2 курс / Микробиология 1 кафедра / Доп. материалы / Микробиология_Нанобиотехнологии_А_А_Адиева_2016_пособие
.pdfметодику, возможно ковалентное присоединение фуллеренов к различным носителям, в том числе к белкам, пептидам и нуклеиновым кислотам, что открывает широкие возможности для использования фуллеренов в новых иммунологических и молекулярно-генетических методиках. Перспективным является использование таких производных эндометаллофуллеренов для медицинской ЯМР-томографии. Эти же подходы могут быть использованы для создания регулярных монослоев и орга-низованных структур из фуллеренов и эндометаллофуллеренов на поверхности металлов и пле-нок,
для привития их к полимерам, синтетическим и натуральным волокнам.
С помощью разработанного подхода осуществле-но присоединение водорастворимомуфуллеренил-пролину красителя эозина. Обнаружено, что гибридная структура на основе фуллеренил-эозина проникает через гематоэнцефалический барьер, так что его содержа-ние в тканях мозга достигает максимального значения через 2 часа после инъекции и значительно снижается через 5 часов после введения. Все это делает перспек-
тивным использование подобных гибридных структур для фотодинамической терапии рака и фармакокинетических исследований.
Вопросы для самоконтроля.
1.Как можно манипулировать нанообъектами?
2.Какие известны принципы создания нанообъектов и наноматериалов?
3.Какие известны виды углеродных наноматериалов?
Тема .Структурный и функциональный аспекты бионанотехнологии
1.Бионанотехнологии
2.Нанобиотехнологии
3.Получение искусственных наноструктур на основе биомолекул
Конвергенция биотехнологии и нанотехнологии –новое явление.
Результат – новые области исследований: бионанотехнология и
нанобиотехнология
Бионанотехнологии («Био» для нанотехнологии)
Бионанотехнология первое упоминание в MedLine – 2004 год.
Самосборка наноструктур из биомолекул Биологические наноструктуры в качестве матриц для синтеза наноматериалов Биомиметика
Биомолекулярная электроника
Нанобиотехнологии («Нано» для биологии)
Нанобиотехнология –первое упоминание в MedLine в 2000 году.
Lab-on-a-chip
Тканевая инженерия на наноструктурированных матрицах Наноконтейнеры для доставки лекарственных средств Неорганические наночастицы для in vivo диагностики и лечения
Получение искусственных наноструктур на основе биомолекул
Основное внимание «мокрых технологий» обращено на конструирование и модификацию белковых молекул, известных своими способностями к самосборке. В белковых структурах, представляющих собой не что иное как биологические наноструктуры, происходят самые важные биологические реакции, протекающие в живой клетке. Примером белковой наноструктуры может служить пигмент-белковый комплекс реакционного центра фотосинтеза, в котором шесть молекул пигмента (хлорофилла)
встроены в белковую матрицу с повторяющейся точностью до десятых долей ангстрема. Эти пигменты осуществляют процесс преобразования солнечной энергии в энергию разделенных зарядов с эффективностью 100% за счет исключительно быстрого переноса электрона между пигментами. Такая эффективность недоступна ни одному из современных технических устройств.
Природные биологические наноструктуры можно выделять, очищать,
кристаллизовать и изучать, используя весь арсенал физических и химических методов. Экспериментальные исследования таких наноструктур
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/
сопровождаются квантово-физическими расчетами молекулярной динамики и взаимодействия электронов. Полученные таким образом знания о биологических наноструктурах и их устройстве можно использовать при синтезе их химических моделей, необходимых для нанотехнологий.
Способность биологических молекул объединяться в различные
наноархитектурные ансамбли может обеспечивать превращение
содержащейся в них информации в физико-химические сигналы. Поэтому выработанные в процессе эволюции принципы создания сложных функциональных систем можно применять для получения новых материалов.
Биологические структуры могут быть использованы как поверхностные детекторы для организации связывания больших органических и неорганических блоков.
