БНТ экзамен. 1. Каковы причины развития бионанотехнологии. систем, которые исп-ся в бионанотехнологии.
реклама
БНТ экзамен. 1. Каковы причины развития бионанотехнологии. 2. Перечислите основные св-ва биологических систем, которые исп-ся в бионанотехнологии. 3. Как велико разнообразие используемых в технических устройствах биоэлементов. 4. Что является основой классификации биоэлементов по сфере применения. 5. Охарактеризуйте низкомолекулярные бионанообъекты. 6. Как неорганические молекулы участвуют в биологических процессах. 7. Сравните свойства бионанообъектов: аминокислоты, нуклеотиды, простые сахара, липиды. 8. Каким образом биологически активные вещества участвуют в бионанотехнологиях. 9. Является ли высомолекулярные соединения бионанообъектами. 10. Какие свойства комплексов ферментов и биологических макромолекул важны для бионанотехнологий. 11. Укажите особенности белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов как бионанообъектов. 12. Как сплайсосомы, протеосомы, рибосомы участвую в бионанотехнологиях. 13. Как бионанообъекты регулируют биологические процессы. 14. Основные бионанообъекты, используемые для бионанотехнологий. 15. Использование регуляторов биологических процессов в бионанотехнологии. 16. Основные биологические процессы, используемые в бионанотехнологии. 17. Назовите общие принципы созданий бионанотехнологий. 18. Примеры использования бионанопроцессов для создания новых продуктов. 19. Основы классификации бионаноустройств по типу физико-химического детектора. 20. Чем отличаются потенциометрический, амперометрический и кондуктометрический биосенсоры. 21. Какова специфика калориметрических, пьезоэлектрических и оптических биосенсоров. 22. Как классифицируются биосенсоры по конструктивному оформлению. 23. Чем отличаются мембранные биосенсоры, биосенсоры-ферментеры и биосенсорыиндикаторы. 24. Как создаются электрохимические биосенсоры на основе окислительновосстановительных ферментов. 25. Чем удобны бионаноустройства природного происхождения. 26. Приведите примеры биологических систем, используемых в качестве элементов бионаноустройств. 27. Назовите основные принципы бионаноустройств и их использование. 28. Каковы перспективы создания принципиально новых бионаноустройств. 29. Как создаются бионаноустройства из бионанообъектов и небиологических материалов. 30. Дайте характеристику наноустройств для количественной регистрации химических, физических и биологических агентов. 31. Основы классификации биосенсоров по типу биологического элемента. 32. Основные типы биоэлементов, используемых в биоприборах. 33. Могут ли ферменты, рецепторы, макромолекулярные комплексы, клеточные элементы быть биосенсорами. 34. Назовите пути стабилизации индивидуальных ферментов и ферментных систем. 35. Роль мембранных биореакторов нанотехнологии. Перечислите мембранные экспресс-тесты для медицинской диагностики. 36. Микрометоды изучения структуры, свойств и функции бионанообъектов. 37. Каковы принципы создания новых наноматериалов на основе биологических объектов. 38. Приведите примеры применения наноматериалов в бионанотехнологии. 39. Перечислите использование наноматериалов в различных отраслях. 40. Каковы области применения бионаноустройств. 41. Каковы сферы применения бионаноустройств в научных исследованиях, медицине, пищевой промышленности. 42. Как контролируются биотехнологические производства в экологической биотехнологии, сельском хозяйстве. 43. Примеры современных подходов инженерной реализации бионанотехнологических производств. 44. Примеры комплексных ферментных препаратов для интенсификации в пищевой промышленности. 45. Нанопроцессы в сорбции низкомолекулярных органических соединений нативными крахмалами. 46. Как конструируются рекомбинантные биокатализаторы. 47. Биологическая регенерация промышленных адсорбентов в процессах очистки сточных вод. 48. Примеры разработки и использования биофильтра для очистки газовоздушных выбросов. 49. Новые аспекты получения биоминеральных сорбентов. 50. Примеры микробных биосенсоров для обнаружения токсичных соединений в объектах окружающей среды. 51. Каковы свойства биологических систем лежащих в основе использования биоэлементов в бионанотехнологии. 52. Перечислите разнообразие используемых в технических устройствах биоэлементов. 53. Каковы основы классификации биоэлементов по сфере применения. 54. Проблемы интеллектуальной собственности в бионанотехнологических производствах. 55. Неорганические молекулы участники биологических процессов. 56. Почему биологически активные вещества служат основой построения биологических макромолекул для бионанотехнологий. 57. Каковы ключевые свойства ферментов, белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов как участников бионанотехнологий. 58. Основные бионанообъектов, используемые для бионанотехнологии. 59. Какие регуляторы используются в биологических процессах в бионанотехнологии. 60. Перечислите основные биологические процессы, используемые в бионанотехнологии. 1.Каковы причины развития бионанотехнологии. Бионанотехнологии сочетают в себе как биологические, так и нанотехнологические подходы к созданию новых систем, то есть биологию, химию, физику и материаловедение. Фактически бионанотехнологии означают попытку совместить биологические молекулы, системы живой клетки и созданные человеком наноструктуры – живое с неживым. Уникальность природы всегда вдохновляла и завораживала человека, искушала его повторить совершенство биологических структур и механизмов в искусственно создаваемых системах. Вот и сейчас популярность биологических подходов в нанотехнологиях вызвана стремлением создавать уникальные микромашины, осуществлять сборку сложных наноструктур из составных блоков, доставку и разделение наночастиц и компонентов смесей – все то, что уже миллионы лет реализуется в природных системах. Одна из наиболее острых проблем, стоящих перед человеком, – это проблема старения, решить которую безуспешно пытались на протяжении многих веков, изобретая эликсиры молодости и чудодейственные снадобья. Поэтому особое место в бионанотехнологиях занимают материалы для медицины- очередной шанс попытаться обмануть природу и продлить молодость. Интерес к применению наносистем в биологии и медицине объясняется несколькими причинами. Во-первых, их малые размеры позволяют беспрепятственно перемещаться внутри живых организмов даже по самым тонким капиллярам и проникать в клетки. Во-вторых, развитая поверхность дает возможность закреплять молекулы различных лекарственных веществ, создавая своеобразные нанокомпозиты «наночастица/ биологически активная оболочка». Такие нанокомпозиты способны направленно концентрироваться в требуемом месте организма, повышая локальную дозу препарата в тысячи раз, и обладают селективностью воздействия на тот или иной тип клеток. Поэтому создание лекарственных средств нового поколения опирается на специфические системы доставки, обеспечивающие направленное поступление лекарственных веществ исключительно в определенные органы. Бионанотехнологии легли в основу диагностики и контроля биосред на уровне отдельных молекул. 2. Перечислите основные свойства биологических систем, которые используются в бионанотехнологии. Объектами бионанотехнологии являются самые разнообразные биологические системы: микроорганизмы, клеточные линии насекомых, растений, и млекопитающих, вирусы насекомых, растений и млекопитающих, многоклеточные организмы(растения, мыши, домашние животные и.т.д.)- выбор системы зависит от целей эксперимента. Свойства биосистемы:1. Способность к обмену веществ. Все живые существа способны обмениваться веществами и энергией с окружающей средой. 2. Способность к размножению (самовоспроизведению). Все живые организмы могут размножаться, оставлять потомство. В основе этого качества животного лежит способность молекул ДНК к точному самовоспроизведению. 3. Способность к движению. Все живые существа могут двигаться, изменять своё положение в пространстве. Внутри всех живых клеток происходит движение цитоплазмы. 4. Способность к раздражимости. 5. Наследственность. 6. Изменчивость. Организмы не только сохраняют признаки своих предков, но и могут приобретать новые качества и признаки. Это свойство создаёт разнообразие признаков и свойств между особями любой степени родства. Характер биологической системы исключительно важен для биотехнологического процесса . Во многих случаях именно генетически модифицированная самовоспроизводящаяся биологическая единица-микроорганизм, вирус, растения или животные –являются конечным коммерческим продуктом. ДНК, РНК, белки и другие биомолекулы в природе участвуют в переносе заряда и имеют нанометровый размер. Молекула ДНК обладает важными для создания электронных устройств свойствами: самовоспроизводимостью, возможностью копирования и самосборки. Биологические молекулы могут обладать диэлектрическими, металлическими, полупроводниковыми и даже сверхпроводящими свойствами. На их основе могут быть созданы: нанотранзисторы, нанодиоды, логические элементы, наномоторы, нанобиочипы и другие приборы нанометрового масштаба. Процессы, в которые вовлекаются наноструктуры (наночастицы) получили название нанопроцессов. Самый главный нанопроцесс в живом организме – биосинтез белка. Транскрипция – процесс синтеза РНК с использованием комплементарной ей ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках; перенос генетической информации с ДНК на РНК. Первая стадия процесса биосинтеза белков. Трансляция – осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной РНК. Трансляция является финальной реакцией реализации генетической информации. Гибридизация ДНК - слияние двух отдельных цепейДНК от разных видов (организмов) в единую двухцепочечнуюмолекулу ДНК. Фолдинг - это процесс принятия молекулами определенной формы или конформации. Наиболее активно изучается фолдингбелков, которые образуют третичную структуру за счет специфической последовательности аминокислот, имеющих определенные химические свойства. Образование правильной трехмерной структуры белка крайне важно для его корректной работы, так как нарушения в свертывании приводят к образованию неактивной молекулы с новыми свойствами. Фолдинг также имеет большое значение при синтезе новых молекул или фолдамеров. Они могут служить моделями биологических молекул и потенциально могут быть использованы при разработке новых функциональных наноматериалов. 3. Как велико разнообразие используемых в технических устройствах биоэлементов. Биоэлемент это элементарная единица функционирования живой материи, кот яв-ся биоки активным комплексом хим-х элементов в виде атомов, ионов и наночастиц с ор-ми соед-ми экзогенного (первичные) или биогенного (вторичные) происхождения. Биоэлементы широко исп-ся при создании бионаноустройств. Их исп-е и определяет сферу применения самих биоэлементов. В качестве примера можно привести биосенсоры для выявления каких-либо в-в, присутствующих в окр. среде или организме человека. Сущ-т мед. сфера применения биосенсоров (антигены, антитела, ферменты и т.д.) и есть экологическая сфера применения (микроорганизмы для определения токсичности). Биосенсор может использовать биохимические реакции, опосредуемые выделенными ферментами, иммунными комплексами, тканями, органеллами или целыми клетками, для детектирования химических соединений, как правило, в виде электрических, термических или оптических сигналов. Микробные сенсоры состоят из иммобилизированных микроорганизмов и какого-либо электрохимического датчика и пригодны для непрерывного контроля биохимических процессов. Принцип работы микробных сенсоров - это ассимиляция орг-х соединений м/о-и, что регистрируется электрохим-м датчиком. Тканевые материалы растительного и животного происхождения успешно используют в качестве биокаталитических компонентов биосенсоров. Биокаталитические материалы этого класса создают естественное окружение для представляющего интерес фермента, в результате чего требуемая ферментативная активность заметно стабилизируется. Во многих случаях тканевые биосенсоры служат намного дольше, чем аналогичные бносенсоры с выделенными ферментами. Кроме того, тканевые материалы сохраняют достаточно высокую специфическую активность, необходимую для конструирования некоторых биосенсоров. тогда как выделенные ферменты в тех же условиях разрушаются. Тканевые биосенсоры появились позже ферментных и микробных биосенсоров. Во многих случаях в медицине возможно использование биоэлементов для поддержания жизнедеятельности органов и тканей вместо использования клеточных культур и тканей, так как не всегда сущ-т необходимость или возможность восстановления функции в-вом, органом, тканью, полностью идентичным живому (например, в трансплантологии, ортопедии, при лечении остеопороза, болезней кожи, волос и др.). Биоэлементы также применяются в молекулярной биологии, физиологии растений и животных, ветеринарии, почвоведении, агрохимии, фармации, пищевой промышленности. 4. Что является основой классификации биоэлементов по сфере применения. Биоэлемент это элементарная единица функционирования живой материи, кот яв-ся биоки активным комплексом хим-х элементов в виде атомов, ионов и наночастиц с ор-ми соед-ми экзогенного (первичные) или биогенного (вторичные) происхождения. Биоэлементы широко исп-ся при создании бионаноустройств. Их исп-е и определяет сферу применения самих биоэлементов. В качестве примера можно привести биосенсоры для выявления каких-либо в-в, присутствующих в окр. среде или организме человека. Сущ-т мед. сфера применения биосенсоров (антигены, антитела, ферменты и т.д.) и есть экологическая сфера применения (микроорганизмы для определения токсичности). Биосенсор может использовать биохимические реакции, опосредуемые выделенными ферментами, иммунными комплексами, тканями, органеллами или целыми клетками, для детектирования химических соединений, как правило, в виде электрических, термических или оптических сигналов. Микробные сенсоры состоят из иммобилизированных микроорганизмов и какого-либо электрохимического датчика и пригодны для непрерывного контроля биохимических процессов. Принцип работы микробных сенсоров - это ассимиляция орг-х соединений м/о-и, что регистрируется электрохим-м датчиком. Тканевые материалы растительного и животного происхождения успешно используют в качестве биокаталитических компонентов биосенсоров. Биокаталитические материалы этого класса создают естественное окружение для представляющего интерес фермента, в результате чего требуемая ферментативная активность заметно стабилизируется. Во многих случаях тканевые биосенсоры служат намного дольше, чем аналогичные бносенсоры с выделенными ферментами. Кроме того, тканевые материалы сохраняют достаточно высокую специфическую активность, необходимую для конструирования некоторых биосенсоров. тогда как выделенные ферменты в тех же условиях разрушаются. Тканевые биосенсоры появились позже ферментных и микробных биосенсоров. Во многих случаях в медицине возможно использование биоэлементов для поддержания жизнедеятельности органов и тканей вместо использования клеточных культур и тканей, так как не всегда сущ-т необходимость или возможность восстановления функции в-вом, органом, тканью, полностью идентичным живому (например, в трансплантологии, ортопедии, при лечении остеопороза, болезней кожи, волос и др.). Биоэлементы подразделяются на: биоэлементы - органогены О, С, Н, N, Макроэлементы Са, Mg, Р, S, K, Na, Cl, эссенциальные микроэлементы Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co, Cr, Se, I, токсичные микроэлементы Al, Pb, Ba, Bi, Cd, Hg, Tl, Be, Sb. Биоэлементы также применяются в молекулярной биологии, физиологии растений и животных, ветеринарии, почвоведении, агрохимии, фармации, пищевой промышленности. 5. Охарактеризуйте низкомолекулярные бионанообъекты. К низкомолекулярным бионанообъектам относятся органические молекулы состоящие из двух и более молекул и размером до 1 нанометра. Это молекулы из которых синтезируются аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, простые углеводы и низкомолекулярные вторичные соединения. Рассматриваются примеры структурной организации бионанообъектов и временные характеристики их синтеза и распада. К биологическим нанообъектам относятся молекулы белков, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и полисахаридов, формирующие внутриклеточный каркас (цитоскелет) и внеклеточный матрикс, мембранные каналы, рецепторы и переносчики, систему внутриклеточной сигнализации, молекулярные машины для синтеза, упаковки и утилизации белков и нуклеиновых кислот, производства энергии, внутриклеточного транспорта и движения клеток. Размер белковых молекул и надмолекулярных белковых комплексов колеблется от 1 нм до 1000 нм. Диаметр спирали ДНК составляет 2 нм, а ее длина может достигать нескольких сантиметров. Белковые комплексы, формирующие нити цитоскелета, имеют толщину 7-25 нм при длине до нескольких микрон. Белковые комплексы, образующие поры, достигают 120 нм в диаметре. Внеклеточные структуры также могут иметь наноразмерные характеристики. Так, экзосомы, везикулы, переносящие материал между клетками, имеют диаметр 65-100 нм, а частицы липопротеинов плазмы крови, транспортирующие липиды в организме, – 17-50 нм. Единственной наноразмерной формой существования живой материи являются вирусы. Их размеры находятся в диапазоне 25-300 нм. Биология и нанотехнологии имеют обширный "интерфейс". Как следует из вышеперечисленного, биологические системы состоят из наноразмерных строительных блоков и молекулярных машин. Их организация и принципы работы представляют непочатый край новых подходов и структур для нанотехнологий. Вместе с тем, нанотехнологии обеспечивают биологию инструментарием и технологиями для изучения организации живого на молекулярном уровне. Соразмерность биологических структур и искуственных наноматериалов, с одной стороны, может определять биологические и токсические свойства последних. С другой - биологические структуры используются для конструирования новых наноустройств. 6. Как неорганические молекулы участвуют в биологических процессах. Обмен в-в и практически все процессы в организме контрол-ся орган. и неорган. молекулами. Особую роль в регуляции биопроцессов играют неорг-е молекулы: Са, Nа, К и т.д. В качестве примера можно привести ионные каналы. ИК - это специализированные белки клеточной мембраны, образующие гидрофильный проход, по которому заряженные ионы могут пересекать клеточную мембрану по электрохимическому градиенту. Пути с «воротами», которые могут находиться в открытом или закрытом состоянии.Участвуют в облегченной диффузии. Облег.диффузией переносятся сахара, аминокислоты, нуклеотиды и др.полярные мол. Каналы обычно участвуют в переносе определённых ионов. Через ионные каналы проходят ионы Na+, K+, Cl− и Ca++. Изза открывания и закрывания ионных каналов меняется конц-я ионов по разные стороны мембраны и происходит сдвиг мембранного потенциала. Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются молекулярные системы открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. Ионные каналы могут иметь несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами. Также важную роль в жизнедеятельности клетки играют такие минеральные соли (помимо тех, что представлены выше), как соли магния и анионы соляной, угольной, фосфорной и некоторых других кислот. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия в 20— 30 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия внутри клетки, наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных градиентов концентраций осуществляются многие важные процессы жизнедеятельности, такие, как возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон. После гибели клетки конц-я катионов снаружи и внутри быстро выравнивается. Анионы слабых к-т участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса (рН) клетки. Анионы фосфорной кислоты необходимы для синтеза главной энергетической молекулы — АТФ, нуклеотидов и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Минеральные соли в живых организмах находятся не только в виде ионов, но и в твердом состоянии. Кости нашего скелета в основном состоят из фосфатов кальция и магния. Углерод способен образовывать стабильные, прочные ковалентные связи его атомы образуют стабильные цепи или кольца. Углеродные атомы образуют обычные ковалентные связи с атомами Н, N, О, Р, S. Также способен образовывать кратные связи; этим же свойством обладают кислород и фосфор. 7. Сравните свойства бионанообъектов: аминокислоты, нуклеотиды, простые сахара, липиды. Четыре основных типа молекулярных структур были отобраны миллиардами лет эволюции для формирования всех бионаноструктур всех биообъектов, существующих сегодня.