nano_book[1]

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Необычный же геном рыбы фугу состоит сплошь из «смысло вых» генов, кодирующих конкретные белки. Эти гены располо жены в геноме фугу в непосредственной близости один к другому и поэтому могут быть легко идентифицированы. Вот почему ге ном фугу служит удобной моделью для генетического анализа.

Протовирусы

При расшифровке ДНК было обнаружено, что помимо собственного генетического материала в геноме человека при сутствует большое число геномов вирусов, которые когда то давно попали в него и там остались. Эти «молекулярные остан ки» были названы протовирусами.

Мы очень мало знаем об их биологической роли, но удиви тельно и крайне интересно то, что у обезьян эндогенных виру сов намного меньше или нет вообще. Получается, что по чуже родным элементам генома человек от обезьян отличается гораз до сильнее, чем по самим генам. Это дало основание одному из известных исследователей генома академику Е. Д. Свердлову высказать мысль о том, что вирусы могли сыграть важную роль в «очеловечивании» обезьяны.

По словам некоторых ученых, эти «спящие» вирусы могут в любую минуту “проснуться” и принести смертоносные эпиде мии. В частности, существует гипотеза, что ВИЧ всегда жил в нас, а потом мутировал и приобрел патогенные свойства, кото рыми изначально не обладал. То же самое, как предполагают некоторые ученые, происходило и с вирусами бубонной чумы, холеры, тифа, гриппа.

Упаковка ДНК в хромосому

Молекулярную основу генома составляет молекула ДНК – знаменитая «нить жизни», состоящая у человека из более чем 3 млрд. пар нуклеотидов, соединенных между собой в длинные нити. Установлено, что длина одной молекулы ДНК в челове ческой клетке составляет около 2 метров. ДНК содержится в хромосоме, а каждая клетка человека содержит 23 пары хромо сом. Если учесть, что тело взрослого человека состоит из при мерно 50 триллионов клеток (5·1013), то общая длина всех моле кул ДНК в организме – около 1011 км, что в тысячи раз превы шает расстояние от Земли до Солнца!

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Каким же образом такие длинные молекулы могут уме щаться в маленьком ядре клетки? Это возможно, во первых, благодаря тому, что поперечные размеры молекулы ДНК сос тавляют всего 2 нм, а во вторых, благодаря удивительно точно му механизму упаковки ДНК.

ДНК в хромосомах чрезвычайно хитроумно уложена в комплексе со специальными ядерными белками, которые на зываются гистонами. На рисунке изображена приблизительная схема упаковки ДНК.

Рис 195. Схема укладки молекул ДНК в хромосомах

Достойна восхищения и плотность записи данных в ДНК: всего в 8 кубических микронах этой удивительной молекулы содержится 750 Мб генетической информации. Возможно, в будущем биомолекулярная память на основе ДНК позволит хранить в объеме современной “флэшки” 250 миллиардов гига байт. Что можно записать в такую память? Ну, например, гено мы всех когда либо живших на Земле людей с 30 часовыми ви деороликами из жизни каждого.

Практическое значение результатов проекта “Геном человека”

Итак, программа “Геном человека” завершена. Теперь, зная последовательность почти трех миллиардов нуклеотидов, ис

314

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

следователи получили возможность выяснить причины многих заболеваний, имеющих генетическую причину. Только одна часть работы – расшифровка 20 й хромосомы – значительно ускорила исследования в области лечения сахарного диабета, лейкемии и других заболеваний.

В настоящее время описано около 3 тысяч заболеваний, причина которых заключается в поломке генетического аппа рата. Число изученных наследственных болезней год от года растет. Эти сведения помогут разобраться в генетических прог раммах развития и функционирования нашего организма, при чинах возникновения раковых заболеваний и старения.

Появились принципиально новые подходы к диагностике и лечению наследственных заболеваний. К настоящему времени с помощью генотерапии – введения в организм собственных стволовых клеток с исправленными копиями гена – вылечили только 12 детей, больных тяжелым комбинированным иммуно дефицитом, редким врожденным заболеванием, при котором для больного смертельна любая инфекция. Но в различных ла бораториях уже разрабатываются способы лечения сотен моно* генных (вызванных нарушением в единственном гене) болез ней. При дальнейшем развитии науки станет возможным исп равление дефектных генов прямо в зародыше, что позволит из бежать наследственных болезней.