Вместе с тем надо помнить, что между агрегацией (сборкой)
наночастиц биологического происхождения в биологические надструктуры и образованием искусственных атомарных или молекулярных наноагрегатов существует и принципиальное различие. Форма, химическое строение и рельеф поверхности биологических наноблоков (белков, нуклеиновых кислот), как правило, весьма строго определяют размеры и форму биологических надмолекулярных структур, возникающих в результате самосборки, в особенности если она происходит в живом организме (in vivo).
В небиологической материи эти определяющие факторы выражены гораздо
слабее, и их значение может колебаться в широких пределах.
Живые системы используют множество молекулярных машин, таких как молекулярные моторы (биомолекулы, регулирующие функционирование других биомолекул). Поэтому логично попытаться приспособить к нашим потребностям уже имеющиеся в природе механизмы, используя их для приведения в движение крошечных насосов, рычагов, зажимов. Концепцию
«мокрых нанороботов» иногда именуют микробиороботами.
Американским исследователям, избравшим «подход самосборки»,
удалось синтезировать комплементарные нити ДНК, которые
самоорганизуются в сложные структуры желаемой конфигурации.
Использовав аналогичный подход, ученые генетически модифицировали природный биомотор, в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатазе. В результате был изготовлен первый гибридный наномотор с небиологическими элементами из 100-нанометровых полос азотистого кремния (рис. 63). Подобно микроскопическому пропеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту.
На данном рисунке изображен наномотор.
Наномотор с небиологическими элементами из 100-нанометровых полос азотистого кремния (http://ru.wikipedia.org)
Как показывают предварительные оценки, механические системы смогут обеспечить более высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом, нежели системы биологические.
Однако важным преимуществом последних является то, что зачастую их функциональные компоненты можно частично или целиком брать из уже имеющихся естественных живых систем, тем самым существенно сокращая время разработки.
Производство нанороботов сегодня затруднено по двум причинам:
недостаточная разрешающая способность современных приборов и сложность проектирования схемотехнических решений. Эти проблемы возможно решить только при помощи самих нанотехнологий, т.е. для
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/
массовой сборки нанороботов нужны нанороботы, так как только они по своему предназначению могут предоставить необходимый инструментарий.
На сегодняшний день разработки в этом направлении возможны лишь теоретически. Однако уже существуют макроскопические роботы, способные собрать себе подобного, а затем запрограммировать его.
Таким образом: самосборка – центральный процесс во всех биологических системах. Простые «строительные блоки» собираются вместе, образуя супермолекулы или ассоциаты с различной морфологией, специфическими функциями, уникальными физико-химическими свойствами.
В природе существенную роль играет необратимость – основа большинства процессов самоорганизации. В большинстве случаев сборка сложных биологических систем идёт без использования исходных матриц.
Самосборка – идёт за счёт многоточечных нековалентных взаимодействий «строительных блоков»: водородные связи,
электростатические и гидрофобные взаимодействия.
«Молекулярное узнавание» описывает способность молекул взаимодействовать друг с другом с высокой аффинностью и специфичностью.
Вопросы для самоконтроля.
1.В чем отличие бионанотехнологий от нанобиотехнологий?
2.Принцип самосборки, привести примеры естественных биологических систем, построенных по такому принципу?
3.Как получить искусственные наноструктуры на основе биомолекул?
Тема 11. Нанотехнологии в технической биохимии.
1.Влияние наноструктурированных добавок растительного сырья на биохимические и физические показатели полуфабрикатов и готовых изделий в хлебопечении и мучном кондитерском производстве
2. Наноупаковки для пищевой промышленности
Ученые всегда называли пшеницу уникальной зерновой культурой,
которая включает все необходимые для жизнедеятельности человека химические и биохимические компоненты. Истинная ценность пшеницы заключена в целом зерне, содержащем все 10 основных аминокислот, 12-15%
белка, до 75% углеводов и около 28 важных для организма человека нутриентов.
При переработке пшеницы в сортовую муку 9 жизненно важных элеменов исчезают совсем. Количество кальция снижается с 60 до 19 мг; железа с 5,38
до 1,86 мг; марганца с 3,86 до 0,86 мг; витамина В1 с 3,8 до 0,8 мг, также снижается содержание других элементов, при этом возрастает калорийность.