Современные клетки практически для всех задач используют 1)белки; 2)нуклеиновые кислоты; 3)полисахариды; 4) липиды. Некоторые другие небольшие молекулы также специально синтезируются для определённых нужд, но постоянная, ежедневная жизнедеятельность клетки осуществляется именно этими четырьмя типами молекул. Конечно, в бионанотехнологии никто не требует оставаться в границах только этих четырёх типов молекул. Более того, логично использовать тысячи уже существующих и эффективно работающих бионаномашин в качестве исходного прототипа, изменяя который, мы можем создать наномашины для решения нашей частной нанотехнологической задачи. Белки. Белки наиболее многоцелевые объекты из четырёх основных типов биомолекул. Белки используются в создании наномашин, наноструктур и наносенсоров с различными функциями. Они организованы как линейная цепь аминокислот, которая свернута в определённую структуру . Аминокислоты состоят из центрального атома ауглерода с тремя боковыми группами: аминогруппа, карбоксильная кислотная группа, боковая группа (аминокислотный остаток). Двадцать стандартных (протенногенных) аминокислот, которые используются в биосинтезе белка, отличаются как химически, так и структурно. Комбинируя эти аминокислоты можно добиться как желаемой формы белковой глобулы, так и того, чтобы данная глобула была устойчивым образованием. Кроме того, необходимые для реализации той или иной биохимической реакции боковые группы могут быть размещены в необходимых местах белковой цепи. Аминокислоты глицин и пролин выполняют специфические структурные функции при "строительстве" белковой глобулы. Аминокислоты валин, лейцин и изолейцин являются неполярными алифатическими аминокислотами, боковые цепи которых насыщены углеводородными группами и различаются формой и размером Эти аминокислоты обеспечивают относительную жёсткость, негибкость полипептидной цепи и являются сильно гидрофобными. Аминокислотные остатки фенилаланина,триптофана и тирозина содержат ароматические группы.Аминокислотные остатки серина, треонина, гистидина, аспарагина и глутаминаучаствуют в образовании водородных связей. Эти аминокислоты, как правило, располагаются на поверхности белковой глобулы, где они взаимодействуют с окружающей водой.Аминокислоты проявляют свойства оснований за счет аминогруппы и свойства кислот за счет карбоксильной группы, т.е. являются амфотерными соединениями. Кроме того, возможно взаимодействие амино- и карбоксильной групп как внутри одной молекулы (внутримолекулярная реакция), так и принадлежащих разным молекулам (межмолекулярная реакция). Липиды.Важнейшей биологической функцией липидов является их способность формировать в водной среде липидный бислой – полупроницаемый барьер, разделяющей внутреннее содержимое клетки и внутриклеточных органелл от окружающей среды. Однако роль липидов этим не ограничивается. Липиды играют важную роль в поддержании структуры и функции мембранных белков, а также в передаче сигналов через мембрану и между клетками. Для изучения функций липидов широко используются искусственные модели биологических мембран: липосомы, мицеллы, бицеллы, липидные нанодиски. Образование данных модельных мембран основано на способности липидов и их синтетических аналогов самопроизвольно формировать в водной среде супрамолекулярныенаноструктуры, моделирующих свойства биологических мембран. В зависимости от способа получения, могут быть получены липосомы определенного химического состава и контролируемым размером с диаметром от 25 нанометров до нескольких микрометров. Моносахариды — простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов — обычно представляют собой бесцветные, легко растворимые в воде, плохо — в спирте и совсем нерастворимые в эфире, твёрдые прозрачные органические соединения, одна из основных групп углеводов, самая простая форма сахара. Водные растворы имеют нейтральную pH. Некоторые моносахариды обладают сладким вкусом. Моносахариды содержат карбонильную (альдегидную или кетонную) группу, поэтому их можно рассматривать как производные многоатомных спиртов. Моносахарид, у которого карбонильная группа расположена в конце цепи, представляет собой альдегид и называется альдоза. При любом другом положении карбонильной группы моносахарид является кетоном и называется кетоза. В зависимости от длины углеродной цепи (от трёх до десяти атомов) различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, г ептозы и так далее. Среди них наибольшее распространение в природе получили пентозы и гексозы. Моносахариды — стандартные блоки, из которых синтезируютсядисахариды, олигосахариды и пол исахариды. нуклеиновые кислоты — биополимеры, а их функция заключается в хранении, реализации и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах.Существует два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Мономерами в нуклеиновых кислотах служат нуклеотиды. Каждый из них содержит азотистое основание, пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза — в ДНК, рибоза — в РНК) и остаток фосфорной кислоты.Молекула ДНК может включать огромное количество нуклеотидов — от нескольких тысяч до сотен миллионов. В структурном отношении она представляет собой двойную спираль из полинуклеотидных цепей, соединенных с помощью водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов. Благодаря этому полинуклеотидные цепи прочно удерживаются одна возле другой.При исследовании различных ДНК было установлено, что аденин одной цепи может связываться лишь с тимином, а гуанин — только с цитозином другой. Следовательно, порядок расположения нуклеотидов в одной цепи строго соответствует порядку их расположения в другой. Этот феномен получил название комплементарности, а противоположные полинуклеотидные цепи называютсякомплементарными. Именно этим обусловлено уникальное среди всех неорганических и органических веществ свойство ДНК — способность к самовоспроизведению или удвоению. 8. Каким образом биологически активные вещества участвуют в бионанотехнологиях. БАВ - это соед-я, кот. вследствие своих физикохим св-в имеет определенную специфическую активность и выполняет или влияет, меняет каталитическую (ферменты, витамины, коферменты), энергетическую (углеводы, липиды), пластичную (углеводы, липиды, белки), регуляторную (гормоны, пептиды) или иную функцию в организме. Общая классификация: эндогенные и экзогенные. К эндогенным в-вам относят хим элементы (кислород, водород, калий, фосфор и др.), низкомолекулярные (глюкоза, АТФ, этанол, адреналин и др.). ВМС (ДНК, РНК, белки). Они входят в состав организма, участвуют в обменных процессах в-в и обладают выраженной биологической (физиологической) активность. Экзогенными считают БАВ, поступающих в организм различными путями. По действию на организм: биоинертными, кот. не усваиваются организмом (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, кремнийорганические полимеры, поликарбонат и др.), биосовместимые, кот. медленно растворяются или ферментируются в организме спирт, полиэтиленоксид, водорастворимые эфиры целлюлозы и др.), бионесумисни, кот. вызывают поражение ткани организма ( полиантрацены, некоторые полиамиды и многие др.), биоактивные направленного действия (винилин, полимеры в сочетании с лекарственными веществами). Биоинертными и биосовместимые в-ва широко исп-ся в производстве лекарств как вспомогательные в-ва, а также для получения тары, упаковочных и конструкционных материалов и др. БАВ служат основой построения био макромолекул, т.к. они обладают ценными св-ми: термолабильность, биологическая активность, влияние на них активаторов и ингибиторов, стерильность получения и др. Одним из важнейших свойств БАВ яв-ся их био активность. Она зависит от уровня рН среды, температуры и может теряться в процессе нагревания в результате повышения локальных значений температур, образования неравномерности потоков р-ра, перегрева пристенного слоя р-ра свыше температур термической стойкости и длительном времени обработки. Основными функциями БАВ яв-ся: клеточный обмен в-в в организме; превращения в-в; синтез необходимых в-в; катализации биореакций в организме. 19. Основы классификации бионаноустройств по типу физико-химического детектора. Бионаноустройство (биосенсор)– это интегральная система, которая способна воспринимать и преобразовывать специфичную количественную или полуколичественную аналитическую информацию с использованием биологического распознающего элемента (биохимического рецептора), находящегося в тесном контакте с преобразователем. Биосенсор отличается от любой биоаналитической системы прежде всего тем, что при его использовании в анализе нет необходимости в дополнительных процедурах, таких как добавление реагентов к анализируемой системе. Биосенсор является аналитическим устройством, содержащим биологический материал (ткани, клетки микроорганизмов, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, иммуноактивные компоненты, нуклеиновые кислоты и т.д.), находящийся в непосредственном контакте с физико-химическим преобразователем или преобразующей микросистемой, представленными оптическим, электрохимическим, термометрическим, пьезоэлектрическим или магнитометрическим устройствами. Как правило, преобразователь вырабатывает периодические либо непрерывные аналоговые/цифровые сигналы, которые пропорциональны концентрации одиночного вещества или группы анализируемых соединений. Т.о. биосенсор представляет собой комбинацию биологического компонента и инструментального средства измерения (физикохимического анализатора). Биосенсор состоит из следующих составных частей: Биорецептор основной, анализирующий элемент сенсора, содержащий биологический материал, реакция которого регистрируется преобразователем. Преобразователь, трансдуктор, электрод– физический сенсор (физико-химический преобразователь), регистрирующий изменение физико-химических свойств биоматериала, составляющего биорецептор. Блок регистрации и обработки данных – аналоговый или цифровой блок(и), производящий регистрацию сигналов преобразователя (биорецептора), его предварительную обработку (сглаживание, выделение сигнала из шума) и оценку основных параметров. Функциями этого блока является также построение калибровочной зависимости сенсора, вычисление концентрации анализируемого соединения и представление результатов измерения на индикаторном устройстве. По типу преобразователя биосенсоры можно разделить на основные группы: электрохимические, оптические, пьезоэлектрические и калориметрические. В свою очередь среди электрохимических биосенсоров выделяют: амперометрические, потенциометрические и кондуктометрические. А среди биосенсоров оптического типа выделяют: спектрофотометрические и флуоресцентные биосенсоры, биосенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса и на основе жидких кристаллов. Наиболее широко используемыми в настоящее время являются амперометрические биосенсоры. 9. Является ли высомолекулярные соединения бионанообъектами. Удивительно, но факт – всё живое на Земле, от бактерии до человека, состоит из одинаковых «строительных блоков» – стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных биологических элементов. Этот типовой набор представляет собой ничто иное, как элементную базу, или общий молекулярный биологический алфавит, который служит, как для кодирования информации, так и для построения и программирования молекулярных структур живой материи. В состав этого универсального набора входят различные системы биологических элементов: 1) восемь нуклеотидов, – «четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК» 2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул; 3) несколько жирных кислот, – сравнительно небольшое число стандартных органических молекул, служащих для построения липидов; 4) родоначальниками большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов) и т. д. Все эти химические буквы и символы были отобраны в процессе эволюции. Поэтому они обладают еще и уникальной природной способностью к выполнению различных – химических, энергетических, программных и других биологических функций. Эти мономеры, как правило, имеют диаметр от 0,5 до 0,7 нм. Поскольку диаметр молекулы типичного глобулярного белка, состоящего из 150 аминокислот, составляет всего 4 нм, совершенно очевидно, что аминокислотные остатки должны быть упакованы очень компактно, то есть полимерная молекула должна быть свернута. Как мы видим, живые системы имеют не только свою письменность, но и пользуются различными молекулярными языками и алфавитами. А основой каждой системы элементов являются свои индивидуальные биологические (биохимические) элементы (химические буквы и символы). На базе различных систем биологических элементов – молекулярных алфавитов, могут быть «сконструированы» разнообразные макромолекулы клетки – ДНК, РНК, белки, полисахариды, липиды и т. д. Поэтому элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить различные биологические молекулы и структуры, записывать в них информацию, а затем с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения. И ведь, действительно, – все биохимические элементы, входящие в состав различных биологических молекул, представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются биологические коды молекулярной информации. Следовательно, информация в живой молекулярной системе передаётся с помощью различных дискретных кодовых сигналов, которые сначала формируются в «линейных» молекулярных цепях, а затем и в трёхмерных структурах различных биологических молекул. 10. Какие свойства комплексов ферментов и биологических макромолекул важны для бионанотехнологий. Ферменты, или энзимы — обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества — продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназафосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу). Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (ак тиваторы — повышают, ингибиторы — понижают). Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК — в ядре. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах. Они играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма. Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов (КФ, EC — EnzymeComissioncode). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырёх чисел, разделённых точками. Например, пепсин имеет название ЕС 3.4.23.1. Первое число описывает механизм реакции, катализируемой ферментом: КФ 1: Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа. КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ. КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, лип опротеинлипаза. КФ 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов. КФ 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата. КФ 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счёт гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза. Иммобилизация белков (ферментов) – суть ограничение подвижности данных биомолекул. Иммобилизация биомолекул является одним из основных методов биотехнологии. Цели иммобилизации весьма разнообразны: это может быть перевод биокатализатора в гетерогенное состояние; стабилизация биокатализатора и/или придание новых функциональных или структурных свойств для более эффективного использования в биокаталитическом процессе. При иммобилизации ферменты из разряда гомогенных катализаторов переходят в разряд гетерогенных или микрогетерогенных. Другим, не менее важным аспектом, является придание белкам по средствам образования надмолекулярных структур требуемых физикохимических свойств (гидродинамические свойства, пространственная ориентация биомолекул, агрегатное состояние). Каковы основные преимущества применения методов иммобилизации (инкапсулирования) при разработке новых лекарственных форм? Адресная доставка. Первое и главное преимущество - включение лекарственных препаратов в наносистемы позволяет осуществлять адресную доставку лекарства. Это может реализоваться за счет целенаправленного подбора размеров наночастиц. Например, размер наночастиц может быть больше диаметра пор капилляров, тогда объем распределения наночастиц, содержащих лекарство ограничивается компартаментом введения. Например, при внутривенном введении наночастицыплохо проникают в здоровые органы и ткани, но хорошо проникают в очаги воспаления, т.к. вблизи очагов воспаления капилляры, снабжающие эти области кровью, сильно перфорированы. Этот процесс называется пассивное нацеливание. Пролонгированное действие лекарства. Важное преимущество наночастиц как лекарственной формы постепенное высвобождение лекарственного вещества, инкорпорированного в них, что увеличивает время его действия. Биосовместимые материалы для получения фермент-содержащих надмолекулярных систем, применяемых в биотехнологии и медицине.Среди основных требований предъявляемых к носителям предназначенным для применения в биологии и медицине отметим следующие: (1) возможность синтезировать требуемые системы в мягких условиях; (2) возможность контролировать свойства синтезируемых систем (структуры, размера, гидродинамических свойств, прочности); (3) возможность включения целевых биомолекул в мягких условиях; (4) возможность придавать системам желаемые функциональные свойства (например, флуоресцентные или магнитные) путем включения в микро- (нано)капсулы или на их поверхность соответствующих компонентов (например, квантовых точек); (5) биосовместимость и биодеградируемость материалов; (6) стабильность. Материалы, используемые в качестве носителей при иммобилизации биокатализаторов, чрезвычайно разнообразны. При получении ферментсодержащих надмолекулярных систем предназначенных для применения в биологии и медицине в качестве носителей наиболее пары природных полисахаридов, альгиновая кислота, каррагенан, пектин, хитозан; а также это могут быть белки, которые в силу своих амфотерных свойств в зависимости от рН могут являться как поликатионами, так и полианионами; для приготовления функциональных систем на основе липосом используются природные липиды – компоненты биомембран. Преимущество природных соединений перед синтетическими полимерами в том, что они биосовместимы, нетоксичны и биодеградируемы в физиологических условиях. Альгинаты, соли альгиновой кислоты, широко используется для получения микро- и нанокапсул многих биоактивных молекул, ферментов, вакцин, инсулина и цитокинов. 11. Укажите особенности белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов как бионанообъектов. Размеры большинства атомов лежат в интервале от 0.1 до 0.2 им.Наночастица (англ. nanoparticle) это изолированный твердофазный объект, имеющий отчетливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которого во всех трех измерениях составляют от 1 им до 100 им.Многие биообъекты можно классифицировать как наночастицы.Белки, характерные размеры которых лежат в диапазоне между 4 и 50 нм.находятся внизу нанометрового диапазона. Строительные блоки белков - 20 протеиногенных аминокислот, имеют размеры порядка 1 нм и также попадают в число бионанообъектов. Нуклеиновые кислоты, и. прежде всего. ДНК как носитель генетической информации, являются полимерами, состоящими из мономеровнуклеотидов. Молекула ДНК представляет собой двойную наноспиральдиаметром 2 нм и шагом 3,4 нм. на который приходится 10 пар нуклеиновых оснований. К биологическим нанообъектам относятся молекулы белков, нуклеиновых кислот(ДНК, РНК), полисахаридов и липидов, формирующие внутриклеточный каркас (цитоскелет) ивнеклеточный матрикс, мембранные каналы, рецепторы и переносчики, систему внутриклеточной сигнализации, молекулярные машины для синтеза, упаковки и утилизации белков и нуклеиновых кислот, производства энергии, внутриклеточного транспорта и движения клеток. Размер белковых молекул и надмолекулярных белковых комплексов колеблется от 1 до 1000 нм. Диаметр спирали ДНК составляет 2 нм, а ее длина может достигать нескольких сантиметров. Белковые комплексы, формирующие нити цитоскелета, имеют толщину 7–25 нм при длине до нескольких микрон. Белковые комплексы, образующие поры, достигают 120 нм в диаметре. Внеклеточные структуры также могут иметь наноразмерные характеристики. Так, экзосомы, везикулы, переносящие материал между клетками, имеют диаметр 65–100 нм, а частицы липопротеинов плазмы крови, транспортирующие липиды в организме, — 8–50 нм. Липосомы находят широкое применение в качестве наноносителей для ферментов и лекарственных препаратов, что обусловлено главным образом близостью свойств липидных носителей и природных биомембран. По своей природе входящие в состав биологических мембран липиды можно разделить на три класса: фосфолипиды, гликолипиды и нейтральные липиды, основным представителем которых является холестерин. Мицеллы представляют собой практически идеальную среду для выделения и проведения структурных исследований мембранных белков. Типичный диаметр мицелл равен 4-10 нм, гидрофобные углеводородные «хвосты» молекул мицелл изолированы от контактов с водой полярными «головами». Биология и нанотехнологии имеют обширный «интерфейс». Как следует из вышеперечисленного, биологические системы состоят из наноразмерных строительных блоков и молекулярных машин (моторов). Их организация и принципы работы представляют непочатый край новых подходов и структур для нанотехнологий. Вместе с тем, нанотехнологии обеспечивают биологию инструментарием и технологиями для изучения организации живого на молекулярном уровне. Соразмерность биологических структур и искуственныхнаноматериалов, с одной стороны, может определять биологические и токсические свойства последних. С другой — биологические структуры могут использоваться для конструирования новыхнаноустройств. 12. Как сплайсосомы, протеосомы, рибосомы участвуют в бионанотехнологиях. По молекулярным стандартамсплайсосома – большая биомашина, сделанная из пяти молекул РНК и 100 или более белковых субъединиц, которые шаг за шагом собираются в гигантский комплекс, когда сплайсосоме пора приступать к работе.