Нанобиотехнологии: становление, современное состояние и практическое значение

Бактерии с палладиевыми нанокристаллами ученые поместили в реактор для очистки сточных вод, где ядовитые соли хромовой кислоты превращаются в безвредные соединения хрома. «Естественный» катализатор в виде бактерий с палладиевыми нанокристаллами оказался чрезвычайно устойчивым. Он функционировал три месяца, тогда как стандартные промышленные устройства работают меньше недели. Исследователи предполагают, что такой способ очистки растворов и синтеза катализаторов может стать общепринятым для химических производств, но для этого понадобится примерно 10 лет.

Помимо палладия, бактерии оказались способными извлекать из растворов платину и другие металлы. Зная способ и место соединения металла и оболочки Bacllus sphaercus JG-A12, исследователи генетически настроили бактерии на получение наночастиц золота диаметром от 5 до 15 нм. Наночастицы золота применяют в медицине при терапии злокачественных опухолей и лечении токсоплазмоза. Ученые предполагают, что направленная доставка с помощью золотых наночастиц ДНК, антигенов и лекарств является одним из перспективных направлений в биомедицине.

С помощью бактерий исследователи научились получать наночастицы серебра и сплава золота с серебром. Это стало несомненным успехом, так как производить наночастицы в таком узком диапазоне размеров биологическими методами ранее никак не удавалось. Формируемые в бактериях наночастицы металлов представляют интерес для различных наноконструкций и технологических производств.

Получение магнитных наночастиц с помощью бактерий

Магнитными наночастицами называют наночастицы, имеющие постоянный или наведенный магнитный момент. Ученым долгое время не удавалось получать магнитные наночастицы одинакового размера и формы. В ходе исследований было обнаружено, что магниточувствительные бактерии (Magnetotactc bactera) при комнатной температуре синтезируют кристаллы магнетита одинаковой формы и близкие по размерам. Для этого у магниточувствительных бактерий есть специальные органеллы — магнетосомы. Обычно в клетке бактерии содержится от 15 до 20 кристаллов магнетита, которые помогают ей ориентироваться относительно геомагнитного поля.

Специальную технологию выращивания однородных кристаллов магнетита с помощью магниточувствительных бактерий разработали английские ученые из университета Лидса. Для этого бактериями покрывали участки золотой подложки. Затем ее помещали в раствор солей железа. При температуре +80 °C на покрытых бактериями участках образовывались однородные нанокристаллы магнетита.

В дальнейшем было выяснено, что размеры магнитных наночастиц зависят от условий культивирования бактерий. Изменяя эти условия, исследователи получали магнитные наночастицы нужного размера. Они накапливались в цитоплазме бактерий и легко выделялись из них.

В настоящее время синтезирован широкий спектр магнитных наночастиц на основе железа, кобальта, никеля, оксидов железа, ферритов. В биомедицине наиболее широкое применение получили частицы наноразмерного оксида железа. Это обусловлено их низкой токсичностью и стабильностью магнитных характеристик.

Магнитные наночастицы активно используются в биомедицинской диагностике n vtro. Благодаря своим малым размерам магнитные наночастицы связываются непосредственно с клеткой или биомолекулой. Это значительно увеличивает чувствительность анализа, и в исследуемом образце выявляется присутствие даже нескольких клеток или молекул.

Магнитные свойства наночастиц используются при разработке новых методов выделения и очистки нуклеиновых кислот и белков. На основе магнитных наночастиц создаются высокочувствительные биосенсоры. Они позволяют изучать межмолекулярные взаимодействия (белок–белковые, ДНК — ДНК и ферментативные).

Актуальной областью биомедицинского использования магнитных наночастиц стала разработка новых подходов к лечению онкологических заболеваний. Они основаны на том, что некоторые виды опухолевых клеток более чувствительны к высоким температурам, чем здоровые клетки.

Свойство индуктивного нагревания магнитных наночастиц при изменении внешнего магнитного поля позволят использовать их для гипертермического разрушения опухолевых клеток. При этом английские ученые обратили внимание на то, что выделенные из магнетосом бактерий магнитные наночастицы уничтожают раковые клетки более эффективно, чем синтетические наночастицы.

Магнитные наночастицы применяются в направленной доставке лекарств в химиотерапии опухолей. Это позволяет значительно снизить дозу лекарства, побочные эффекты и нивелировать его негативное воздействие на организм. При связывании противоопухолевого лекарства с магнитной наночастицей его можно направлять к органу или определенным клеткам.

Получение ферментов с помощью бактерий