуляции, вызываемой следующими электролитами: KNO3, BaCl2 , K2S04, MgS04, К2Cr2O7.