Сплайсосому составляют пять малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП) и некоторое количество дополнительных белковых факторов. Содержащиеся в сплайсосомемяРНП называются U1, U2, U4, U5 и U6. Они участвуют во многих взаимодействиях между молекулами РНК, а также между РНК и белками. В общем случае сборка сплайсосомы происходит заново для каждой мРНК-предшественника. Немаловажная роль в этом принадлежит 5'-кэпу. Молекула пре-мРНК обязательно содержит специфические фрагменты последовательности, распознаваемые во время сборки сплайсосомы. Это 5'-конец, последовательность точки ветвления, полипиримидиновый участок и 3'конец. Материал, с которым работает сплайсосома – это генетический материал, заключенный в молекулах РНК. РНК содержит закодированные инструкции для производства белков, которые нужны организму для строительства и восстановления тканей, регуляции процессов метаболизма, а также большое количество участков, называемых интронами. Задача сплайсосомы состоит в том, чтобы распознать и вырезать интроны. Когда интроныудалены, сплайсосомы могут склеивать экзоны в различных сочетаниях. Благодаря такому перемешиванию и склеиванию экзонов относительно небольшое число генов (чуть больше 20000 в человеческом организме) создает огромное многообразие белков. Этот процесс называется сплайсингом.Альтернативный сплайсинг представляет собой процесс рекомбинации разныхэкзонов и считается основным источником генетического многообразия у эукариот. Благодаря наличию альтернативных форм сплайсинга геном человека и других организмов содержит относительно небольшое количество генов. У эукариот протеосомы присутствуют в цитозоле и ядрах, но не в других клеточных органеллах. Протеосомы выделяют в виде индивидуальных частиц с коэффициентами седиментации 20S и 26S. Структура протеосомы соответствует выполняемой функции. Каждая протеосома состоит из центрального цилиндрического кора (20S), сложенного из четырех колец, в каждом из которых по 7 белков. Два внешних кольца одинаковые и представлены ‘альфа’ субъединицами, внутренние кольца тоже одинаковые и состоят из ‘бета’ субъединиц. ‘Бета’ субъединицы обладают протеазной активностью. Расщепление белков происходит на внутренней стороне цилиндрического кора. Кор протеосомы на каждом конце связан с регуляторным белком (19S). Эти кэпирующие белки отвечают за распознавание белков, предназначенных для деградации. В процессе, требующем затраты энергии (АТФ), меченые белки теряют третичную структуру и направляются внутрь цилиндра. Там белки расщепляются на пептиды длиной 6-9 аминокислот и высвобождаются наружу. Эти пептиды могут затем использоваться заново. Кэпирующие 19S белки И 20S кор вместе составляют протеосому человека. Протеасомы участвуют в процессинге предшественников с образованием зрелых, активных белков. В частности, процессинг субъединицы p50 транскрипционного фактора NF-kB животных, сопровождающийся отщеплением и деградацией С-концевой части полипептида, происходит с помощью 26S протеасом. В процессе узнавания антигена T-клетками его разрушение до отдельных пептидов осуществляется с помощью протеасом . Рибосома — важнейший немембранный органоид живой клетки сферическ ой или слегка эллипсоидной формы, диаметром от 15—20нанометров (прокариоты) до 25— 30 нанометров (эукариоты), состоящий из большой и малой субъединиц. Рибосомы служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК, или мРНК. Этот процесс называется трансляцией. В процессе функционирования (т. е. синтеза белка) рибосомы осуществляет несколько функций: 1) специфическое связывание и удержание компонентов белоксинтезирующей системы [информационная, или матричная, РНК (иРНК): аминоацил-тРНК; пептидил-тРНК; гуанозинтрифосфат (ГТФ); белковые факторы трансляции EF - Т и EF - G]: 2) каталитические функции (образование пептидной связи, гидролиз ГТФ): 3) функции механического перемещения субстратов (иРНК, тРНК), или транслокации. Функции связывания (удержания) компонентов и катализа распределены между двумя рибосомнымисубчастицами. Малая рибосомнаясубчастица содержит участки для связывания иРНК и аминоацил-тРНК и, повидимому, не несёт каталитических функций. Большая субчастица содержит каталитический участок для синтеза пептидной связи, а также центр, участвующий в гидролизе ГТФ: кроме того, в процессе биосинтеза белка она удерживает на себе растущую цепь белка в виде пептидилтРНК. 13. Как бионанообъекты регулируют биологические процессы. Органические вещества, входящие в состав всех живых представлены в основном аминокислотами, углеводами,липидами и нуклеиновыми кислотами. Так как эти молекулы имеют важное значение для жизни, метаболические реакции сосредоточены на создании этих молекул при строительстве клеток и тканей или разрушении их с целью использования в качестве источника энергии. Многие важные биохимические реакции объединяются вместе для синтеза ДНК и белков.Углеводы– это органические вещества, к ним относятся моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды – это простейшие углеводы. В их состав входят углерод, водород и кислород в соотношении 1:2:1. Играют роль промежуточных продуктов реакций, входят в состав нуклеотидов и их производных и некоторых коферментов, служат основными источниками энергии при дыхании, служат исходными веществами для синтеза аминокислот, сложных углеводов и др. ве-в. Олигосахариды –состоят из остатков 2...10 молекул связанных гликозидными связями. Относятся дисахариды. Дисахариды служат источниками энергии в клетках. Полисахариды – состоят из остатков множества моносахаридов (тысячи и десятки тысяч), связанных гликозидными связями. К полисахаридам–гомополимерам относятся: крахмал, гликоген, целлюлоза. Полисахариды запасают (гликоген у грибов и животных, крахмал у растений) и имеют структурные или опорно-защитные функции (целлюлоза, муреин, мукополисахариды). Липиды – это сборная группа органических веществ, которые плохо растворимы в воде, но хорошо растворимы в органических (неполярных) растворителях. В молекулах липидов имеются неполярные (углеводородные) и полярные (–СООН, –ОН, – NH2) участки. К липидам относятся триглицериды, фосфолипиды, стероиды, терпены, воски и некоторые другие вещества. Липид обладают следующими функциями: структурные основа клеточных мембран, запасающие, регуляторные (многие гормоны), защитные, энерготрансформирующие, информационносигнальные. Нуклеотиды – это органические вещества, молекулы которых состоят из остатка пентозы (рибозы или дезоксирибозы), к которому ковалентно присоединены остаток фосфорной кислоты и азотистое основание. Свободные нуклеотиды и сходные с ними вещества играют важную роль в обмене веществ. Например, НАД и НАДФ служат переносчиками электронов и протонов. Особенность названных соединений в том, что в окисленной форме они несут единичный положительный заряд, а в ходе восстановления они присоединяют два электрона и один протон. Свободные нуклеотиды способны присоединять еще 1...2 остатка фосфорной кислоты, образуя макроэргические соединения. Универсальным источником энергии в клетке является АТФ – состоящая из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной (пирофосфорной) кислоты. Нуклеотиды способны образовывать циклические формы, например, цАМФ, цЦМФ, цГМФ. Циклические нуклеотиды выполняют роль регуляторов различных физиологических процессов. Нуклеиновые кислоты – это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, связанные фосфодиэфирными связями. Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение, воспроизведение и реализацию генетической (наследственной) информации. ДНК – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. ДНК является первичным носителем наследственной информации. В эукариотических клетках ДНК существует в виде нуклеопротеиновых комплексов, в состав которых входят белкигистоны. Репликация (самоудвоение) ДНК – это один из важнейших биологических процессов, обеспечивающих воспроизведение генетической информации. В результате репликации одной молекулы ДНК образуется две новые молекулы, которые являются точной копией исходной молекулы – матрицы. Каждая новая молекула состоит из двух цепей – одной из родительских и одной из сестринских. Такой механизм репликации ДНК называется полуконсервативным. РНК – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются рибонуклеотиды. В пределах одной молекулы РНК имеется несколько участков, которые комплементарны друг другу. Между такими комплементарными участками образуются водородные связи. В результате в одной молекуле РНК чередуются двуспиральные и односпиральные структуры, и общая конформация молекулы напоминает клеверный лист на черешке. Белки (протеины, полипептиды) – это линейные гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты, связанные между собой пептидными связями. Некоторые белки являются ферментами и катализируют химические реакции. Другие белки выполняют структурную или механическую функцию (например, образуют цитоскелет).[6] Белки также играют важную роль в передаче сигнала в клетках, иммунных реакциях, агрегации клеток, активном транспорте через мембраны и регуляции клеточного цикла. Ферменты, или энзимы – это биологические катализаторы. Ферменты снижают энергию активации в биохимических реакциях. Это приводит к тому, что скорость реакций возрастает в миллионы раз. Более того, многие реакции вообще не могут протекать без ферментов. Если реакции обратимы, то ферменты (как и все катализаторы) катализируют как прямую, так и обратную реакции. После завершения реакции ферменты возвращаются в исходное состояние. 14. Основные бионанообъекты, используемые для бионанотехнологий. Нанообъекты, биологические - наноразмерные биологические объекты— компоненты живых систем, имеющие линейные размеры 1–100 нм по крайней мере в одном измерении. К биологическим нанообъектам относятся молекулы белков, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и полисахаридов, формирующие внутриклеточный каркас (цитоскелет) ивнеклеточный матрикс, мембранные каналы, рецепторы и переносчики, систему внутриклеточной сигнализации, молекулярные машины для синтеза, упаковки и утилизации белков и нуклеиновых кислот, производства энергии, внутриклеточного транспорта и движения клеток, ферменты, антитела, антигены и др. Размер белковых молекул и надмолекулярных белковых комплексов колеблется от 1 до 1000 нм. Диаметр спирали ДНК составляет 2 нм, а ее длина может достигать нескольких сантиметров. Белковые комплексы, формирующие нити цитоскелета, имеют толщину 7–25 нм при длине до нескольких микрон. Белковые комплексы, образующие поры, достигают 120 нм в диаметре. Внеклеточные структуры также могут иметь наноразмерные характеристики. Так, экзосомы, везикулы, переносящие материал между клетками, имеют диаметр 65–100 нм, а частицы липопротеинов плазмы крови, транспортирующие липиды в организме, — 8–50 нм (см. рис.). Единственной наноразмерной формой существования живой материи являются вирусы. Их размеры находятся в диапазоне 25–300 нм. Биология и нанотехнологии имеют обширный «интерфейс». Как следует из вышеперечисленного, биологические системы состоят из наноразмерных строительных блоков и молекулярных машин (моторов). Их организация и принципы работы представляют непочатый край новых подходов и структур для нанотехнологий. Вместе с тем, нанотехнологии обеспечивают биологию инструментарием и технологиями для изучения организации живого на молекулярном уровне. Соразмерность биологических структур и искуственныхнаноматериалов, с одной стороны, может определять биологические и токсические свойства последних. С другой — биологические структуры могут использоваться для конструирования новыхнаноустройств. Липопротеины плазмы крови — это один из примеров нанообъектов. Хиломикроны — 1 мкм, ЛПОНП — липопротеины очень низкой плотности — 30–50 нм, ЛППП — липопротеины промежуточной плотности — 40 нм, ЛПНП — липопротеины низкой плотности — 17–25 нм, ЛПВП — липопротеины высокой плотности — 8–12 нм. ДНК, РНК, белки и другие биомолекулы в природе участвуют в переносе заряда и имеют нанометровый размер. Молекула ДНК обладает важными для создания электронных устройств свойствами: самовоспроизводимостью, возможностью копирования и самосборки. Биологические молекулы могут обладать диэлектрическими, металлическими, полупроводниковыми и даже сверхпроводящими свойствами. Принципиальная особенность нанообъектов: Наноразмерность; Особенные свойства; Появилась возможность манипулировать наноразмерными объектами и в перспективе, на молекулярном уровне; Они способны легко преодолевать биологические барьеры организма человека, изменять физиологические и биохимические механизмы и вызывать различные патологии; Высокая биодеградируемость. Главная опасность нанообъектовобусловлена тем, что они могут проникать в организм человека всеми доступными маршрутами: через дыхательные органы (адсорбируясь на огромной поверхности легких, легко всасываться в кровь, минуя печень как очистительный барьер); через органы пищеварения; через кожу (в особенности поврежденную). 15. Использование регуляторов биологических процессов в бионанотехнологии. Регуляторными молекуламибиопроцессов являются гормоны, ферменты, медиаторы, разнообразные биологически активные вещества. Ферменты — это белки, обладающие специфическими каталитическими свойствами, то есть каждый фермент катализирует одну или несколько сходных реакций. Ферменты катализируют реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм), в том числе репликацию и репарацию ДНК и матричный синтез РНК. Гормоны — биологически активные вещества органической природы, вырабатывающиеся в специализированных клетках желёз внутренней секреции, поступающие в кровь и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции. Гормоны служат гуморальными регуляторами определённых процессов в различных органах и системах. Медиатор — 1) мультибелковый комплекс, необходимый для транскрипции генов эукариот РНК-полимеразой II. Термин «М.» предложен И. Келлихером с соавт. в 1990 г. 2) сигнальное вещество, синтезирующееся в отличие от гормонов не специализированными клетками желез внутренней секреции, а различными другими типами клеток. После секреции М. оказывает гормоноподобное действие на окружающие ткани. К наиболее важным М. относятся гистамин и простагландины. Примером регуляторов в биологических системах может стать инактивациянаноматериалов как токсикантов. Первый фермент в мультиферментных системах биотрасформации является обычно регулятором. Поскольку аллостерические ферменты часто участвуют в регулировании (регуляторные ферменты), роль сигнала управления (α) играет эффектор (положительный – активатор, отрицательный – ингибитор). Природные пептидные биорегуляторы — комплексы из пептидов, аминокислот, витаминов и микроэлементов, регулирующих процессы метаболизма. Способствуют: Восстановлению нарушенных функций органов и тканей; Регуляции активности генов: короткие пептиды связываются со строго определенными участками соответствующих генов, инициируя раскручивание молекулы ДНК и считывание с нее информации; Делению клетки без атипии. 16. Основные биологические процессы, используемые в бионанотехнологии. Процессы, в которые вовлекаются наноструктуры (наночастицы) получили название нанопроцессов. Самый главный нанопроцесс в живом организме – биосинтез белка. Транскрипция – процесс синтеза РНК с использованием комплементарной ей ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках; перенос генетической информации с ДНК на РНК. Первая стадия процесса биосинтеза белков. Трансляция – осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной РНК. Трансляция является финальной реакцией реализации генетической информации. Репликация ДНК — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Гибридизация ДНК - слияние двух отдельных цепейДНК от разных видов (организмов) в единую двухцепочечнуюмолекулу ДНК. При комплементарностивсех нуклеотидов обеих цепей (полнойкомплементарности) слияние происходит легко и быстро. В случае неполнойкомплементарности слияние цепейв единую двухцепочечную молекулу (дуплекс) замедляется. На основанииоценки скорости этого слияния делают вывод о степеникомплементарностиисходных цепей.Описанным методом можносформировать дуплексы типа≪ДНК-ДНК≫, так и соединения типа≪ДНК-РНК≫, в результате которых образуются рекомбинантные ДНК. Фолдинг - это процесс принятия молекулами определенной формы или конформации. Наиболее активно изучается фолдингбелков, которые образуют третичную структуру за счет специфической последовательности аминокислот, имеющих определенные химические свойства. При взаимодействии аминокислот друг с другом и клеточным окружением получается хорошо определённая трёхмерная структура — конформация. В результате на внешней поверхности белковой глобулы формируются полости активных центров, а также места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и с биологическими мембранами. Форма молекулы белка обуславливает его функции и может быть использована для разработки лекарственных средств, влияющих на различные процессы в организме. В некоторых случаях возможно существование двух правильных конформаций белка (конформеров), выполняющих различные функции, и имеющих примерно равные по энергии состояния в разных областях фазового пространства белковой молекулы. Образование правильной трехмерной структуры белка крайне важно для его корректной работы, так как нарушения в свертывании приводят к образованию неактивной молекулы с новыми свойствами. Фолдинг также имеет большое значение при синтезе новых молекул или фолдамеров. Они могут служить моделями биологических молекул и потенциально могут быть использованы при разработке новых функциональных наноматериалов. 17. Назовите общие принципы созданий бионанотехнологий. Нанобиотехнологии – междисциплинарная область, являющаяся по оценкам экспертов современным лидером по перспективности и темпам развития. К практическим применениям нанобиотехнологии относятся: • увеличение скорости и точности диагностики заболеваний; • создание наноструктур для доставки функциональных молекул в клетки-мишени; • повышение специфичности и скорости доставки лекарств; • миниатюризация биосенсоров путем объединения биологического и электронного компонентов в один мельчайший прибор; • способствование развитию экологически чистыхпроизводственных процессов. Принцип «снизу–вверх».• Нанотехнологии типа «снизу–вверх» (англ. «bottom–up» nanotechnology) — технология получения наноструктурированных материалов, в которой реализуется образование наночастиц из атомов и молекул, т. е. достигается укрупнение исходных элементов структуры до частиц нанометрового размера. • К технологиям этого типа относятся такие методы, применяемые для получения изолированных наночастиц, нанопорошков и компактных наноматериалов, как газофазный синтез с последующей конденсацией паров; плазмохимический синтез; осаждение из коллоидных растворов; химическое и физическое осаждение пленок и покрытий из газовой фазы (CVD и PVD), плазмы или жидких растворов на подложку; электроосаждение пленок и покрытий; термическое разложение (пиролиз); детонационный синтез. Принцип «сверху–вниз». • Нанотехнологии типа «сверху– вниз» (англ. «top–down» nanotechnology) — технология получения наноструктурированных материалов, в которой нанометровый размер частиц достигается с помощью измельчения более крупных частиц, порошков или зерен твердого тела. • К технологиям этого типа относятся, например, методы, применяемые для получения компактных наноматериалов и нанопорошков из объемных заготовок: кристаллизация аморфных сплавов; интенсивная пластическая деформация; электрохимическое травление; упорядочение твердых растворов и нестехиометрических соединений. Одно из основных стратегических направлений в конструировании наноматериалов и наноустройств состоит в использовании принципов самосборки и молекулярного узнавания биологических макромолекул. Самосборка. 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, 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. Т.е. натуральным способом получения нанообъектов могут быть самосборка и самоорганизация. 18. Примеры использования бионанопроцессов для создания новых продуктов. Процессы, в которые вовлекаются наноструктуры (наночастицы) получили название нанопроцессов. Самый главный нанопроцесс в живом организме – биосинтез белка. Транскрипция – процесс синтеза РНК с использованием комплементарной ей ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках; перенос генетической информации с ДНК на РНК. Первая стадия процесса биосинтеза белков. Трансляция – осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной РНК. Трансляция является финальной реакцией реализации генетической информации. Гибридизация ДНК слияние двух отдельных цепейДНК от разных видов (организмов) в единую двухцепочечнуюмолекулу ДНК (ДНК-нанотехнологии используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.) Фолдинг - это процесс принятия молекулами определенной формы или конформации. Наиболее активно изучается фолдингбелков, которые образуют третичную структуру за счет специфической последовательности аминокислот, имеющих определенные химические свойства. Образование правильной трехмерной структуры белка крайне важно для его корректной работы, так как нарушения в свертывании приводят к образованию неактивной молекулы с новыми свойствами (промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис-пептиды). Фолдинг также имеет большое значение при синтезе новых молекул или фолдамеров. Они могут служить моделями биологических молекул и потенциально могут быть использованы при разработке новых функциональных наноматериалов. Примеры использования. Особенности метаболизма клеток позволяют создавать биосенсоры как на индивидуальные молекулы, так и на классы соединений. Для создания клеточных биосенсоров, как и в случае ферментных, используются различные трансдьюсеры (амперометрические, потенциометрические, кондуктометрические, оптические и другие). Одно из достижений биотехнологии и биоинженерии – разработка методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы – лежит в основе создания биосенсоров на основе клеток. Ферментативный катализ обеспечивает биоселектирующими возможностями основную массу современных биосенсоров. Сопряжение ферментативнокаталитических и электрохимических реакций, происходящих на электропроводящих материалах, погруженных в раствор электролита, позволило разработать много биосенсоров для определения глюкозы, аминокислот, молочного сахара, пирувата, мочевины и других метаболитов. Биологические процессы также способствовали изобретению комбинированных наночастиц, поверхность которых покрыта биологическими лигандами, т.