Были созданы международные банки данных, содержащие расшифрованные геномы разных организмов. Теперь любой специалист в мире может воспользоваться собранной там ин формацией.

Наномедицина

С развитием биотехнологии тесно связано качественно но вое направление медицинской науки – молекулярная наноме* дицина. С ней связывают такие уникальные вещи, как:

Лаборатории на чипе;

Адресная доставка лекарств к пораженным клеткам;

Новые бактерицидные и противовирусные средства;

Диагностика заболеваний с помощью квантовых точек;

Нанороботы для ремонта поврежденных клеток;

Нейроэлектронные интерфейсы и многое другое.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

В настоящее время подобные проекты – уже не только плод воображения писателей фантастов, но и реальные средства современной медицины.

Сообщения о новых открытиях в наномедицине появляют ся так часто, а разрабатываемые в ее рамках проекты столь мно гочисленны и разнообразны, что полностью описать их в рам ках данной главы просто невозможно. Однако с некоторыми из них мы познакомимся поближе.

Лаборатория на чипе

Каждый из нас хотя бы раз в жизни сдавал, к примеру, ана лиз крови. При этом результатов анализа, как правило, прихо дилось ждать несколько дней, а то и недель – ведь сначала об разец попадал в лабораторию, дожидался там своей очереди, за тем анализировался на специальном оборудовании, и лишь после этого возвращался (в виде распечатки результатов) к вра чу. Помимо этого нам приходилось еще и здорово раскоше литься, так как в стоимость анализа “включены” оплата труда врача и лаборантов, стоимость транспортировки пробирок, стоимость эксплуатации дорогостоящего оборудования, аренда помещений лаборатории и т.д. А ведь порой скорость, точность и доступность анализа – вопрос жизни и смерти в прямом смысле слова.

И как было бы здорово, если бы врачи или даже сами паци енты могли мгновенно проводить сложнейшие анализы и полу чать результаты в течение нескольких минут! Представьте себе, какой потрясающе компактной и эффективной могла бы быть лаборатория, если б все ее пространство (включая инструмен ты, столы, проходы, клавиатуры, мониторы, и т. д.) можно бы ло бы “сжать” до размеров обыкновенного микрочипа, а все производимые в ней человеческие действия по доставке, пере мещению и анализу образца полностью автоматизировать!

А теперь представьте, что такие лаборатории уже существу ют! Называются они лабораториями на чипе (от англ. lab*on* chip). Один чип размером порядка 4х4 см может заменить це лый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онколо гических заболеваний, изучения эффективности трансфекции

316

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

клеток, количественного определения белков, определения уровня экспрессии генов и многого другого!

При этом такая кроха лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, зани мавшего раньше недели, сокращается до 15 30 минут. Если вы все еще не верите в то, что это возможно, вспомните первые ЭВМ: они занимали огромные комнаты, а их обслуживанием занимался целый коллектив специально обученных инжене ров операторов. А сегодня любой карманный компьютер, нес мотря на свои малые размеры, в тысячи раз превосходит по быстродействию и функциональности самой “продвинутый” компьютер того поколения.

Аналогия с компьютером здесь не случайна, поскольку на первый взгляд лаборатории на чипе очень похожи на своих электронных собратьев: они также создаются на кремниевых подложках, а крохотные ячейки связываются микро или нано ”дорожками”. Отличие заключается в том, что по дорожкам у них не всегда течет ток. По многим из них течет жидкость из кро хотных резервуаров, имплантированных в чип при производстве.

Функционально ячейки тоже отличаются. Если на микрос хеме это могут быть ячейки памяти или логические элементы, то в лаборатории на чипе это клапаны, резервуары и биологи ческие или химические реакторы.

Реальным примером подобной технологии могут служить продукты ведущих в этой области компаний Affymetrix (“GeneChip”) или Agilent (“LabChip”), производящих лаборато рии на чипе для генетических анализов.