Однако, рассматривая белок пшеницы и его ценность, следует отметить, что процент его содержания и сбалансированность аминокислотного состава несколько ниже, чем у других культур, по содержанию таких незаменимых
(экзогенных) аминокислот, как лизин, валин, цистин, нейцин и др. Крахмал пшеницы сложнее переходит в мальтозу, чем крахмал других злаков.
Уступает пшеница и продукты ее переработки и по содержанию свободных липидов, содержание которых в других зерновых культурах намного выше: у
овса – от 7 до 9%, проса – 5,5%, ячменя - 6%, в то время как у пшеницы –
3,8%.
Хлеб в целом служит прекрасным источником белков и углеводов. Что касается витаминов, минеральных веществ, то их содержание зависит от сорта используемой муки. Основной недостаток мучных кондитерских изделий заключается в невысокой витаминной, минеральной ценности и содержанием пищевых волокон.
Повышение пищевой ценности хлеба и мучных кондитерских изделий,
получаемых на основе пшеничной муки высоких сортов – важнейшая задача пищевой промышленности. Из-за несбалансированности химического состава хлеба, печенья по содержанию углеводов, белков, органических
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/
кислот, минеральных веществ, витаминов, пищевых волокон и других компонентов в настоящее время ведутся исследования в различных направлениях, в том числе в области поиска новых источников биологически активных веществ природного происхождения, включая нетрадиционные.
К таким нетрадиционным источникам можно отнести наноструктурированную муку зерновых культур, которая имеет отличительные особенности по физико-химическим, биохимическим свойствам, а также биодоступности организму человека при потреблении продуктов питания, отнесенных в определенной степени к наноеде.
Наноеда или нанопища – это любые продукты питания, для производства которых использовались нанотехнологии, то есть технологии, основанные на манипуляции отдельными молекулами или атомами, что естественно сказывается и на биохимических основах пищевых производств.
Анализ научной информации показывает, что в настоящее время в Казахстане, в ближнем и дальнем зарубежье проводятся интенсивные исследования в области пищевых нанотехнологий по следующим основным направлениям:
-разработка технологий производства наночастиц, нанокапсул, нанонитей;
-разработка новых упаковочных материалов с использованием нанотехнологий, обеспечивающих высокую сохранность и безопасность готового продукта;
-разработка нанокомпозиций для пищевых продуктов заданного состава с необходимыми вкусовыми и органолептическими показателями.
Последнее послужило выбором наших исследований для решения поставленной цели - повышения пищевой ценности хлеба и мучных кондитерских изделий с использованием наноструктурированной муки,
получаемой из зерна овса, как наиболее ценной зерновой культуры,
отличающейся по своему химическому и биохимическому природному потенциалу.
Научно доказано, что уникальный злак – овес отличается оптимальным процентным соотношением углеводов, белков, жиров и витаминов группы В.
Основной аминокислотой при определении ценности белка является лизин.
Овес используется для пищевых и диетических целей, как источник повышенного содержания масла и антиоксидантов. В крахмале овса содержится 25-30% амилозы, и по своим физическим показателям он выгодно отличается от крахмала других зерновых культур. Зерно овса содержит значительное количество витаминов (тиамин, фолат, пантотеновая кислота), минеральных веществ (железо, магний, медь цинк), белков высокого качества, растворимого в воде β-глюкана, положительно влияющего на организм человека, пищевых волокон (растворимой клетчатки), линолевой кислоты – одной из основных жирных кислот.
В связи с этим, объектом исследований послужила наноструктурированная мука из овса, которая была использована как пищевая добавка при выпечке хлеба и сахарного печенья из муки пшеничной первого сорта, что на наш взгляд позволит получить изделия более высокой пищевой ценности и функциональной направленности.
Наноструктурированная мука получена из целого зерна овса путем сверхтонкогого измельчения по методу А.А.Башкирцева на мельнице-
механоактиваторе, которая обеспечивает получение тонкодисперсного продукта с крупностью частиц не более 3-5 мкм.
При сверхтонком измельчении целого зерна, включая все его анатомические части, сохраняются все ценные пищевые компоненты, при этом появляются не менее ценные физико-химические свойства, которые обуславливают процессы тестоведения, выпечки, доступного усвоения организмом каждого химического элемента, которые ранее находились в хелатном соединении.