е. молекулами, специфически распознающими определенные мишени в организме, например, поверхность раковых клеток. Внутренняя часть наночастицы составлена биологически инертным полимером, который связывает действующее вещество, например, доцетаксел, который традиционно используют для химиотерапии рака. Такие частицы могут долгое время циркулировать в крови и задерживаются, а значит, скапливаются, только вокруг клеток опухоли. В результате, концентрация токсичного вещества в опухоли может увеличиваться в десять тысяч раз по сравнению с традиционными методами химиотерапии. На основе этой технологии, в частности, созданы препараты для лечения опухолей мозга, которые с трудом поддаются традиционным методам лечения. Похожий механизм действия у частиц наноалмазов, которые адсорбируют цитотоксический препарат и накапливаются в тканях опухоли, создавая там повышенную концентрацию действующего агента. 20. Чем отличаются потенциометрический, амперометрический и кондуктометрический биосенсоры. Биосенсор является аналитическим устройством, содержащим биологический материал (ткани, клетки микроорганизмов, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, иммуноактивные компоненты, нуклеиновые кислоты и т.д.), находящийся в непосредственном контакте с физико-химическим преобразователем или преобразующей микросистемой, представленными оптическим, электрохимическим, термометрическим, пьезоэлектрическим или магнитометрическим устройствами. По типу преобразователя биосенсоры можно разделить на основные группы: электрохимические, оптические, пьезоэлектрические и калориметрические. В свою очередь среди электрохимических биосенсоров выделяют: амперометрические, потенциометрические и кондуктометрические. Наибольшей популярностью на сегодняшний день пользуются амперометрические датчики. Особенно когда дело касается биологических сред, где с их помощью можно определить мизерные концентрации субстрата — до 10– 15 Моль/л. Причем довольно быстро, поскольку отклик сенсора не зависит от массопереноса электроактивных частиц к поверхности электрода, который, кстати говоря, ухудшает селективность электрода и усложняет его стандартизацию. Сам же амперометрический метод детекции основан на измерении электрического тока, генерируемого при окислении (или восстановлении) электроактивных частиц на поверхности рабочего электрода при постоянном потенциале. К примеру, глюкосенсор на основе платинового электрода Кларка фиксирует ток восстановления кислорода, уменьшение которого пропорционально концентрации глюкозы в анализируемой крови. При изменении полярности включения кислородного электрода в глюкозном биосенсоре, электрод становится совершенно нечувствительным к кислороду. Зато начинает откликаться на присутствие пероксида водорода — продукта ферментативной реакции, что позволяет и такой трансформированный электрод использовать для определения той же глюкозы. (К слову, аналогичным способом можно определять и другие субстраты — лактаты, Lаминокислоты, салицилаты, оксалаты и пируваты.). Амперометрические преобразователи пригодны и для решения обратной задачи — оценки активности фермента по величине измеряемого тока при некоторой определенной концентрации субстрата. Впрочем, в равной мере это относится и к потенциометрическим датчикам, действие которых основано на измерении разности потенциалов при постоянном (как правило, нулевом) токе между активным электродом и электродом сравнения. Подобные биосенсоры нашли применение в медицине. В частности, в кардиологии, где информация об активности аспартаминотрансферазы и креатинкиназы позволяет оценить глубину инфаркта в клинических условиях. Кондуктометрические преобразователи регистрируют изменение проводимости раствора в биоселективной мембране и тем самым позволяют наблюдать за ходом биохимических реакций, в том числе ферментативных. 21. Какова специфика калориметрических, пьезоэлектрических и оптических биосенсоров. Бионаноустройство (биосенсор)– это интегральная система, которая способна воспринимать и преобразовывать специфичную количественную или полуколичественную аналитическую информацию с использованием биологического распознающего элемента (биохимического рецептора), находящегося в тесном контакте с преобразователем. По типу преобразователя биосенсоры можно разделить на основные группы: электрохимические, оптические, пьезоэлектрические и калориметрические. Значительная часть оптических биосенсоров основаны на явлении поверхностного плазмонного резонанса и используют свойство золотых и других материалов, а именно то, что тонкий слой золота, нанесенный на имеющую высокий коэффициент преломления стеклянную поверхность может абсорбировать лазерный свет, создавая электронные волны (поверхностные плазмоны) на золотой поверхности. Это происходит только при определенном угле падения и длине волны падающего света и в такой степени зависит от поверхности золотого слоя, что присоединение аналита к биологическому рецептору на поверхности этого слоя генерирует заметный сигнал. Сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса представляют собой сенсорный чип, который состоит из пластиковой кассеты, несущей стеклянную тарелку, одна сторона которой покрыта микроскопическим слоем золота. Эта сторона взаимодействует с оптической распознающей аппаратурой прибора. Противоположная сторона тарелки соединяется с жидкостной проточной системой. Растворенные в жидкости реагенты могут непосредственно контактировать с поверхностью тарелки. Эта сторона стеклянного сенсорного чипа может быть различными путями модифицирована, позволяя легко присоединять интересующие молекулы. Обычно она покрыта карбоксиметилдекстраном или подобным веществом. Свет с фиксированной длиной волны отражается от покрытой золотом стороны чипа под углом полного внутреннего отражения, и детектируется внутри прибора. Этот свет индуцирует исчезающую волну, которая проникает сквозь стеклянную тарелку в раствор вблизи её поверхности. Коэффициент преломления проточной стороны сенсорного чипа прямо влияет на поведение света, отраженного от покрытой золотом стороны. Связывание веществ с поверхностью проточной стороны чипа влияет на коэффициент преломления, что можно зарегистрировать оптической аппаратурой; таким образом биологические взаимодействия могут быть измерены с высоким уровнем чувствительности. Под пьезоэлектричеством понимают явление, связанное стгенерацией электрических диполей в природных и синтетических анизотропных кристаллах, которые подвергаются механическому напряжению. В пьезоэлектрических сенсорах используются кристаллы, которые эластически деформируются при воздействии на них электрического потенциала. Переменный потенциал при определённой частоте вызывает стоячую волну в кристалле. Эта частота в значительной степени зависит от эластичных свойств кристалла, поэтому, если кристалл покрыт биологическим распознающим элементом, присоединение большого количества аналита к рецептору приведет к изменению резонансной частоты, что и служит сигналом о связывании. В материалах обнаруживается и обратный эффект, связанный с изменением их размеров под влиянием электрического поля. Многие химические и ферментативные реакции сопровождаются значительным выделением тепла, обычно в диапазоне 25 – 100 кДж/моль. Поэтому калориметрические методы имеют большие возможности для контроля таких процессов. При этом недостаток специфичности калориметрических методов можно компенсировать специфичностью иммобилизованных биокатализаторов. В связи с этим калориметрические сенсоры (термисторы) находят наиболее частое применение в сочетании с биокатализаторами (ферментами, антителами). Определения аскорбиновой кислоты, аденозинтрифосфата, холестерина, креатинина, глюкозы, триглицеридов и других веществ в пищевой и клинической химии часто проводят с использованием иммобилизованных ферментов (аскорбатоксидаза, холестериноксидаза, уреаза). 22. Как классифицируются биосенсоры по конструктивному оформлению. Под биосенсорами понимают аналитические устройства, использующие биологические материалы для "узнавания" определенных молекул и выдающие информацию об их присутствии и количестве в виде электрического сигнала сенсор включает в себя датчик, находящийся в контакте с преобразователем (трансдьюсером). Датчик "распознает" в сложной смеси веществ определенное соединение (соединения). Это отражается на появлении (изменении) в ЧС какого-либо свойства, например, изменении рН. Это свойство регистрируется преобразователем. Сигнал преобразователя фиксируется электронной системой регистрации сигнала, обрабатывается микропроцессором (ЭВМ) и, как правило, выдается в виде цифровой и графической информации о составе анализируемой смеси. Классификация биосенсоров по конструктивному оформлению: мембранные биосенсоры, биосенсоры-ферментеры, биосенсоры-индикаторы. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т. д. Т.о. все биосенсоры - индикаторы (определяют наличия сахаров в крови, токсичных веществ в окр.среде и т.д.). Сенсор мембранный - чувствительный элемент аналит-го устройства с полупроницаемой мембраной для повышения избирательности. В биосенсорах полупроницаемая мембрана - для механического удержания биослоя. различные мембраны — пленки используют для улучшения селективности биосенсоров и устранения помех от посторонних примесей, т.к. они предотвращают попадание примесей на электродпреобразователь. При этом внутр. мембрана выполняет ф-ю защиты от примесей, а внешняя пропускает субстрат в биослой. Интерес представляют биосенсоры на основе иммобилизованных на мембране микроорг-в, служащих элементом микробного сенсора. (напрр: сенсор на аммиак (в сточных водах) на основе иммобилизованных нитрифицирующих бактерий, полезен при решении вопросов охраны окр. среды). Ферментный биосенсор – устройство, в котором биологический элемент распознавания (биослой) представлен ферментами. Ферменты — это биол.катализаторы, обладающие способностью избирательно катализ-ть многие хим-е превращения как в живой клетке, так и вне организма. При конструировании биосенсора увеличение продолжительности дей-я фермента становится осн. Задачей, т.к. нативный фермент сохраняет свои св-ва - в течение короткого времени. Решение проблемы - иммобилизация фермента. Характер фермент-й реакции зависит от природы фермента, типа его каталит. действия. Среди ферментов выделяют оксидоредуктазы, осущ-е реакции окисления и восстановления, гидролазы, катализ-е гидролиз, трансферазы, вызывающие перенос ацильных, гликозидных и т.п. остатков и т.д. Ферментные сенсоры - сторого специфичныи поэтому их создание на сегодняшний момент наиболее популярно. Принцип работы мембранного ферментного биосенсора прост. Определяемое вещ-во диффундирует ч/з полупроницаемую мембрану в тонкий слой биокатализатора, в кот-м и протекает ферментативная реакция. Поскольку в данном случае продукт фермент-й реакции опред-ся с помощью электрода, на поверхности кот-го закреплен фермент, то такое устройство еще называют ферментным электродом. 23 Чем отличаются мембранные биосенсоры, биосенсоры-ферментеры и биосенсорыиндикаторы. Биосенсор устройство, в котором чувствительный слой, содержащий биологический материал: ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК, непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, — биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь это свойство фиксирует с помощью специальной аппаратуры. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т. д. Т.о. все биосенсоры индикаторы (определяют наличия сахаров в крови, токсичных веществ в окр.среде и т.д.). Сенсор мембранный - чувствительный элемент аналит-го устройства с полупроницаемой мембраной для повышения избирательности. В биосенсорах полупроницаемая мембрана - для механического удержания биослоя. различные мембраны — пленки используют для улучшения селективности биосенсоров и устранения помех от посторонних примесей, т.к. они предотвращают попадание примесей на электродпреобразователь. При этом внутр. мембрана выполняет ф-ю защиты от примесей, а внешняя пропускает субстрат в биослой. Интерес представляют биосенсоры на основе иммобилизованных на мембране микроорг-в, служащих элементом микробного сенсора. (напрр: сенсор на аммиак (в сточных водах) на основе иммобилизованных нитрифицирующих бактерий, полезен при решении вопросов охраны окр. среды). Ферментный биосенсор – устройство, в котором биологический элемент распознавания (биослой) представлен ферментами. Ферменты — это биол.катализаторы, обладающие способностью избирательно катализ-ть многие хим-е превращения как в живой клетке, так и вне организма. При конструировании биосенсора увеличение продолжительности дей-я фермента становится осн. Задачей, т.к. нативный фермент сохраняет свои св-ва - в течение короткого времени. Решение проблемы - иммобилизация фермента. Характер фермент-й реакции зависит от природы фермента, типа его каталит. действия. Среди ферментов выделяют оксидоредуктазы, осущ-е реакции окисления и восстановления, гидролазы, катализ-е гидролиз, трансферазы, вызывающие перенос ацильных, гликозидных и т.п. остатков и т.д. Ферментные сенсоры - сторого специфичныи поэтому их создание на сегодняшний момент наиболее популярно. Принцип работы мембранного ферментного биосенсора прост. Определяемое вещ-во диффундирует ч/з полупроницаемую мембрану в тонкий слой биокатализатора, в кот-м и протекает ферментативная реакция. Поскольку в данном случае продукт фермент-й реакции опред-ся с помощью электрода, на поверхности кот-го закреплен фермент, то такое устройство еще называют ферментным электродом. 24. Как создаются электрохимические биосенсоры на основе окислительновосстановительных ферментов. Биосенсор устройство, в котором чувствительный слой, содержащий биологический материал: ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК, непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, — биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. По способу измерения сигнала биосенсоры классифицируют на физические, электрохимические, оптические и гибридные. В настоящее время наибольшее распространение получили электрохимические преобразователи. Одни из них генерируют потенциал на специальном электроде, на поверхность которого нанесен слой биоматериала, другие генерируют электрический ток реакции продукта превращения определяемого вещества на поверхности электрода, вызванного биоматериалом. Другими словами, существуют потенцио- и амперометрические биосенсоры. Электрохимические биосенсоры обычно основаны на ферментативном катализе реакции, в которой освобождаются или поглощаются электроны (используемые ферменты принадлежат к классу оксидоредуктаз). Биосенсор обычно включает в себя три электрода: электрод сравнения, рабочий и вспомогательный. На поверхность рабочего электрода наносят биологический материал (окислительновосстановительные ферменты), который специфически вступает в реакцию с аналитом. Заряженные продукты реакции создают на рабочем электроде потенциал, который отнимается от потенциала на электроде сравнения для получения выходящего сигнала. Применяется также измерение силы тока (в этом случае интенсивность потока электронов пропорциональна концентрации аналита) при постоянном потенциале или потенциал можно измерять при нулевой силе тока (это даёт логарифмический отклик). Нужно отметить, что на потенциал электродов влияет заряд их окружения, что часто используется. Более того, возможно прямое электрическое определение небольших пептидов и белков по характерному для них заряду, используя биологически модифицированные ион-селективные полевые транзисторы. 25. Чем удобны бионаноустройства природного происхождения. Окружающий нас мир наполнен разнообразными биологическими нанообъектами и наноэффектами, о нанометрической сущности которых мы порой даже и не задумываемся. Бионаноустройства природного происхождения сочетают в себе уникальные свойства, которые сложно создать искусственно. Природа решает задачи по созданию бионаноустройств с сочетанием таких качеств как высокая производительность, специфичность, необычность, оригинальность и при этом экономия ресурсов. В качестве примера можно рассмотреть: В природе существуют различные кристаллоподобные и аморфные биофотонные наноструктуры – одно-, двух- и трёхмерные. Интерференция, дифракция и рассеяние света на элементах этих наноструктур приводят к появлению так называемой “структурной” окраски. Волокна целлюлозы в клетках африканских ягод Pollia condensata расположены слоями толщиной в несколько сотен нанометров. Расстояние между слоями варьирует от клетки к клетке. В соответствии с этим расстоянием меняется и основная длина волны отражаемого интерферирующего света, и это придает окраске радужность. Большинство клеток отражают свет в синей области спектра, что определяет общий облик плодов. Следуя этому примеру из мира природы можно создать «умные» многофункциональные материалы, используя недорогие «исходники», такие как целлюлоза. Окрашенные материалы из целлюлозы могли бы найти массу применений. Нап-р, они служили бы заменителем токсичных красителей в пище. Создать аналогичные природным искусственные бионаноуствойства достаточно сложно, но работы в этой области ведутся непрерывно. Наука, занимающаяся исследованиями в данной сфере - биомиметика. Результаты впечатляют, но однако не один искусственно сконструированное наноустройство не равноценно природному. Примеры:1) Гекконы могут ползать по любой поверхности сверху вниз благодаря специфическому строению кожи, покрывающей их лапки. Изготовленные по «технологии геккона» искусственные волокна (с помощью электронно-лучевой литографии) показали адгезию в 30% от аналогичного природного материала. 2) Полимерные биомедицинские материалы, при создании которых использован принцип оболочки голотурии. Морские огурцы(голотурии) обладают уникальной чертой – они могут менять твердость коллагена, формирующего внешний покров их тела. А именно: они в состоянии менять его жесткость. Когда морской огурец чувствует опасность, он многократно увеличивает жесткость своей кожи, как будто покрываясь панцирем; и наоборот, если же нужно протиснуться в узкую щель, он ослабляет связи м/у элементами кожи так, что она превращается в студень. Группе ученых удалось создать материал на основе целлюлозных волокон, обладающий похожими св-ми: в присутствии воды этот материал становится пластичным, а при ее испарении вновь затвердевает. Считается, что такой материал наиболее пригоден для производства внутримозговых электродов, кот-е применяются при лечении болезни Паркинсона и др.3) Акулья кожа обладает совершенно уникальным свойством – на ней не размножаются бактерии, и при этом она не покрыта никакой бактерицидной смазкой. Секрет кроется в особом рисунке, который образуют мельчайшие чешуйки акульей кожи. Соединяясь друг с другом, эти чешуйки образуют особый ромбовидный узор. Этот узор попытались воспроизвести ученые на защитной антибактериальной пленке. В перспективе нанесение подобной текстуры на поверхности предметов в больницах и местах общественного пользования позволит избавиться от бактерий на 80%. При этом бактерии не уничтожаются, а, следовательно, они не могут приобрести резистентность. Т.о. природа создает свои творения с максимальной эффективностью. Это не может не вызывать восхищения и желания хоть в какой-то мере скопировать эти удивительные устройства и процессы. 26. Приведите примеры биологических систем, используемых в качестве элементов бионаноустройств. Бионанотехнология базируется на использовании биол-х наномолекул и систем. Одно из ее направлений — создание различ. бионаноустройств. Среди них, нап-р, биосенсоры для выявления каких-либо вещ-в, присутствующих в окр. среде, организме человека и т.д. Примеры биол-х систем представлены на примерах их использования в кач-ве элементов биосенсоров. Биосенсор может использовать биохим. реакции, опосредуемые ферментами, иммунными комплексами, тканями, органеллами или целыми клетками, для детектирования хим. соединений в виде электрических, термических или оптических сигналов. Ферментный биосенсор – устройство, в котором биологический элемент распознавания (биослой) представлен ферментами. Ферменты — это биол.катализаторы, обладающие способностью избирательно катализ-ть многие хим-е превращения как в живой клетке, так и вне организма. При конструировании биосенсора увеличение продолжительности дей-я фермента становится осн. Задачей, т.к. нативный фермент сохраняет свои св-ва - в течение короткого времени. Решение проблемы - иммобилизация фермента. Среди ферментов выделяют оксидоредуктазы, осущ-е реакции окисления и восстановления, гидролазы, катализ-е гидролиз, трансферазы, вызывающие перенос ацильных, гликозидных и т.п. остатков и т.