В таких чипах ДНК анализируется методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Его суть заключается в последователь ном нагревании и охлаждении раствора, содержащего образец анализируемой ДНК, два праймера (участки ДНК в 20 нуклео тидов, комплементарные участкам анализируемого ДНК), смесь четырех нуклеотидов и фермент ДНК полимераза. При нагревании двунитевые отрезки ДНК расщепляются; при ох лаждении под действием фермента каждая из однонитевых це почек достраивается до двунитевой копии исходного отрезка. Число отрезков молекулы ДНК удваивается при каждом цикле, и из каждой молекулы в исходной пробе через 30 циклов обра зуется 230 – более миллиарда копий.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Метод был изобретен в 1987 г, и в то время ученым прихо дилось каждые несколько минут вручную переставлять пробир ки из одной водяной бани в другую и после каждого цикла до бавлять в них новую порцию фермента. Сегодня ту же работу выполняют миниатюрные автоматизированные лаборатории. Как видим, менее чем за 20 лет метод ПЦР усовершенствовал ся примерно так же, как компьютеры – за полвека.

Компания CombiMatrix предложила чип размерами с поч товую марку для определения биологической опасности. Уст ройство, содержащее такой чип, может определить присутствие нескольких видов микроорганизмов, применяющихся в соста ве бактериологического оружия. На его базе CombiMatrix вы пустила детектор HANAA (подходящее название, не правда ли?), который можно использовать в полевых условиях. При бор помещается в ладони, питается от батареек и весит около одного килограмма. Каждая микроскопическая ячейка чипа за меняет установку для проведения ПЦР. Прибор анализирует ДНК и соотносит с одним из запрограммированных типов па тогенной ДНК. Ячейки, в которых присутствует ДНК одного из определяемых чипом патогенных микроорганизмов, флюорес цируют, а их свечение улавливается датчиком. Процесс обра ботки четырех различных образцов занимает 30 минут. Как го ворят разработчики прибора, он может опознать патоген при концентрации 10 бактерий в 1 пробе (1 проба представляет со бой капсулу диаметром 5 мм и 2 см длиной).

CombiMatrix также выпустила устройство на основе чипа, в котором проводится иммуноферментный анализ. В его ячейках светятся антитела к ядам, не содержащим ДНК. Такое устрой ство может опознавать 5 токсинов типа рицина.

Для производства лабораторий на чипе используются поч ти те же технологии, что и для производства микросхем, вклю чая литографию и травление. Однако лаборатория на чипе, в отличие от планарной микросхемы, должна быть трехмерной. Причина заключается в том, что если электричество может протекать по плоскому проводу, то жидкость не течет по сплюс нутому шлангу. Таким образом, при производстве лабораторий на чипе используются совмещенные методы планарной и МЕМS/NEMS технологий.

318

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Итак, лаборатория на чипе представляет собой МЭМС уст ройство для биохимических ана лизов. Принимая во внимание стремительный прогресс в облас ти МЭМС систем, можно прог нозировать, что в дальнейшем размеры и стоимость устройств будут уменьшаться (а функцио нальность, соответственно, рас

ти), и через несколько лет такая лаборатория станет для нас та ким же привычным средством диагностики самочувствия, как сегодня термометр.

Нанотехнологии против вирусов и бактерий

Бактерицидные свойства наночастиц серебра подробно описаны в главе, посвященной химическим аспектам нанотех нологий. Поэтому здесь мы лишь кратко перечислим некото рые возможности их применения в медицинских целях:

Препараты на основе наночастиц для эффективного за лечивания ран;

Обеззараживающие угольные фильтры с наночастицами;

Бактерицидные краски для профилактики заболеваний, передающихся воздушно капельным путем;

Самодезинфицирующаяся одежда и белье;

Обеззараживающие аэрозоли и др.

Кроме того, как оказалось, серебряные наночастицы – не единственные наноматериалы, пригодные для борьбы с бакте риями. Недавно ученые из Питсбургского университета созда ли нанокатализатор, который производит углеродные нанот рубки одинакового размера и заставляет их собираться в струк туру, напоминающую ковер. При добавлении к «ковру» различ ных биологических агентов он меняет свой цвет – от красного до желтого.

Самым удивительным оказалось то, что этим «наноковром» можно убивать различные микроорганизмы! В эксперименте на бактериях E. coli отдельные нанотрубки «ковра» проткнули их клеточные мембраны, чем вызвали гибель микроорганизмов.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис197. Фотоизображение "ковра" из нанотрубок*

Рис 198. Нанотрубка протыкает бактериальную мембрану*

При взгляде на рисунок на ум приходит интересная анало гия: когда человек только начал осваивать мир, он использовал копье для охоты и борьбы с опасными тварями. Сегодня, про никнув в мир клеток и бактерий, человек также “идет с копьем на бактерию”, используя в качестве оружия острую и тонкую нанотрубку.