Исследования проводились в научной лаборатории Таразского государственного университета им.М.Х.Дулати «Наноинженерные методы исследований». Используя японский электронный сканирующий микроскоп
JSM-7500F с рентгеноскопической установкой, была изучена микроструктура
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/
муки пшеничной 1 сорта, наноструктурированной муки из овса. Было выявлено, что в наноструктурированной муке овса практически крахмальные гранулы, белковая матрица разрушены полностью и это обязательно должно оказать влияние на клейковину теста, его газообразующую способность и другие биохимические особенности тестоведения и выпечки.
Композитные смеси составлялись с учетом характера изделия и тестовых заготовок: в дрожжевое тесто для хлеба внесено - 5, 10, 15%
наноструктурированной муки овса к массе пшеничной муки 1 сорта; для сахарного (недрожжевого) печенья добавки составляли 2, 4, 6, 8%.
Влияние наноструктурированной муки на качество теста и готовых изделий представлено в таблицах 1 и 2. В соответствии с данными таблиц, как в тесте,
так и в готовых изделиях получены значения показателей качества, которые могут быть доказаны только с точки зрения влияния именно наночастиц муки овса, их физико-химических свойств и соответствующего поведения в процессе тестоведения и выпечки.
Результаты исследований позволяют определить оптимальную величину дозировок наноструктурированной муки овса при производстве хлеба – до
10%, сахарного печенья – до 8%, так как дальнейшее увеличение дозировки приводит к ухудшению органолептических свойств изделий, биохимических процессов, происходящих при брожении теста. Конечная цель, определяемая повышением пищевой ценности определенно достигнута. Полученные данные позволяют отметить увеличение содержания усвояемой и перевариваемой в виде микрочастиц клетчатки (пищевых волокон),
минеральных веществ, витаминов и других биологически активных веществ по сравнению с изделиями, изготовленными только из муки пшеничной 1
сорта.
В настоящее время проводятся более глубокие исследования биохимических,
коллоидных процессов тестоведения и выпечки, процессов брожения, так как изучение микроструктуры муки и теста в процессе брожения позволяет судить о неадекватности поведения мельчайших частиц муки овса.
2. Наноупаковки для пищевой промышленности
Сегодня нанотехнологии активно развиваются в Японии, США,
Южной Корее, Сингапуре, Индии и особенно в Китае. Правительства этих стран, осознав потенциал нанотехнологии, обеспечивают финансовый прорыв. Так, Южная Корея планирует затратить 2,6 миллиарда долларов к концу 2010 года. Расходы Тайваня к 2008 году составляли около 630
миллионов. США могут позволить себе выделить на эти программы до 300
млрд. долларов. Американские ученые уверены, что объем мирового рынка нанотехнологии к 2015 г. достигнет $1 трлн. Они ведут разработки по всем возможным направлениям. Япония ограничилась лишь двумя:
информационные технологии и окружающая среда. Они разрабатывают новые технологии для производства чипов, информационных систем,
обладающих огромным быстродействием и памятью, работают над сенсорами для охраны окружающей среды, диагностики и новых методов лечения. Германия интенсивно занимается полупроводниковыми нанотехнологиями. В России определено 10 приоритетных направлений,
которые, в первую очередь, связаны с полупроводниковыми технологиями,
биотехнологиями, частично информационными технологиями и технологиями пищевой промышленности. Приобретают все больший размах инициативы в сфере современной нанотехнологии и огромных финансовых вливаний и в других странах, что свидетельствует о сдвиге от фундаментальных исследований нанотехнологии к прикладным.
Нанотехнологии внедряются в жизнь. Пищевая промышленность - один из секторов экономики, использующий нанотехнологию. Особенно это важно при решении важнейшей продовольственной проблемы в мире. Подсчитано,
что темпы производства продукции сельского хозяйства будут в дальнейшем все более отставать от темпов роста населения. Сейчас уже дефицит продуктов в мире превышает более 60 млн. т. Но особенно остро стоит проблема недостаточного потребления белка, витаминов и других минорных компонентов пищи, немаловажной проблемой является и использование в
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/