д. Ферментные сенсоры - сторого специфичныи поэтому их создание на сегодняшний момент наиболее популярно. Микробные биосенсоры состоят из иммобилиз-х микроорг-в и электрохим. датчика и пригодны для непрерывного контроля биохим-х процессов. Принцип работы микробных сенсоров-это ассимиляция орг-х соединений м/ои, что регистрируется электрохим-м датчиком. Тканевые материалы растительного и животного происхождения успешно используют в качестве биокаталитических компонентов биосенсоров. Биокаталитические материалы этого класса создают естественное окружение для представляющего интерес вещ-ва (фермента, антигена, антитела), в результате чего необходимая активность биослоя заметно стабилизируется. Во многих случаях тканевые биосенсоры служат намного дольше, чем аналогичные бносенсоры с выделенными ферментами. Кроме того, тканевые материалы сохраняют достаточно высокую специфическую активность, необходимую для конструирования некоторых биосенсоров. тогда как выделенные ферменты в тех же условиях разрушаются. Тканевые биосенсоры появились позже ферментных и микробных биосенсоров. Т.о.благодаря наличию в биосенсорах биоматериала с уникальными св-ми позволяет с высокой селективностью определять нужные соед-я в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким дополнит-м операциям. 2) Перспективным направлением в создании бионаноустройств являются «лаборатории на чипе» (LOC). LOC - миниатюрный прибор, позволяющий осуществлять один или несколько многостадийных биохим-х процессов на одном чипе, использующий микроили наноскопические количества образцов для проведения реакций. В качестве биол-х элементов данных устройств могут выступать антитела, антигены и ферменты и др., которые будут взаимодействовать с элементами крови, микроорганизмами. 27. Назовите основные принципы бионаноустройств и их использование. Бионаноустройства должны обладать размерами сопоставимыми с молекулой (менее 10 нм),обладать каким-либо биологическим компонентом. Основные возможности бионанотехнологий позволяют (или должны в будущем) обеспечить: прямое или опосредованное манипулирование на атомномолекулярном уровне с целью изменения или управления свойствами биологических объектов вне зависимости от их размера и свойств; исследование или использование объектов, как правило, представляющих собой нековалентно связанные атомные, атомно-молекулярные или молекулярные кластеры, включающие вещества биологической природы или воздействующие на биосистемы, способные резко изменять свои биологические, физические или химические свойства при условии малого критического размера или состоящие из счетного числа (от десятков до тысяч) частиц аналогичного размера. Обобщая материалы всех программ по развитию нанобиотехнологий, медицины и т.д. можно выделить наиболее перспективные направления по использованию разработок в области бионанотехнологии и создании бионаноустройств:создание новых лекарственных препаратов, в первую очередь, для лечения онкологических заболеваний, реализация эффективной доставки лекарств с применением наночастиц в качестве контейнеров (за счет селективности, адресности, способности к диссипации, пролонгированному действию, высокой скорости преодоления биологических барьеров); создание нанобиочипов и молекулярных биосенсоров, обеспечивающих качественное и количественное определение наноконцентраций веществ, белков, нуклеиновых кислот микроорганизмов в исследуемой среде за кратчайшее время; создание медицинских нанороботов, способных устранять дефекты в организме путем управляемых нанохирургических вмешательств; молекулярная визуализация для прижизненного контрастирования клеточных и генных мишеней, получения томографического изображения в разных форматах; разработка систем для изучения и направленного изменения индивидуальных геномов, создание молекулярных детекторов для секвенирования геномов; разработка биосовместимых наноматериалов для создания имплантатов, новых видов перевязочных материалов, разработка систем для инженерии тканей; применение биомолекулярных систем для управления последовательностью операций в строительстве структур с атомарной точностью. 28. Каковы перспективы создания принципиально новых бионаноустройств. На сегодняшний день предполагается, что наиболее быстро выйдут на широкий рынок биочипы и диагностические системы. Наиболее востребованными являются устройства самодиагностики, клинической диагностики и диагностики скорой помощи. Предполагается серьезное влияние на фармацевтическую промышленность белковых и ДНК-чипов. Прогнозируется, что в ближайшие 10 лет лаборатории на чипе займут от 25 до 50 % рынка и значительную долю из них составят именно белковые и ДНК-чипы. Рост сектора по произвосдтву биосенсоров прогнозируется до 60% в год. Новые сенсоры найдут свое применение, в первую очередь, в медицине, а также в пищевой промышленности и для мониторинга окружающей среды. В ближайшее время предполагаются значительные успехи в области использования в качестве контейнеров для адресной доставки лекарственных препаратов фосфолипидов, липосом, фуллеренов. Предполагается получение новых терапевтических средств для лечения онкологических заболеваний, осложнений при трансплантации органов и тканей и др. В ближайшие 10 лет предполагается, что биочипы сыграют важную роль в следующих направлениях: определение последовательности генов, фундаментальные биомедицинские исследования, оптимизация методик лечения и доз лекарственных препаратов, персонализированная диагностика, токсикологический скрининг, производство и безопасность пищевых продуктов; создание медицинских нанороботов, способных устранять дефекты в организме путем управляемых нанохирургических вмешательств; молекулярная визуализация для прижизненного контрастирования клеточных и генных мишеней, получения томографического изображения в разных форматах; разработка систем для изучения и направленного изменения индивидуальных геномов, создание молекулярных детекторов для секвенирования геномов; разработка биосовместимых наноматериалов для создания имплантатов, новых видов перевязочных материалов, разработка систем для инженерии тканей; применение биомолекулярных систем для управления последовательностью операций в строительстве структур с атомарной точностью. В ближайшем будущем следует ожидать успехов в создании мультимодальных наночастиц, усиливающих контрастность изображения, а также технических средств и алгоритмов оптимизации методов визуализации молекулярных процессов, что позволит повысить эффективность методов молекулярной терапии в первую очередь в кардиологии и онкологии. 29. Как создаются бионаноустройства из бионанообъектов и небиологических материалов. Белки широко используются при создании наноструктур, устройств и наносистем благодаря многообразию структурных форм, динамичности структуры, способности к самосборке и селективному молекулярному узнаванию лигандов, многообразию свойств и функций. Они используются для создания биосенсоров (антитела, рецепторы, ферменты), регулируемых пор в биомембранах, стимулчувствительных рецепторов (родопсин), нанопереключателей, наномоторов (миозин, кинезин), самоорганизующихся нанокомплексов, многофункциональных систем доставки лекарств, нанопереносчиков (сывороточный албумин переносит липиды, гемоглобин – кислород, трансферрин – ионы железа и т.д.), нанокатализаторов .Молекулы ДНК и синтетические олигонуклеотиды активно используются для включения и организации нанобиообъектов в составе макроструктур. Нанотехнологии открывают возможности создания новых молекулярных комплексов путем направленной самосборки природных или искусственно синтезированных субъединиц, при этом структура субъединиц определяет порядок самосборки комплексов. Процесс происходит самопроизвольно и обратимо при смешении субъединиц в соответствующих условиях. Молекулярные комплексы удерживаются нековалентными взаимодействиями – водородными связями, ионными взаимодействиями, гидрофобными взаимодействиями, силами Ван-дер-Ваальса; ряд нековалентных взаимодействий являются направленными.Способность к селективной самоорганизации в комплексные структуры характерна для многих биомолекул: пептидные цепи белков формируют олигомерные комплексы; одноцепочечные, комплементарные по составу нуклеотидов, молекулы нуклеиновых кислот объединяются в дуплексы; комплексы лиганд-рецептор, лиганд-фермент, лигандтранспортный белок, антиген-антитело самопроизвольно формируются на основе принципа молекулярного узнавания. Наноконструирование, т.е. направленное создание сложных пространственных структур (наноконструкций, наноматериалов) с регулируемыми свойствами на основе двухцепочечных НК, вызывает в последнее время большой интерес исследователей, так как одно- и двухцепочечные молекулы ДНК с заданной структурой можно синтезировать в промышленных масштабах; гибкая одноцепочечная цепь ДНК узнает комплементарную ей цепь и прочно связывается с ней с помощью водородных связей, образуя жесткую конструкцию; формирование мест разветвления двухцепочечных молекул ДНК в сочетании с липкими концами позволяет создавать плоские и 3-х мерные пространственные структуры, поведение и изменение форм которых в разных условиях среды предсказуемо и программируемо. Явление самосборки одноцепочечных молекул ДНК на комплементарной ДНК-матрице использовано для конструирования нанопроволок. Метод самосборки использовали также для формирования синтетических ионных каналов. Были сконструированы самособирающиеся пептидные нанотрубки на основе циклических пептидов. 30. Дайте характеристику наноустройств для количественной регистрации химических, физических и биологических агентов. Биосенсоры – это в высокой степени интегрированные устройства, включающие мембрану (не обязательно), биологический (ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК) или биомиметический чувствительный элемент (рецептор или систему распознавания), первичный преобразователь сигнала и его усилитель. Таким образом, конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей – биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. На первом этапе действия биосенсора происходит «узнавание» биоэлементом специфического для него вещества из многокомпонентной смеси. На второй стадии происходит преобразование информации о протекании биохимической реакции в сигнал. На последней стадии сигнал от физико-химического преобразователя преобразуется в пригодную для обработки форму. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая к дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т. д. Биорецептор сенсора выполняет селективное распознавание анализируемого соединения, и, кроме того, отвечает за возникновение сигнала физикохимической природы, который регистрируется преобразователем. По типу биорецептора биосенсоры можно разделить на две категории: группа каталитических биосенсоров включает ферменты, ткани, клетки микроорганизмов как элемент «узнавания». Сенсоры, основанные на этих компонентах, позволяют проводить анализ в непрерывном режиме; к группе аффинных относятся биосенсоры на основе антител/антигенов, лектинов, клеточных рецепторов, нуклеиновых кислот, которые в большинстве случаев предназначены для одноразового использования при детектировании гормонов, стероидов, лекарственных веществ. Применение биосенсоров чрезвычайно эффективно в следующих областях: медицина: для мониторинга патогенных инфекций и контроля течения заболевания; пищевая промышленность: улучшение контроля процесса производства оценка степени загрязнения окружающей среды; детектирование и определение количества взрывчатых веществ, токсинов и возможного биологического оружия. Планируется создание биосенсоров для диагностики in vivo и in vitro. В обоих случаях предполагается, что применение нанотехнологий (в частности разработка ДНК-, белковых, тканевых, клеточных и др. чипов) при их создании, обеспечат необходимый комплекс свойств: улучшенная биосовместимость, селективность, стабильность биокомпонентов при многократном использовании и миниатюризация, повышение скорости скрининга.В настоящее время разработка нанобиосенсоров идет по пути создания молекулярных биочипов, предназначенных для проведения многопараметрического анализа микрообразца биологического материала. Молекулярные биочипы конструируют в трех форматах: матричные биочипы с иммобилизованными на поверхности молекулами белков и нуклеиновых кислот; капиллярные (микрофлюидные) биочипы, в составе которых молекулы биорецепторов иммобилизованы на поверхности микрокапилляров в объеме подложки чипа;биочипы на основе микросфер с иммобилизованными зондами. 31. Основы классификации биосенсоров по типу биологического элемента. Биосенсор –устройство, использующие биологические материалы(ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК) для «узнавания » определенных молекул и выдающие инф-ию об их присутствий и количестве в виде элек.сигнала. Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Преимущества использования биосенсоров:1) биосенсоры специфичны — можно анализировать сложные смеси на присутствие определенного химического вещества без предварительной очистки; 2) они очень чувствительны, поэтому можно обнаружить очень низкие концентрации вещества в очень малых образцах; 3) они дают быстрый ответ; 4) они безопасны для использования; 5) они точны; 6) они могут быть очень маленькими; 7) они доступны для массового производства. Основные недостатки: 1) они не очень прочны, поэтому нуждаются в тщательном уходе; 2) они не очень стабильны; 3) их нельзя стерилизовать. Как работает биосенсор: на первом этапе действия биосенсора происходит «узнавание» биоэлементом специфического для него вещества из многокомпонентной смеси.На второй стадии происходит преобразование информации о протекании биохимической реакции в форму электрохимического сигнала.На последней стадии электрический сигнал от трансдьюсора преобразуется в пригодную для обработки форму. По типу биологического распознающего элемента биосенсоры классифицируют на каталитические, аффинные и гибридные. Группа каталитических биосенсоров основана на ферментах, срезах тканей и клетках микроорганизмов. Их основная особенность состоит в расходовании анализируемого соединения в биохимических реакциях его трансформации по схеме: "внесение пробы – взаимодействие субстрата с ферментом – образование продукта ферментативной реакции". Примером может служить опред-ие глюкозы с помощью ферм-го сенсора на основе глюкооксидазы или мочевины с помощью уреазного сенсора. Название фермента часто вкл-т в название биосенсора. К группе аффинных относятся биосенсоры на основе антител/антигенов, лектинов, рецепторов животных клеток, нуклеиновых кислот. Их особенностью являются процессы высокоспецифического связывания анализируемого соединения с мишенью, содержащейся в распознающем элементе биосенсора. Например, ДНК-сенсоры вкл-т в кач-ве биохим-го компонента ДНК. Чаще это не природные комп-ты, выделенные из живиго орг-ма, а их фрагменты-ДНК-праймеры. ДНК-праймеры синт-т на основе ПЦР. Также в составе ДНК-сенсоров исп-т синтетические олигонукл-ды. Задача ДНк-сенсоров: выявление белков и низком-х соед-й, спец-ки взаймод-х с опред-ми участками ДНК. К ним отн-ся регул-ые белки, маркеры онкол-х забол-й.Выделяют также группу гибридных биосенсоров, в которых сопряжены элементы аффинного взаимодействия и ферментного усиления сигнала(нпример, ферменты+ДНК). 32. Основные типы биоэлементов, используемых в биоприборах. Основные типы биоэлементов, используемых в биоприборах : ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, НК. Биосенсор – устройство, испоьзующие биологические материалы(ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК) для «узнавания » определенных молекул и выдающие инф-ию об их присутствий и количестве в виде элек.сигнала. Преимущества использования биосенсоров:1) биосенсоры специфичны — можно анализировать сложные смеси на присутствие определенного химического вещества без предварительной очистки; 2) они очень чувствительны, поэтому можно обнаружить очень низкие концентрации вещества в очень малых образцах; 3) они дают быстрый ответ; 4) они безопасны для использования; 5) они точны; 6) они могут быть очень маленькими; 7) они доступны для массового производства. Основные недостатки: 1) они не очень прочны, поэтому нуждаются в тщательном уходе;2)они не очень стабильны;3) их нельзя стерилизовать. Биосенсоры состоят из биоматериала и преобразователя.Как работает биосенсор: на первом этапе действия биосенсора происходит «узнавание» биоэлементом специфического для него вещества из многокомпонентной смеси.На второй стадии происходит преобразование информации о протекании биохимической реакции в форму электрохимического сигнала.На последней стадии электрический сигнал от трансдьюсора преобразуется в пригодную для обработки форму. По типу биологического распознающего элемента биосенсоры классифицируют на каталитические, аффинные и гибридные. Группа каталитических биосенсоров основана на ферментах, срезах тканей и клетках микроорганизмов. Их основная особенность состоит в расходовании анализируемого соединения в биохимических реакциях его трансформации по схеме: "внесение пробы – взаимодействие субстрата с ферментом – образование продукта ферментативной реакции". Примером может служить опред-ие глюкозы с помощью ферм-го сенсора на основе глюкооксидазы или мочевины с помощью уреазного сенсора. Название фермента часто вкл-т в название биосенсора. К группе аффинных относятся биосенсоры на основе антител/антигенов, лектинов, рецепторов животных клеток, нуклеиновых кислот. Их особенностью являются процессы высокоспецифического связывания анализируемого соединения с мишенью, содержащейся в распознающем элементе биосенсора. Например, ДНК-сенсоры вкл-т в качве биохим-го компонента ДНК. Чаще это не природные комп-ты, выделенные из живиго оргма, а их фрагменты-ДНК-праймеры. ДНКпраймеры синт-т на основе ПЦР. Также в составе ДНК-сенсоров исп-т синтетические олигонуклды. Задача ДНк-сенсоров: выявление белков и низком-х соед-й, спец-ки взаймод-х с опред-ми участками ДНК. К ним отн-ся регул-ые белки, маркеры онкол-х забол-й.Выделяют также группу гибридных биосенсоров, в которых сопряжены элементы аффинного взаимодействия и ферментного усиления сигнала(например, ферменты+ДНК). 33. Могут ли ферменты, рецепторы, макромолекулярные комплексы, клеточные элементы быть биосенсорами. Могут. Биосенсор –устройство, испоьзующие биологические материалы(ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК) для «узнавания » определенных молекул и выдающие инф-ию об их присутствий и количестве в виде элек.сигнала. Преимущества использования биосенсоров:1) биосенсоры специфичны — можно анализировать сложные смеси на присутствие определенного химического вещества без предварительной очистки; 2) они очень чувствительны, поэтому можно обнаружить очень низкие концентрации вещества в очень малых образцах; 3) они дают быстрый ответ; 4) они безопасны для использования; 5) они точны; 6) они могут быть очень маленькими; 7) они доступны для массового производства. Основные недостатки: 1) они не очень прочны, поэтому нуждаются в тщательном уходе; 2) они не очень стабильны; 3) их нельзя стерилизовать. Биосенсоры состоят из биоматериала и преобразователя.Как работает биосенсор: на первом этапе действия биосенсора происходит «узнавание» биоэлементом специфического для него вещества из многокомпонентной смеси.На второй стадии происходит преобразование информации о протекании биохимической реакции в форму электрохимического сигнала.На последней стадии электрический сигнал от трансдьюсора преобразуется в пригодную для обработки форму. По типу биологического распознающего элемента биосенсоры классифицируют на каталитические, аффинные и гибридные. Группа каталитических биосенсоров основана на ферментах, срезах тканей и клетках микроорганизмов. Их основная особенность состоит в расходовании анализируемого соединения в биохимических реакциях его трансформации по схеме: "внесение пробы – взаимодействие субстрата с ферментом – образование продукта ферментативной реакции". Примером может служить опред-ие глюкозы с помощью ферм-го сенсора на основе глюкооксидазы или мочевины с помощью уреазного сенсора. Название фермента часто вкл-т в название биосенсора. К группе аффинных относятся биосенсоры на основе антител/антигенов, лектинов, рецепторов животных клеток, нуклеиновых кислот. Их особенностью являются процессы высокоспецифического связывания анализируемого соединения с мишенью, содержащейся в распознающем элементе биосенсора. Например, ДНК-сенсоры вкл-т в качве биохим-го компонента ДНК. Чаще это не природные комп-ты, выделенные из живиго оргма, а их фрагменты-ДНК-праймеры. ДНКпраймеры синт-т на основе ПЦР. Также в составе ДНК-сенсоров исп-т синтетические олигонуклды. Задача ДНк-сенсоров: выявление белков и низком-х соед-й, спец-ки взаймод-х с опред-ми участками ДНК. К ним отн-ся регул-ые белки, маркеры онкол-х забол-й.Выделяют также группу гибридных биосенсоров, в которых сопряжены элементы аффинного взаимодействия и ферментного усиления сигнала(например, ферменты+ДНК). 34. Назовите пути стабилизации индивидуальных ферментов и ферментных систем. Ферме́нты —белковые молекулы или их комплексы, ускоряющие химические реакции в живых системах. Под стабильностью фермента понимают его способность сохранять собственную каталитическую активность. Высокая каталитическая активность и специфичность действия любого фермента обусловлена структурой активного центра. Поэтому для проявления функций ферментов первостепенное значение имеет сохранение целостности активного центра. Наиболее разработанный прием стабилизации ферментов— иммобилизация—связывание фермента с полимерной матрицей (против терм-й денатураций). Иммобилизация — ограничение подвижности молекул ферментов— основана на физико-химических принципах, позволяющих закрепить структуру фермента таким образом, чтобы активный центр его молекулы сохранял свою работоспособность (каталитическую активность) в течение длительного времени, не подвергаясь структурным изменениям, приводящим к нарушению его конфигурации . Способы иммобилизации — прикрепление ферментов к поверхности природных или синтетических носителей (адсорбция, химическое связывание), включение ферментов в полимерные гели, мембранные капсулы, полые волокна, поперечная сшивка ферментных молекул. Процессы с использованием иммобилизованных ферментов экономически эффективны.