Нанобиотехнологии: становление, современное состояние и практическое значение

Российские ученые из Института биоорганической химии РАН первыми разработали технологию автоматической сборки наночастиц с помощью молекул некоторых белков, выделенных из палочкообразных бактерий. Эти белки стали использовать в качестве «роботов» на сборочной линии наночастиц.

Собранные таким способом наночастицы представляют интерес для медицины и биотехнологий. К этим наночастицам можно присоединять молекулы лекарств, радиоактивные частицы для диагностики и лечения раковых заболеваний. В наночастицу можно вмонтировать радиоактивный изотоп, флуоресцентную частицу, лекарства, токсины.

Использование белковых наночастиц с антимикробными свойствами

Ученые сингапурского Института биоинженерии и нанотехнологий сконструировали и применили наночастицы с антимикробными свойствами вместо антибиотиков, к которым у микроорганизмов выработалась устойчивость.

Для решения этой проблемы использовали катионные белки. На основе молекул этих белков были созданы самособирающиеся белковые наночастицы. Они обладают антимикробным действием и способны заменять традиционные антибиотики. При этом белковые наночастицы действуют на множество микроорганизмов и уничтожают даже те, у которых выработалась устойчивость против большинства современных антибиотиков.

Испытания созданных наночастиц на некоторых устойчивых к антибиотикам микроорганизмах (бактерий, грибов и дрожжей) показали высокую активность и не обнаружили вредных побочных эффектов. Руководитель этого исследования И-Ян Янг отметил, что сконструированные «наночастицы с лёгкостью «пробивают» мембраны бактерий, дрожжей и грибов, дестабилизируют и убивают клетки». Под электронным микроскопом в мембранах погибших бактерий хорошо видны многочисленные поры, образованные наночастицами.

Лечебное действие этих наночастиц проверили на лабораторных животных. Подопытным мышам вводили в мозг минимальную летальную дозу золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Этот возбудитель вызывает острое воспаление мозга (менингит) и при отсутствии лечения в течение 48 ч приводит к 100 %‑ной гибели. Одновременное и повторное через сутки введение наночастиц с антимикробными свойствами позволило сохранить жизнь многим животным.

Положительный лечебный эффект использования белковых наночастиц с антимикробными свойствами во многом объясняется тем, что они легко преодолевают гематоэнцефалический барьер и борются с инфекцией уже «на местах». Это невозможно для обычных антибиотиков. Полученные результаты подтвердились при проверке на препаратах мозговой ткани подопытных кроликов. Таким образом, сконструированные учеными из Сингапура наночастицы — перспективное средство лечения различных инфекционных заболеваний.

По сравнению с антибиотиками белковые наночастицы с антимикробными свойствами обладают двумя преимуществами: проникают через клеточные и тканевые барьеры, «сооружаемые» организмом вокруг органов, в том числе и больных органов; не приводят к нежелательным побочным эффектам.

Применение нанобиосенсоров в диагностике и лечении заболеваний

На основе механизмов функционирования белков–переносчиков и белков–рецепторов ученые разработали нанобиосенсоры. Нанобиосенсор — это искусственное наноустройство, создаваемое на основе углеродной нанотрубки, в котором чувствительный слой содержит рецепторы (антитела, ферменты) и реагирует на присутствие определяемого компонента в биологическом материале.

Нанобиосенсор генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Высокочувствительные нанобиосенсоры позволяют выявлять специфические белки, вирусы или ДНК в органах, тканях, клетках и биологических жидкостях.

Нанобиосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из биохимического и физического преобразователей, находящихся в тесном контакте друге другом.

Биохимический преобразователь представлен сенсорным белком (белком–рецептором). Анализируемое вещество (тестируемая субстанция) взаимодействует с белком–рецептором. В результате пространственная структура белка–рецептора изменяется, что, в свою очередь, приводит к изменению в физическом преобразователе, который включает флуоресцентный белок. По интенсивности флуоресценции определяются наличие и количество искомого вещества в анализируемом веществе.

Нанобиосенсоры могут быть запрограммированы на обнаружение в биологических жидкостях (слюна, кровь) комплекса белков, являющихся индикаторами развития тех или иных заболеваний. Ученые предполагают, что нанобиосенсоры способны внести революционные изменения в медицинскую диагностику заболеваний.