* Перепечатано с http://newsbureau.upmc.com/

320

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Если говорить о потенциальных применениях этого откры тия, то, возможно, «наноковер» может быть использован в ка честве биологического детектора либо бактерицидной поверх ности в фильтрах для очистки воды, воздуха и т. д.

Адресная доставка лекарств в пораженные клетки

Чтобы лекарство было эффективным важно, чтобы его мо лекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты попали в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, антираковые препараты – в опухоль и т. д. Способность моле кул вещества попадать в теле пациента туда, где они необходи мы, называется биологической усвояемостью.

Биологическая усвояемость – камень преткновения всей современной фармацевтики. Более 65% денег, потраченных на разработку новых лекарств, выбрасывается на ветер из за их плохой усвояемости. Один из способов улучшить ее – просто увеличить дозу лекарства. Однако многие лекарства токсичны, и увеличенная доза может вызвать у пациента тяжелые послед ствия (а порой даже убить). Это особенно важно для противора ковых препаратов, которые убивают не только больные, но и здоровые клетки.

Феномен раковых клеток, с точки зрения биотехнолога, заслуживает отдельного рассмотрения. Онкологические забо левания являются одной из главных причин смертности. Самое поразительное, что смерть человека вызывают его же собствен ные клетки, превратившиеся каким то образом в бессмертные. В общих чертах этот процесс выглядит следующим образом.

По замыслу природы, все клетки организма должны регу лярно обновляться, то есть какое то время жить, делиться, функционировать, а затем умирать, освобождая пространство для своих молодых собратьев. Во взрослом организме деление клеток строго контролируется и происходит в разных тканях по разному, а некоторым клеткам (например, нейронам) деле ние вообще запрещено. Иначе нельзя, ведь если бы каждая клетка делилась, как ей вздумается, организм быстро превра тился бы в бесформенный сгусток клеток.

В природе роль биологических часов, регулирующих дли тельность жизни клетки, выполняют так называемые теломеры

– особые участки ДНК на концах хромосом. Каждое деление

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

клетки сопровождается укорачиванием ее теломеров, и, когда последние укорачиваются до предельных размеров, клетки «понимают», что пришла пора умирать, и запускают механизм клеточного самоубийства – апоптоза. Раковые же клети не подвержены процессу старения, поскольку всякий раз «умуд ряются» восстанавливать длину своих теломеров при помощи особого фермента теломеразы, и поэтому способны размно жаться бесконечно.

Врезультате действия патогенных физических и химичес ких факторов в раковую может превратиться любая клетка ор ганизма. До поры до времени такая клетка ничем не отличается от других и строго подчиняется “правилам общежития”, при нятым в многоклеточном сообществе. Но в какой то момент она перестает подчиняться законам природы и начинает беско нтрольно делиться, требуя все больше территориальных, мате риальных и энергетических ресурсов организма в ущерб дру гим, более “законопослушным” клеткам (причем такое поведе ние передается и всему потомству раковой клетки).

Вместе скопления быстро размножающихся раковых кле ток образуется опухоль, которая, если ее вовремя не ликвидиро вать, может дать метастазы – множественные очаги болезни, возникающие по всему телу в результате распространения ра ковых клеток кровотоком. В процессе метастазирования, как правило, уже поздно что либо делать – человек обречен на мед ленную мучительную смерть.

Коварство клетки предательницы состоит в том, что для «сил безопасности» нашего организма, иммунной системы, эта клетка – своя, такая же, как и все остальные клетки. Вот почему организм, способный с помощью иммунитета успешно бороть ся с вторжением извне всевозможных бактерий и вирусов, часто оказывается беспомощным перед лицом “внутреннего врага”. Правда, в организме есть еще и “тайная полиция”, способная на ранних стадиях справиться с раковой клеткой. Это особые клет ки, T лимфоциты (их еще называют Т*киллерами). Однако ра ковая клетка умеет «обманывать» их, выделяя в окружающую среду особый токсин, нарушающий нормальную для Т килле ров кислотность (pH) и тем самым не подпуская их к себе.

Существует гипотеза, что раковые клетки периодически появляются в каждом организме, но если организм обладает

322