Прикрепление фермента к носителю осуществляется адсорбционно, химической связью или путем механического включения фермента в органический или неорганический гель (в капсулу и т. п.). При этом допускается прикрепление фермента только за счет функциональных групп, не входящих в активный центр фермента и не участвующих в образовании фермент-субстратного комплекса. Носитель фермента может быть как природное вещество, так и синтетический полимер. Иммобилизованные ферменты имеют ряд преимуществ в сравнении со свободными молекулами:1.Такие ферменты представляют собой гетерогенные катализаторы, легко отделяющиеся от реакционной среды; 2. Могут использоваться многократно;3.Обеспечивают непрерывность каталитического процесса. Иммобилизованные ферменты долговечны и в десятки тысяч раз стабильнее свободных энзимов. Так, происходящая при температуре 65°С термоинактивация лактатдегидрогеназы, иммобилизованной в 60%-м полиакриламидном геле, замедлена в 3600 раз по сравнению с нативным ферментом. Стабилизация ферментов против термической денатурации достигается в основном увеличением числа межцепочечных ковалентных связей в молекуле белка. Проблема состоит лишь в том, чтобы химическая реакция, приводящая к образованию дополнительных "мостиков", не приводила к исчезновению каталитической активности. Другой способ стабилизации разработан для предотвращения химической денатурации белков. Так высокая лабильность SH-ферментов ограничивает возможность их практического применения. Инактивация таких ферментов происходит за счет окисления SHгрупп кислородом воздуха, а также взаимодействия их с ионами тяжелых металлов. Также сущ-т способ стабилизации ферментов по отношению к денатурирующему действию органических растворителей. Стабилизация в данном случае достигается путем включения ферментов с небольшим количеством воды в обращенные мицеллы. 35. Роль мембранных биореакторов нанотехнологии. Перечислите мембранные экспресс-тесты для медицинской диагностики Среди наноматериалов мембраны занимают совершенно уникальное положение. Основные причины для этого следующие: - сами мембраны являются типичными наноструктурами, представляя собой системы трехмерно связанных или отдельных нанопор в матричном полимерном или неорганическом каркасе. Тонкие селективные слои мембран, в которых, в основном, и функционируют нанопоры, сами зачастую представляют нанослой толщиной до 100 нм; - на основе мембран методами матричного или шаблонного ("темплейтного" от англ. template – шаблон) синтеза могут быть получены так называемые вторичные структуры; - поры мембран, модифицированные так называемыми "умными" (smart) полимерами – основное звено наноустройств сенсорного типа и др. Функциональные свойства мембран обычно характеризуются по размерам (R) задерживаемых частиц (обратноосмотические – R < 3 нм, задерживающие гидратированные ионы или растворенные молекулы; нанофильтрационные 3 нм < R < 10 нм; ультрафильтрационные - 0,01 мкм <R <0,1 мкм; микрофильтрационные 0,1 < R < 1 мкм). Иммунохроматографические экспресстесты (тест-полоски) представляют собой один из примеров успешного применения нанотехнологий в биохимии и медицине. Иммунохроматография включает контроль немедицинского использования психоактивных (наркотических) препаратов, быструю диагностику различных заболеваний, включая инфекционные, онкологические и сердечные; допинг–контроль, обнаружение беременности и т.д. При всей простоте применения иммунохроматографических тестов – погружение тест-полоски в пробу и последующая регистрация окрашивания ее определенных зон – механизм реализации анализа достаточно сложен и включает ряд гомогенных и гетерогенных реакций в неравновесном проточном режиме с участием нанодисперсных носителей. Иммунохроматография основана на диффузном (капиллярном) движении элюента (раствора анализируемого вещества) вдоль мембраны (или мультимембранного композита), которое приводит к образованию на разных ее участках специфических иммунных комплексов. Конъюгированный (связанный) с одним из иммунореагентов (чаще всего с антителами) маркер распределяется по мембране, и его наличие в определенных участках по окончании анализа является основанием для вывода о полученных результатах. Пример: для больных с сахарным диабетом одна из главных проблем – вовремя распознать возникновение и развитие диабетической нефропатии, последствия которой могут быть самыми тяжелыми. Ее индикатор – альбумин в моче в диапазоне 20-200 мг/мл (микроальбуминурия). Однако микроальбуминурия характерна и для пациентов со стойкой гипертензией, она также предсказывает тяжелые осложнения беременности и является важнейшим показателем при посттрансплантационном наблюдении пациентов с пересаженной почкой. Высокочувствительные тесты на микроальбумин (качественный и полуколичественный) могут применяться даже самим пациентом в домашних условиях. Полуколичественный скрининговый экспресс-тест на альбумин в моче имеет 3 варианта результатов: до 10 мг/л, от 10 до 20 мг/л и свыше 20 мг/л. Тест активен в широком диапазоне pH (2.5-9.5). Отсутствуют перекрестные реакции с билирубином, гемоглобином, иммуноглобулинами. Время определения – 5-10 мин. Эффекта прозоны нет. (Прозона – ситуация, в которой из-за избытка антигена или недостатка антител количество образовавшихся комплексов антиген-антитело не соответствует истинной концентрации антигенов.) 36. Микрометоды изучения структуры, свойств и функции бионанообъектов Для исследования наночастиц применяются современные методы просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, зондовой микроскопии, рентгенографии, дифракции нейтронов, рентгенофлюоресцентной спектроскопии, масс-спектрометрии, электроннооптические методы и др. Бурное развитие нанонауки в последние годы оказалось возможным благодаря доступности методов определения строения и структуры нанообъектов. Среди них важнейшая роль принадлежит электронной микроскопии и сканирующей зондовой микроскопии. По методике измерения различают просвечивающие и сканирующие (растровые) электронные микроскопы. Они дают различную информацию об объекте и часто используются совместно. В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) пучок электронов проходит через очень тонкий (< 100 нм) слой вещества, давая информацию о его внутренней микроструктуре. В отличие от просвечивающих, сканирующие электронные микроскопы (СЭМ) строят изображение внешней поверхности образца, сканируя ее с помощью электронного луча, сжатого магнитными линзами до размера порядка 5 нм. После взаимодействия луча с поверхностью электроны рассеиваются и попадают на детектор, регистрирующий сигнал и преобразующий его в изображение поверхности. Интенсивность сигнала зависит от рельефа поверхности, размера частиц и их химического состава. Существуют и другие виды сканирующих устройств. Впервые созданный в 1981 г. сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) содержит миниатюрный зонд – тончайшую иглу из золота, которая скользит по исследуемой поверхности образца. Конец этой иглы настолько тонкий, что состоит всего из одного атома. Он и приближается к образцу на расстояние около одного нанометра. На поверхности иглы возникает небольшой положительный заряд, поэтому электроны с поверхности образца переходят на зонд. При этом зонд не соприкасается с поверхностью, хотя и сильно приближен к ней. Такое явление беспрепятственного прохождения частиц через потенциальный барьер называют туннельным эффектом. Зонд сканирует поверхность, перемещаясь над образцом при помощи специальных миниатюрных двигателей, способных задавать шаг вплоть до 0,01 нм. Обычно зонд перемещают вдоль поверхности на постоянной высоте, при этом фиксируют изменение величины туннельного тока, т.е. потока электронов через зонд. Его и преобразуют в изображение поверхности. В другом методе кончик зонда перемещают вдоль поверхности образца таким образом, чтобы туннельный ток был постоянен, при этом фиксируют изменение расстояния от зонда до поверхности. Траектория движения острия зонда также отображает поверхность образца. В атомно-силовом микроскопе (АСМ), устроенном аналогично СТМ, вместо туннельного тока измеряют силу вандерваальсового отталкивания зонда от поверхности образца. Зонд имеет нанометровые размеры и закреплен на микропружине – кантилевере. Силовое взаимодействие конца зонда с изучаемым нанообъектом приводит к изгибу кантилевера, который обычно детектируется с помощью оптической системы. В этой схеме изгиб кантилевера приводит к перемещению пятна отраженного лазерного луча на четырехсекционном фотодиоде. Это перемещение изменяет соотношение фототоков от различных секций, которое измеряется с помощью электронных схем. 37 Каковы принципы создания новых наноматериалов на основе биологических объектов Наноматериалы необычайно широко распространены в живой природе. Именно наноструктуры составляют основу биологических конструкций и защитных покровов. Вследствие уникальной организации они демонстрируют необычные механические свойства, намного превосходя искусственно созданные конструкционные материалы аналогичного химического состава (н-р, паутина, раковины моллюсков, жемчуг, костная ткань, древесина). Стремление научиться синтезировать аналогичные материалы в лабораторных условиях, воссоздав биохимический путь живой системы, привело к появлению нового применительно к нанотехнологии направления биомиметики. Исключительно важную роль в эволюции физико-химических и биологических систем играют процессы самосборки или самоорганизации, в результате которых составные части системы, будь то атомы, ионы, молекулы, коллоидные или макроскопические частицы, самопроизвольно (без вмешательства человека) организуются в упорядоченные (как правило, функциональные) структуры. Нанотехнологии типа «снизу–вверх» - технология получения наноструктурированных материалов, в которой реализуется образование наночастиц из атомов и молекул, т. е. достигается укрупнение исходных элементов структуры до частиц нанометрового размера. К технологиям этого типа относятся такие методы, применяемые для получения изолированных наночастиц, нанопорошков и компактных наноматериалов, как газофазный синтез с последующей конденсацией паров; плазмохимический синтез; осаждение из коллоидных растворов; химическое и физическое осаждение пленок и покрытий из газовой фазы (CVD и PVD), плазмы или жидких растворов на подложку; электроосаждение пленок и покрытий; термическое разложение (пиролиз); детонационный синтез. Нанотехнологии типа «сверху–вниз» - технология получения наноструктурированных материалов, в которой нанометровый размер частиц достигается с помощью измельчения более крупных частиц, порошков или зерен твердого тела. Технология «сверху-вниз» заключается в том, что создаваемый нанообъект «собирается» из индивидуальных атомов, молекул, биологических клеток и т.п. К технологиям этого типа относятся, например, методы, применяемые для получения компактных наноматериалов и нанопорошков из объемных заготовок: кристаллизация аморфных сплавов; интенсивная пластическая деформация; электрохимическое травление; упорядочение твердых растворов и нестехиометрических соединений. Оба подхода имеют свои недостатки. Если в случае разработки «снизу вверх» главной проблемой будет неупорядоченная организация получаемых частиц, то подход «сверху вниз» обеспечивает высокую точность, но очень трудозатратен. Поэтому в настоящее время внимание большого количества ученых направлено на изучение управляемой самоорганизации наночастиц. Особенно большие надежды связывают с разработкой принципов неравновесной самоорганизации. А это не что иное, как принцип устройства живых организмов. Нужно признать, что в создании наноструктур и наномеханизмов природа все еще далеко впереди нас. 38. Приведите примеры применения наноматериалов в бионанотехнологии Наноматериалы – материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. Углеродные нанотрубки – протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой. Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Графен — монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете. Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах. В настоящее время основными областями применения наночастиц в технике, определяемыми их уникальными свойствами, отличными от свойств веществ в обычной (макродисперсной) форме, становятся создание высокопрочных, в том числе композитных, конструкционных материалов, микроэлектроника и оптика (микросхемы, компьютеры, оптические затворы), энергетика (аккумуляторы, топливные элементы, высокотемпературная сверхпроводимость), химическая технология (катализ), охрана окружающей среды (наночипы и наносенсоры). В пищевой промышленности наноматериалы находят применение в фильтрах для очистки воды, при получении более легких, прочных, более термически устойчивых и обладающих антимикробным действием упаковочных материалов, при обогащении пищевых продуктов микронутриентами. Использование наночипов предполагается для идентификации условий и сроков хранения пищевой продукции и обнаружения патогенных микроорганизмов. В парфюмерно-косметической промышленности наночастицы используются как составная часть солнцезащитных кремов; в сельском хозяйстве - для более эффективной доставки пестицидов и удобрений, для нанокапсулирования вакцин; предполагается использование наночастиц для доставки ДНК в растения для целей генной инженерии. В медицине наноматериалы находят применение для целей транспорта лекарственных средств, в шовных и перевязочных материалах, для создания биосовместимых имплантантатов и др. Область медицинских применений углеродных наноматериалов расширяется с каждым днем. Например, использование углеродных нанотрубок для устранения различных дефектов костей, в том числе связанных с удалением опухолей, травмами, патологией развития. 39. Перечислите использование наноматериалов в различных отраслях. В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как фундаментальной и прикладной науки, так и промышленности и бизнеса постоянно увеличивается. Это обусловлено такими причинами, как: 1) стремление к миниатюризации изделий, 2) уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии, 3) необходимостью разработки и внедрения новых материалов с качественно и количественно новыми свойствами, 4) развитие новых технологических приемов и методов, базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации, 5) практическое внедрение современных приборов исследования и контроля наноматериалов (зондовая микроскопия, ретгеновксие методы, нанотвердость); 6) развитие и внедрение новых технологий. Осн.направления исп.наноматериалов и нанотехй в наст.время: 1) Конструкционные материалы: наноструктурные материалы отличаются большой прочностью, поэтому их исп. в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Углеродные нановолокна и фуллерены рассматриваются как перспективные материалы для создание бронежилетов. 2) Инструментальные материалы: нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектриков. 3) Производственные технологии: добавление нанопорошков к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Очень большая удельная поверхность нанопорошков способствует их применению в ряде химических производств в качестве катализаторов. 4) Триботехника: использование полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов и фуллеритов. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей. 5) Ядерная энергетика: наноматериалы используются в системах поглощения ВЧ- и рентеговского излучений. Перчатки, фартуки и другая защитная одежда из резины или искусственных материалов с добавками ультрадисперсного свинцового наполнителя при одинаковой степени защиты в четыре раза легче обычной защитной одежды. 6) Электро-магнитная и электронная техника: записывающие ус-ва, исп.в кач.постоянных магнитов, в магнитных чернилах и тонерах, сверхпроводников. 7) Защита материалов: В ряде случаев для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего [52]. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами (рис. 3.9). 8) Медицина и бт: в медицинских целях – как имплантантов, протезов и в травматологических аппаратах. Причиной является сочетание высоких механических свойств с высокой биологической совместимостью чистого металла. Наноструктурные пленки обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому их перспективно использовать для узлов биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях). 9) Военное дело: радиопоглощающие покрытий для самолетов, перспективные виды взрывчатых веществ и зажигательных смесей. Ограничения в использовании наноматериалов: материалы с наноразмерным зерном отличаются хрупкостью. Другим важным ограничением является нестабильность структуры наноматериалов, а следовательно, нестабильность их физико-химических и физико-механических свойств. 40. Каковы области применения бионаноустройств. 41. Каковы сферы применения бионаноустройств в научных исследованиях, медицине, пищевой промышленности. 43. Примеры современных подходов инженерной реализации бионанотехнологических производств. Был предложен способ лечения людей с заболеваниями и повреждениями опорнодвигательного аппарата. Нанотехнологи направлены на стимуляцию регенерационного процесса, то есть, мобилизацию тех сил, которые есть в каждом организме. Для диагностики раковых заболеваний предложено использование нанокристаллов. Важное отличие от существующих оптических тестов состоит в том, что в данном случае появляется возможность работать в инфракрасной обл. Наноцитометр – карманное устройство, к-е очень быстро диагностирует заболевания, тестируя одну каплю крови с пом.дешевого картриджа, состоящего из кремниевого чипа, усеянного искусственными нанопорами, к-е имитируют сист.очистки чел.клеток. Созданы биосенсоры на кремниевой нанопроволоке, обладающие высокой чувствительностью. Одной из серьезных проблем современной мед.явл.доставка лекарств в опр.место орг. в строго опр-х дозах. Эта же проблема сущ.и в косметологии. Создание нанотехнологий позволило микропасулировать активные ингредиенты до наночастиц и траспортировать в дерму с помощью липосомов и наносомов. Эти же наносомы могут транспортировать и лекарственные вещества. Бионаноу-ва исп-ся позволяют сделать поверхность стента нанопористой. Стент представляет собой эндопротез сосудов для предотвращения закупоривания артерий. Благодаря своим особым свойствам наноматериалы могут быть в будущем использованы для выращивания искусственных органов и тканей. Композиты, включающие наночастицы, обладают большей прочностью, гибкостью, химической устойчивостью. В дальнейшем ученые планируют также заниматься разработкой наноматериалов, которые способствовали бы росту и заживлению тканей. На их основе предполагается создать матрицу, имитирующую структуру и химические свойства природной среды, в которой растут клетки ткани. Отдельную задачу представляет создание искусственных органов чувств. Известно о биосовместимости алмазных поверхностей и частиц с живыми клетками с целью исп.их при создании нанороботов, искусственных органов и ортопедических протезов с алмазным покрытием. В перспективе ученые планируют изготовить нейрочип, способный выполнять различные нервные функции. Например, с его пом.можно будет облегчить жизнь людям с заболеваниями Паркинсона. Фулерены С60 чрезвычайно токсичны и способны повреждать клеточные мембраны. Это св-ва м.б.исп-но для создания антибактериальных препаратов и раковых опухолей. К настоящему времени семь процессов с использованием иммобилизированных ферментов или клеток нашли крупномасштабное промышленное применение в ряде развитых стран мира: 1. Производство глукозо-фруктозных сиропов и фруктозы из глюкозы. 2. Получение оптически активных Lаминокислот из их рацемических смесей. 3. Синтез L-аспарагиновой кислоты из фумаровой кислоты. 4. Синтез L-яблочной кислоты из фумарофой кислоты. 5. Производство диетического безлактозного молока. 6. Получение сахаров из молочной сыворотки. 7. Получение 6-аминопенициллановой кислоты из обычного пенициллина для последующего производства полусинтетических антибиотиков пенициллинового ряда. Помимо этого, некоторые процессы отрабатываются на пилотных установках и обсуждается целесообразность их промышленного применения. К ним в первую очередь относится получение: 1) глюкозы из из частичных гидролизатов крахмала; 2) инвертного сахара из сахарозы; 3) глюкозы из целлюлозы; 4) белковых гидролизатов. Еще можете написать про биодатчики, к-е могут сказать о степени загрязнения воздуха или почвы пестицидами, о использовании биомембран для очистки сточных вод, что лучше с экономической и экологической точки зрения. Что лаборатории на чипе исп-ся в развивающихся странах, в к-х невозможно провести диагностику в обычных лабораториях из-за нехватки чего-нибудь там. А теперь можно диагностировать ВИЧ и сифилис в кратчайшие сроки. Про ДНК-чипы можете написать. 42. Как контролируются биотехнологические производства в экологической биотехнологии, сельском хозяйстве. С/х бт охватывает растениеводство, животноводство и ветеринарию. Создание сельскохоз-х культур,сбалансированных по содержанию белка, углеводов,жиров, минеральных элементов на основе достижения клеточной бт и тотипотентности растительных клеток,клональном микроразмножений и ускоренном получений линий сельскохоз-х растений, используемых в селекций на устойчивость,продуктивность и качество; оздоровление растений от вирусов; получение БАВ и кормовых белков растительного происхождения; сохранение ценных генотипов; использование изолированных клеток,генноинженерных технологий в селекций растений,дающих сорта и линий, устойчивые к засухе,низким температурам; разработка генетичкских основ повышения эффективности использования азотфиксирующих микроорганизмов,клубеньковых микроорганизмов. В животноводстве применение клеточной биотехнологии, трансплантации эмбрионов позволяет улучшать хозяйственно- ценные свойства: рост и упитанность, устойчивость к инфекции, высокие удои молока; путем рекомбинатной ДНК - технологии получают бав с молоком трансгённых животных (человеческий сывороточный альбумин, антигемофяльный фактор, антитрипсин, урокиназа, химозин и др.); столь же актуально получение кормовых белков, незаменимых аминокислот, витаминов, антибиотиков, пополняющих рацион сельскохозяйственных животных. Актуальна задача уменьшения применения в сельском хозяйстве средств химизации, пестицидов и расширение использования бактериальных удобрений, инсектицидов мик-робного происхождения; разработка генно-инженерных вакцин и диагностикумов на основе моноклональных антител. Экологическая бт. -это научно-техническое направление,включающее применение биотехнологии для решения проблем окружающей среды (обработка сточных вод, переработка твердых отходов, борьба с загрязнениями окружающей среды и др.) Экологическая биотехнология — это специальное применение биосистем и процессов для решения задач охраны окружающей среды и рационального природопользования. Эти процессы включают утилизацию сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов, очистку стоков и газовоздушных выбросов, деградацию ксенобиотиков, получение эффективных и нетоксичных препаратов для борьбы с болезнями и вредителями культурных растений и домашних животных, а также создание альтернативных и безвредных для окружающей среды способов воепроизводства пищи, лекарственных препаратов, энергоносителей и добычи полезных ископаемых. Промышленные экосистемы, формирующиеся на территории промышленных комплексов и городов, характеризуются следующими особенностями: высоким уровнем загрязненности (физические, химические и биологические загрязнения), высокой зависимостью от внешних источников энергии, неблагоприятным влиянием на смежные экосистемы. Решение проблем окружающей среды, возникающих в антропогенных экосистемах, таких как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии. В настоящее время выделен ряд микроорганизмов, способных к деградации ксенобиотиков (неприродных, синтетических химических веществ) – гербицидов, пестицидов, хладагентов, растворителей. Однако широкое применение биодеградации (разрушения загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов) в большинстве случаев ограничено, так как: ни один из природных микроорганизмов не может разрушать все органические соединения; некоторые органические соединения в высокой концентрации подавляют функционирование или рост деградирующих их микроорганизмов; большинство очагов загрязнения содержит смесь химикатов, и микроорганизм, способный разрушить один или несколько ее компонентов, может инактивироваться другими компонентами; биодеградация органических соединений часто происходит достаточно медленно. Часть этих проблем решают биотехнологии, создавая с помощью генетических манипуляций рекомбинантные микроорганизмы, способные к деградации нескольких соединений. Отличие новых нанобиотехнологий от традиционных заключается в том, что наночастицы являются универсальным реагентом, способным нейтрализовать большое количество вредных веществ. Нейтрализация происходит в результате окисления железа в грунтовых водах и образования нерастворимых комплексов с такими токсичными веществами, как соединения свинца, никеля, ртути и даже тяжелых радиоактивных элементов. 44. Примеры комплексных ферментных препаратов для интенсификации в пищевой промышленности. Ферментные препараты, высокоактивные катализаторы различных биохимических процессов. Различают ферментные препараты животного, растительного и микробного происхождения. По объему и ассортименту среди выпускаемых ферментных препаратов доминируют препараты, полученные путем микробиологического синтеза. Технология их производства основана на культивировании специально отобранных штаммов микроорганизмов — активных продуцентов ферментов, с последующим выделением препаратов. Для интенсификации технологический процессов виноделия ферментная промышленность предлагает ряд комплексных препаратов грибного происхождения, различающихся по величине активности и соотношению гидролитических ферментных систем, оказывающих многообразное действие на высокомолекулярные вещества винограда и вина. При получении ординарных вин всех типов широкое применение получили пектолитические ферментные препараты — Пектаваморин П 10х и Г 10х, а также Пектофоетидин П 10х и Г 10х. Препараты стандартизуются по общей пектолитической активности; в качестве основных ферментов они содержат полигалактуроназу эндои экзодействия и пектинэстеразу, а в качестве сопутствующих — протеиназы, целлюлазы и гемицеллюлазы. Пектолитические ферментные препараты могут быть использованы для обработки трудноосветляемых виноматериалов. При этом значительно сокращается расход оклеивающих веществ, повышается стабильность вин к помутнениям коллоидного характера. С положительным технологическим результатом было апробировано применение опытных партий протеолитических ферментных препаратов — Протаваморина П 10х и Проторизина П 10х, катализирующих гидролиз белковых веществ сусла и вина, сопровождающийся накоплением пептидов и аминокислот. Разработан способ иммобилизации кислой протеиназы, выделенной из ферментных препаратов. Пектаваморин П 10х, позволивший многократно использовать фермент, повысить его стабильность к ингибирующему действию среды и создать непрерывный процесс обработки виноградного сока и вин с целью устранения помутнений белкового характера. Активный комплекс ферментов целлюлолитического и гемицеллюлазного действия, обнаруженный в препаратах Цитороземин П 10х, Ксилонигрин П 10х, Целлолигнорин П 10х, Целлоконингин П 10х и Целлобранин П 10х, обеспечивает более глубокую степень мацерации растительной ткани при использовании вышеназванных ферментных препаратов по сравнению с пектолитическими ферментными препаратами. Использование целлюлолитических и пектолитических ферментных препаратов позволяет усовершенствовать технологию переработки сладких виноградных выжимок. При этом увеличивается выход спирта-сырца и снижается процент примесей в осадке виннокислой извести. Перспективы дальнейшего совершенствования приемов использования ферментативного катализа в виноделии связаны с созданием композиций высокоочищенных ферментов строго регламентированного состава, а также с получением иммобилизованных форм различных ферментных препаратов. 45. Нанопроцессы в сорбции низкомолекулярных органических соединений нативными крахмалами. Гранулированный наносорбент. Изобретение относится к способам и технологии получения сорбирующих веществ, содержащих наноструктурные элементы, может быть использована при очистке водных сред от техногенных загрязнителей (тяжелые металлы, нефтепродукты, органика, пестициды, радионуклиды и т.д.). В наст. время получают гранулированный наносорбент, который предназначен для использования в качестве фильтрующей и сорбционной засыпки, способной заменить активированный уголь, анионнокатионные смолы, обратноосмотические мембраны и.т.д. Известен сорбент и способ получения неорганических сорбентов на основе диоксида циркония в гранулированном виде, заключающийся в том, что золь гидратированного диоксида циркония (ГДЦ), содержащий 2-35 моль. % оксида алюминия по отношению к диоксиду циркония, капельно диспергируют в раствор аммиака, полученные гранулы отмывают водой и сушат при 100-900°С в течение 6 ч. Введение оксида алюминия в диоксид циркония в количестве 2-35 моль приводит к существенному (почти в десять раз) увеличению механической прочности при высоких температурах сушки. Известный способ позволяет получать сферические гранулы ГДЦ, обладающие высокой механической прочностью при 200-900°С, что дает возможность использовать сорбенты в высокотемпературных процессах очистки. Механические и термические свойства полученных гранул сорбента отвечают требованиям, предъявляемым к катализаторам и сорбентам, работающим при высоких температурах. Однако применение диоксида циркония в качестве одного из исходных компонентов существенно увеличивает стоимость конечного продукта, что негативно сказывается на его потребительских качествах. Широко известен гранулированный сорбент и способ его получения, реализуемый при работе установки для гранулирования глауконита. Сорбент содержит глауконит и связующее - золь диоксида циркония. Способ заключается в следующем: добытый на месторождении глауконит подсушивают с помощью сушильного устройства, просеивают, удаляют примеси кварца, затем снова просеивают, выделяя фракции менее 40 мкм. Более крупные фракции возвращают на повторный размол. Нанотрубки. Многие перспективные направления в нанотехнологиях связывают с углеродными нанотрубками. Углеродные нанотрубки – это каркасные структуры или гигантские молекулы, состоящие только из атомов углерода. Углеродную нанотрубку легко себе представить, если вообразить, что вы сворачиваете в трубку один из молекулярных слоёв графита – графен . Способ сворачивания нанотрубок – угол между направлением оси нанотрубки по отношению к осям симметрии графена (угол закручивания) – во многом определяет её свойства. Конечно, никто не изготовляет нанотрубки, сворачивая их из графитового листа. Нанотрубки образуются сами, например, на поверхности угольных электродов при дуговом разряде между ними. При разряде атомы углероды испаряются с поверхности и, соединяясь между собой, образуют нанотрубки самого различного вида – однослойные, многослойные и с разными углами закручивания. Диаметр однослойных нанотрубок, как правило, около 1 нм, а их длина в тысячи раз больше, составляя около 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца. Происходит так называемая самосборка углеродных нанотрубок из атомов углерода. В зависимости от угла закручивания нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов, проводимостью, а могут иметь свойства полупроводников. Углеродные нанотрубки прочнее графита, хотя сделаны из таких же атомов углерода, потому, что в графите атомы углерода находятся в листах (рис. 22). А каждому известно, что свёрнутый в трубочку лист бумаги гораздо труднее согнуть и разорвать, чем обычный лист. Поэтому-то углеродные нанотрубки такие прочные. Нанотрубки можно применять в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей, ведь модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Поэтому нить, сделанная из нанотрубок, толщиной с человеческий волос способна удерживать груз в сотни килограмм. Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок обычно составляет около сотни микронов - что, конечно, слишком мало для повседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается - сейчас ученые уже вплотную подошли к миллиметровому рубежу. Поэтому есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры. 46. Как конструируются рекомбинантные биокатализаторы. РЕКОМБИНАНТНЫЕ БИОКАТАЛИЗАТОРЫ ДЛ Я ДИАГНОСТИКИ И БИОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ Т РАНСФОРМАЦИИ. Оксидаза Dаминокислот (DAAO) является одним из активно исследуемых в настоящее время ферментов. На практике DAAO может быть использована: 1) для определения ряда Dаминокислот в сложных образцах, включая спинн омозговую жидкость (например, диагностика шизо френии, для выявления которой в данный момент известны лишь косвенные методы). 2) для синтеза α-кетокислот и неприродных Lаминокислот из дешевых рацемических смесей. Упомянутые соединения являются исход ным блоками для синтеза лекарств, а их получение с помощью обычных методов орг анической химии характеризуется низкими выходами и образованием большого количества поб очных продуктов. 3) для анализа оптической чистоты смеси рацемат ов аминокислот, который не требует использования дорогих колонок с привитой хиральной фазой. Практическое применение DAAO в настоящее время ограничено очень высокой стоимостью фермента изза отсутствия дешевого и эффективного метода ег о получения, а широким спектром субстратной специфичности природного фермент а, что не позволяет селективно определять отдельные D аминокислоты, что очень важно для медицинской диагностики. Например, для ранней диагностики шизофрении необходим фермент активный с Dсерином и неактивный с Dаланином. В случае болезни Альцгеймера для опр еделения уровня Dаланина в присутствии высоких концентраций Dсерина требуется фермент с обратной субстратно й специфичностью. В нашей лаборатории создан рекомбинантный штамм E. coli суперпродуцент оксидазы Dаминокислот из дрожжей Trigonopsis variabilis, ч то позволяет приступить к экспериментам по белковой инжене рии этого фермента. Отметим, что фермент из T. variabilis по своей каталитической активност и превосходит остальные известные DAAO, в том числе из дрожжей R. gracilis. Решение поставленной задачи получения мутантн ых форм DAAO с заданным спектром субстратной специфичности возможно с исп ользованием двух подходов – неупорядоченного мутагенеза (метод направленн ой эволюции) и сайтспецифического мутагенеза (рациональный дизайн). Анализ применения этих дв ух подходов для DAAO из R. gracilis показал, что рациональный дизайн позволяет дост ичь гораздо более лучших результатов, чем метод направленной эволюции. Однако даже самые луч шие мутанты DAAO из R. gracilis уступали по эф фективности нашему ферменту. В нашей работе п ланируется проведение экспериментов по белков ой инженерии DAAO из T. variabilis с помощь ю рационального дизайна. Для этого планируется вначале построить компь ютерную модель структуры фермента, а затем получить кристаллы и определить структур у с помощью рентгеноструктурного анализа. Нами планируется получить мутантные формы фермента активные с Dсерином и неактив-ный с Dаланином и активные с Dаланином и неактивные с Dсерином, а также мутантные формы более активн ые с цефалоспорином С, из которого получают 7-аминоцефалоспорано-вую кислоту – исходное соединения для синтеза полусинтетиче ских цефалоспориновых антибиотиков. Опыт усп ешной реализации всего цикла таких исследовани й– компьютерное моделирование, рентгеноструктур ный анализ фермента дикого типа и его мутантов, разработка собственного подхода к анализу структуры и предсказания мутаций – был продемонстрирован на примере других ок сидоредуктаз – формиатдегидрогеназы и пероксидазы. Возможный объем производства биокатализаторо в на основе оксидазы D-аминокислот, рассчитанный исходя из потребности в проду кте (на территории РФ) составляет 810 млн. руб./год. Предварительная оценка показы вает, что для выполнения запланированного объе ма работ потребуется 5-7 лет. 47. Биологическая регенерация промышленных адсорбентов в процессах очистки сточных вод. Общеизвестно, что адсорбционные методы преимущественно применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Верхний предел применения сорбционных методов 1000 мг/л. Нижний предел применения 5 мг/л. Адсорбцию уже используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, красителей и др. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод содержащих несколько .веществ, а также рекуперации этих веществ. Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией. Она может быть деструктивной, при которой извлеченные изсточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Регенерация адсорбента. Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа) равна 200-300 °С, а инертных: газов 120-140 °С. После десорбции пары конденсируют и вещество извлекают из конденсата. Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических оснований) или раствором щелочей (для удаления кислот). При этом за счет ионизации молекулы сорбата получают заряд и за счет этого десорбируются. В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем). Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700-800°С в бескислородной среде. Разрабатываются биологические методы регенерации углей, при которых адсорбированные вещества биохимически окисляются. Этот способ регенерации значительно удлиняет срок использования сорбента, но длителен и трудоемок. Примеры адсорбционной очистки. Адсорбционная очистка сточных вол от нитропродуктов, содержание которых в воде находится в пределах 1400 мг/л, производят углями до остаточного их содержания не более-20 мг/л. Уголь регенерируют растворителями (бензолом, метанолом, этанолом, метиленхлоридом). Растворитель и нитропродукты разделяют перегонкой. Остатки растворителя из угля удаляют острым паром. Для извлечения фенолов из сточных вод используют активные угли различных марок. Высокой поглотительной способностью обладают селективные сильнокарбонизированные малозольные угли с высокой пористой структурой. Регенерацию углей проводят термическим способом в многоподовых печах или печах с кипящим слоем при температуре 870930 °С. При этом теряется 10-15% адсорбента. Возможно удаление фенолов из углей и аммиачной водой. В некоторых случаях очистку сточных вод от фенолов возможно проводить с применением таких сорбентов, как диатомиты, трепел, шлаки, кокс, торф, силикагель, кварцевый песок, керамзит, керамикулит и др. Однако адсорбционная емкость их мала. Для силикагеля она составляет 30%, а для полукокса всего 6%. Практически полной дефенолизации сточных вод добиваются, используя в качестве сорбента сульфат железа, модифицированный полиакриламидом и карбоксиметилцеллюлозой. Лигнин, пропитанный хлорным железом, способен сорбировать до 92% -фенола при концентрации последнего 3-9 мг/л. Активные угли в виде порошков применимы для удаления из воды хлорорганических пестицидов до их остаточной концентрации 10-б мг/л. 48. Примеры разработки и использования биофильтра для очистки газовоздушных выбросов. Использование: в микробиологических производствах для очистки газовоздушных выбросов. Биофильтр работает следующим образом. Газовоздушные выбросы микробиологических производств, содержащие микробный аэрозоль и примеси неприятно пахнущих веществ, поступают через воздуховод подвода выбросов 6 под горизонтальную опорную решетку и затем проходят вертикально снизу вверх сквозь размещенный по ней слой биологическиактивного фильтрующего материала, очищаются в нем от микробного аэрозоля и примесей неприятно пахнущих веществ и затем очищенные через зазор между боковыми стенками и перекрытием выбрасываются в атмосферу. При фильтрации газовоздушных выбросов через пропитанный питательной средой слой биологическиактивного фильтрующего материала примеси неприятно пахнущих веществ абсорбируются питательной средой и окисляются обитающими в ней микроорганизмами до воды и углекислого газа в ходе их обмена веществ. Наличие соломы злаковых культур в качестве основной части биологически-активного фильтрующего материала обеспечивает ему волокнистую структуру. Содержащиеся в газовоздушных выбросах из ферментатора микрокапли питательной среды с культурой микроорганизмов (микробный аэрозоль) за счет диффузии оседают на волокнах материала, образуя микропленку жидкости, которая по мере утолщения под действием силы тяжести стекает вниз и в виде капелек выводится из слоя биологическиактивного фильтрующего материала, собирается на днище и отводится через дренажный отвод. Эта жидкость одновременно является питательной средой для микроорганизмов, обитающих в биологическиактивном материале. Мельчайшие субмикронные капельки аэрозоля увеличиваются в размерах за счет конденсации на них водяного пара и затем улавливаются фильтрующим материалом в верхней его части, охлаждаемой атмосферым воздухом. Поток атмосферного воздуха поступает в пространство над биологически-активным фильтрующим материалом через зазор. Атмосферный воздух перемешивается с очищенными выбросами, охлаждает их и охлаждает верхнюю поверхность биологически-активного фильтрующего материала. Очищенные выбросы при перемешивании с воздухом охлаждаются, в них конденсируется водяной пар, образуя туман. При движении такой смеси около нижней поверхности холодного перекрытия на ней интенсивно конденсируется водяной пар, образуя пленку жидкости. Для того чтобы образующаяся пленка жидкости равномерно стекала на слой биологически-активного фильтрующего материала в виде периодически отрывающихся капель от всей нижней поверхности перекрытия, перекрытие имеет наклон от боковых стенок внутрь к оси симметрии, а угол наклона перекрытия к горизонту составляет 1-2o. Возвращение конденсата в виде капель способствует повышению степени очистки от микробного аэрозоля. 49. Новые аспекты получения биоминеральных сорбентов. Любые сорбенты при всех их многочисленных достоинствах не в состоянии решать проблему утилизации адсорбируемых ими опасных органических веществ. Для удаления «поглощенного» адсорбентом вещества необходимо изъять из среды «нагруженный» адсорбент, что далеко не всегда возможно. Решать проблему утилизации опасных органических веществ могут только м\о. Для повышения комплексной эффективности, для достижения целей ликвидации поллютантов в окружающей среде, а не только их концентрирования на адсорбенте необходимо объединить концентрирующие ф-ции сорбента с утилизирующими способностями м\о. Для этого следует «зарядить» сорбент соответствующими м\о. Если многие адсорбенты полифункциональны в смысле широты сорбируемых ими в-в, то м\о, как и все другие живые объекты, обладают специфичностью фций, условий существования и условий проявления своей максимальной акт-ти в отношении осуществляемых процессов. Необходимо создать композит - «адсорбент микроорганизм», что позволит усилить функции и адсорбента и м\о. Преимущества такого композита: - будут выполняться сразу два вида очистки экосистемы - физическая и биологическая. - будут выполняться две функции - сбор и концентрирование поллютанта и его утилизации до углекислоты и воды. в экосистеме не будет накапливаться сконцентрированный на адсорбенте поллютант и «нагруженный» поллютантом адсорбент не нужно будет удалять из экосистемы. - микробная биомасса, поступающая в водную или почвенную экосистему, станет частью функционирующей в экосистеме пищевой цепи и тем самым усилит общую экологическую активность экосистемы. Сорбент будет выполнять для м\о несколько положительных функций, в том числе: защитную от выедания «хищниками»; концентрировать органический субстрат; стабилизировать перепады физико-мимических факторов внешней среды (рН, температуры, а в почве и влажности); обеспечивать минеральными элементами. Такими м\о являются представители родов бактерий: Rhodococcus, Mycobacterium, Corynebacterium, Nocardia Pseudomonas, Acinetobacter, одноклеточных грибов: Candida, Rhodotorula, Torulopsis или многоклеточных, н-р, представители рода Cladosporium и др. Но это не означает, что любой штамм этих родов представляет интерес и выживает в прочих сорбентах. Необходимо будет решить некоторые частные вопросы. Н-р, известно, что как адсорбент, так и м\о несут электрический заряд. Поэтому необходимо предупредить возможную проблему удерживания микроорганизмов на поверхности неорганического сорбента. Необходимо решить проблему соотношения концентрации клеток соответствующего м\о и доступной площади поверхности адсорбента. Другими словами необходимо оставить часть свободной поверхности на адсорбенте после закрепления на нем клеток бактерий для сорбирования поллютанта. Соотношение численности клеток м\о и свободной площади для органических в-в можно решить только экспериментально. 50. Примеры микробных биосенсоров для обнаружения токсичных соединений в объектах окружающей среды. Цельноклеточные бактериальные генетически измененные биосенсоры, представляют собой экспрессное, недорогое и чувствительное средство для изучения экологической обстановки окружающей среды. Современные тест-системы позволяют проводить определение обычно без экстракци и ферменов и репортерных белков из клетки, что дает весомые преимущества для работы в полевых условиях на «живой» системе. В настоящее время применение цельноклеточных биосенсоров расширяется в не только в области биотехнологии, но и в медицине при диагностике, фармакологии, пищевой и химической промышленности, в научных исследованиях при изучении регуляции транскрипции генов, в функциональной геномике, микробной экологии in situ. С помощью цельноклеточных биосенсоров можно оценить токсичность металлов, общую токсичность и генотоксичность, мутагенный и канцерогенный потенциал антибиотиков, многих лекарственных и вновь синтезируемых органических и неорганических соединений. Можно изучать метаболизм целых организмов и м\о, судьбу препаратов, применяемых для защиты растений от вредителей, пестицидов и фунгицидов. Модификации промоторов м\о и другие генетические манипуляции, позволяют увеличить чувствительность определения аналитов. Хотя следует отметить, что применение природных, не модифицированных промоторов, позволяет оценить воздействие экотоксикантов наиболее адекватно. Исп-ние цельноклеточных биосенсоров позволило расширить сферу применения средств регистрации сигналов из клетки с помощью приборных методов: световолоконной оптики, поверхностного плазмонного резонанса, кондуктометрии, различных сред (гели, пленки). Появились возможности сорбции клеток на поверхности сенсоров волоконно-оптического характера, пленках, гелях, пористых стекляных шариков, диализных мембранах, что позволяет повысить точность определения аналита. Появление рынка биосенсоров в России, связанное с производством недорогих тестсистем. Позволит использовать такие цельноклеточные биосенсоры в экологическом мониторинге более широко. Изучение индукции различных ферментных систем пестицидами, компонентами ракетного топлива, продуктами химической, пищевой и фармацевтической промышленности, позволит в ближайшее время применять микроорганизмы не только для определения экотоксикантов, но и для биоремедиации загрязненных объектов окружающей среды. Таким образом, цельноклеточные бактериальные биосенсоры, появившиеся в последние десятилетия, являются перпективным средством для определения экотоксикантов в объектах окружающей среды: 1.Биосенсоры позволяют определять только биодоступные для живой клетки компоненты, давая объективный ответ о токсической или мутагенной опасности экотоксикантов. Это позволяет наметить меры для биоремедиации окружающей среды. Если аналит биодоступен, он потенциально биодеградируем. 2.Биосенсоры дают в руки экологов и других исследователей экспрессное, дешевое и доступное средство предварительной оценки действия экотоксикантов на живую клетку. 3.Исп-ние генетически измененных м\о, способных существовать в окружающей среде и подвергать экотоксиканты деградации, дает экологам перспективы оценки отдаленных последствий воздействия аналита на организм человека и животных. 3.Биосенсоры дают возможность оценить канцерогенный потенциал пестицидов, антибиотиков и химических соединений на живой организм. 4.Биосенсоры представляют собой средство научного изучения транскрипционной регуляции различных ферментных систем, участвующих в ответе на экотоксиканты. 51. Каковы свойства биологических систем лежащих в основе использования биоэлементов в бионанотехнологии. ДНК, РНК, белки и другие биомолекулы в природе участвуют в переносе заряда и имеют нанометровый размер. Молекула ДНК обладает важными для создания электронных устройств свойствами: самовоспроизводимостью, возможностью копирования и самосборки. Биологические молекулы могут обладать диэлектрическими, металлическими, полупроводниковыми и даже сверхпроводящими свойствами. На их основе могут быть созданы: нанотранзисторы, нанодиоды, логические элементы, наномоторы, нанобиочипы и другие приборы нанометрового масштаба. Разработана конструкция электронного нанобиочипа, в основе функционирования которого лежит свойство изменения проводимости одноцепочечного олигонуклеотида при его гибридизации с комплементарным участком. Такой биочип будет в миллион раз производительнее оптических ДНК-биочипов. Как и оптический биочип, электронный биочип может быть использован для диагностики различных заболеваний и одновременного секвенирования сотен тысяч генов, что делает реальным создание генетического паспорта отдельного человека. Предполагается, что электронные устройства на основе биомолекул будут в тысячу раз производительнее полупроводниковых. В настоящее время уже разработана технология создания молекулярных нанопроводов на основе ДНК и электронной памяти на основе вируса табачной мозаики. Аргон широко применяется в светотехнике, так как обладает способностью к яркому синеголубому свечению под воздействием электрического тока. В среде аргона проходят процессы, при которых требуется не допустить контакта расплавленного металла с азотом, кислородом, влагой воздуха и углекислотой. Аргонная среда применяется в горячей обработке вольфрама, урана, титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, тория, а также щелочных металлов. В аргонной атмосфере обрабатывают плутоний, а также получают некоторые соединения ванадия, хрома, титана. Жидкостью этот газ становится при – 185,9°C в условиях нормального давления. Аргон замерзает при – 189,4°C, хорошо растворяется в воде при 20°C . В нанотехнологических исследованиях широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному изучению строения вещества – при более высоких температурах наиболее тонкие элементы энергетических спектров оказываются замаскированными тепловым перемещением атомов. В температурной среде жидкого гелия многие металлы и сплавы превращаются в сверхпроводники. Сверхпроводниковые релекриотроны находят сегодня применение в конструкциях электронно-вычислительных машин. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимым звеном в нанотехнологиях. Помимо температурных свойств, гелий обладает еще одной уникальной особенностью. Этот газ применяется в технологических операциях, которые невозможно проводить в обычной воздушной среде. 52. Перечислите разнообразие используемых в технических устройствах биоэлементов. Практическое применение нанотехнологий предполагает изготовление устройств, способных создавать и обрабатывать объекты на уровне молекул, атомов и наночастиц. Одним из примеров практического применения промышленных газов в области нанотехнологий стали углеродные нанотрубки — вытянутые структуры цилиндрической формы, имеющие диаметр от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров. Ученые из США получили положительный результат, внедряя в углеродные нанотрубки азот при помощи способа, предполагающего управление количеством газа содержащего азот во время роста структуры. Полученный результат означает, что данный метод может применяться для управления электронным характером подобных объектов. Упомянутые наноструктуры возможно применять в конструкциях устройств для хранения данных и т.п. Углеродные нанотрубки с примесью азота могут использоваться для создания суперконденсаторов или для изготовления легких проводов. Практически в каждом выпущенном в США автомобиле используются те или иные нанокомпозитные элементы, в основном, это углеродные нанотрубки в сочетании с нейлоном, защищающие топливную систему от статического электричества. Подобная нанотехника уже сейчас пользуется большим спросом, например, в космической отрасли. Применение азота открывает широчайшие возможности для управления проводимостью нанотрубок. Еще одним газом, используемым в нанотехнологиях, является аргон. Аргон широко применяется в светотехнике, так как обладает способностью к яркому сине-голубому свечению под воздействием электрического тока. В среде аргона проходят процессы, при которых требуется не допустить контакта расплавленного металла с азотом, кислородом, влагой воздуха и углекислотой. Аргонная среда применяется в горячей обработке вольфрама, урана, титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, тория, а также щелочных металлов. В аргонной атмосфере обрабатывают плутоний, а также получают некоторые соединения ванадия, хрома, титана. В сфере нанотехнологий, аргон используется в процессах аргонно-кислородного дутья, производимого в специальных AODконвертерах. AOD-конвертеры применяются для обезуглероживания расплавов, имеющих высокую степень концентрации хрома при сниженном парциальном давлении монооксида углерода. Разбавление оксида углерода аргоном при вдувании его смеси с кислородом в расплав, это основной процесс, протекающий при окислении углерода, необходимый для сокращения потери хрома при выплавке его из высокоуглеродистого феррохрома. Продувка аргоном расплава стали намного повышает ее качество. В нанотехнологических исследованиях широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному изучению строения вещества – при более высоких температурах наиболее тонкие элементы энергетических спектров оказываются замаскированными тепловым перемещением атомов. В температурной среде жидкого гелия многие металлы и сплавы превращаются в сверхпроводники. Сверхпроводниковые релекриотроны находят сегодня применение в конструкциях электронно-вычислительных машин. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимым звеном в нанотехнологиях. Они присутствуют в составе детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей, оптических квантовых генераторов, приборов для измерения сверхвысоких частот. Помимо температурных свойств, гелий обладает еще одной уникальной особенностью. Этот газ применяется в технологических операциях, которые невозможно проводить в обычной воздушной среде. Чтобы исключить возможность контакта получаемого вещества с газами атмосферы, создается специальная защитная среда, для ее создания самый подходящий газ, это гелий. 53.Каковы основы классификации биоэлементов по сфере применения. Биоэлемент это элементарная единица функционирования живой материи, кот яв-ся биоки активным комплексом хим-х элементов в виде атомов, ионов и наночастиц с ор-ми соед-ми экзогенного (первичные) или биогенного (вторичные) происхождения. Биоэлементы широко исп-ся при создании бионаноустройств. Их исп-е и определяет сферу применения самих биоэлементов. В качестве примера можно привести биосенсоры для выявления каких-либо в-в, присутствующих в окр. среде или организме человека. Сущ-т мед. сфера применения биосенсоров (антигены, антитела, ферменты и т.д.) и есть экологическая сфера применения (микроорганизмы для определения токсичности). Биосенсор может использовать биохимические реакции, опосредуемые выделенными ферментами, иммунными комплексами, тканями, органеллами или целыми клетками, для детектирования химических соединений, как правило, в виде электрических, термических или оптических сигналов. Микробные сенсоры состоят из иммобилизированных микроорганизмов и какого-либо электрохимического датчика и пригодны для непрерывного контроля биохимических процессов. Принцип работы микробных сенсоров - это ассимиляция орг-х соединений м/о-и, что регистрируется электрохим-м датчиком. Тканевые материалы растительного и животного происхождения успешно используют в качестве биокаталитических компонентов биосенсоров. Биокаталитические материалы этого класса создают естественное окружение для представляющего интерес фермента, в результате чего требуемая ферментативная активность заметно стабилизируется. Во многих случаях тканевые биосенсоры служат намного дольше, чем аналогичные бносенсоры с выделенными ферментами. Кроме того, тканевые материалы сохраняют достаточно высокую специфическую активность, необходимую для конструирования некоторых биосенсоров. тогда как выделенные ферменты в тех же условиях разрушаются. Тканевые биосенсоры появились позже ферментных и микробных биосенсоров. Во многих случаях в медицине возможно использование биоэлементов для поддержания жизнедеятельности органов и тканей вместо использования клеточных культур и тканей, так как не всегда сущ-т необходимость или возможность восстановления функции в-вом, органом, тканью, полностью идентичным живому (например, в трансплантологии, ортопедии, при лечении остеопороза, болезней кожи, волос и др.). Биоэлементы подразделяются на: биоэлементы - органогены О, С, Н, N, Макроэлементы Са, Mg, Р, S, K, Na, Cl, эссенциальные микроэлементы Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co, Cr, Se, I, токсичные микроэлементы Al, Pb, Ba, Bi, Cd, Hg, Tl, Be, Sb. Биоэлементы также применяются в молекулярной биологии, физиологии растений и животных, ветеринарии, почвоведении, агрохимии, фармации, пищевой промышленности. 54.Проблемы интеллектуальной собственности в бионанотехнологических производствах. Основная задача бионанотехнологии – это получение разнообразных коммерческих «продуктов». Но ни одна компания не будет реализовывать долгосрочные проекты с высокой степенью риска, если не удостоверится в том, что результаты ее разработок будут надежно защищены от использования конкурентами. Самая важная форма интеллектуальной собственности для бионанотехнологов – это изобретение. Изобретение охраняется патентом, который представляет собой узаконенный документ, обеспечивающий исключительные права патентовладельца на коммерческое использование изобретения. Рассмотрим проблему интеллектуальной собственности на примере патентования ДНК-послед-тей. Наиболее значимым патентом, выданным на способ получения продукта с использованием гена человека стал патент на способ получения рекомбинантного эритропоэтина, который принес заявитею за один год более 1 млрд. $. Эритропоэтин стимулирует образование эритроцитов и исп-ся для предупреждения анемии у больных с почечной недостаточностью, которые подвергаются диальзу. Множество др-х нуклотидных послед-тей исп-ся в качестве диагностических зондов (биомаркеров). С начала осущ-ия проекта «Геном человека», в том числе с частичным секвенированием кДНК человека из различных тканей и органов, много вопросов и споров стало вызывать патентование неполноразмерных генов. В 1991 г. Национальные институты здравоохранения США подали патентную заявку на 315 частично секвенированных послед-тей кДНК человека (EST). Ещё две заявки увеличивали общее число частично секвенированных EST, на которое испрашивались патенты. В 1994 г. Ведомство по патентам и товарным знакам (РТО) уведомило институт, что оно намерено отклонить заявки на том основании, что функции послед-тей неизвестны. Или другими словами, было сочтено, что сами по себе частично секвенированные послед-ти не удовлетворяют условию патентоспособности «промышленная применимость». Противники патентования фрагментов ДНК считают, что несмотря на несомненную ценность таких послед-тей, выдача таких патентов не только предоставит патентовладельцам слишком широкие права, но и будет препятствовать разработке различных диагностических и терапевтических средств. В связи с этим тысячи EST рассмат-ся сейчас как некие промежуточные, а не конечные продукты. С другой стороны, сторонники патентования EST утверждают, что такие послед-ти яв-ся новыми, т.к. они комплементарны мРНК из различных тканей и органов, а также они имеют промышленную применимость, поскольку каждый набор EST можно исп-ть в диагностических целях, с тем, чтобы опред-ть, в какой мере то или иное заболевание сопряжено с измерением мРНК в различных органах. Т.о. проблема патентования EST остается открытой. Может пройти некоторое время, прежде чем она будет окончательно решена, особенно если заявители отклоненных РТО заявок подадут в суд. 55.Неорганические молекулы участники биологических процессов. Обмен в-в и практически все процессы в организме контрол-ся орган. и неорган. молекулами. Особую роль в регуляции биопроцессов играют неорг-е молекулы: Са, Nа, К и т.д. В качестве примера можно привести ионные каналы. ИК - это специализированные белки клеточной мембраны, образующие гидрофильный проход, по которому заряженные ионы могут пересекать клеточную мембрану по электрохимическому градиенту. Пути с «воротами», которые могут находиться в открытом или закрытом состоянии.Участвуют в облегченной диффузии. Облег.диффузией переносятся сахара, аминокислоты, нуклеотиды и др.полярные мол. Каналы обычно участвуют в переносе определённых ионов. Через ионные каналы проходят ионы Na+, K+, Cl− и Ca++. Изза открывания и закрывания ионных каналов меняется конц-я ионов по разные стороны мембраны и происходит сдвиг мембранного потенциала. Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются молекулярные системы открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. Ионные каналы могут иметь несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами. Также важную роль в жизнедеятельности клетки играют такие минеральные соли (помимо тех, что представлены выше), как соли магния и анионы соляной, угольной, фосфорной и некоторых других кислот. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия в 20— 30 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия внутри клетки, наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных градиентов концентраций осуществляются многие важные процессы жизнедеятельности, такие, как возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон. После гибели клетки конц-я катионов снаружи и внутри быстро выравнивается. Анионы слабых к-т участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса (рН) клетки. Анионы фосфорной кислоты необходимы для синтеза главной энергетической молекулы — АТФ, нуклеотидов и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Минеральные соли в живых организмах находятся не только в виде ионов, но и в твердом состоянии. Кости нашего скелета в основном состоят из фосфатов кальция и магния. Углерод способен образовывать стабильные, прочные ковалентные связи его атомы образуют стабильные цепи или кольца. Углеродные атомы образуют обычные ковалентные связи с атомами Н, N, О, Р, S. Также способен образовывать кратные связи; этим же свойством обладают кислород и фосфор. 56.Почему биологически активные вещества служат основой построения биологических макромолекул для бионанотехнологий. БАВ - это соед-я, кот. вследствие своих физикохим св-в имеет определенную специфическую активность и выполняет или влияет, меняет каталитическую (ферменты, витамины, коферменты), энергетическую (углеводы, липиды), пластичную (углеводы, липиды, белки), регуляторную (гормоны, пептиды) или иную функцию в организме. БАВ служат основой построения био макромолекул, т.к. они обладают ценными св-ми: термолабильность, биологическая активность, влияние на них активаторов и ингибиторов, стерильность получения и др. Одним из важнейших св-в БАВ яв-ся их био активность. Она зависит от уровня рН среды, температуры и может теряться в процессе нагревания в результате повышения локальных значений температур, образования неравномерности потоков р-ра, перегрева пристенного слоя р-ра свыше температур термической стойкости и длительном времени обработки. Основными функциями БАВ яв-ся: клеточный обмен в-в в организме; превращения в-в; синтез необходимых в-в; катализации биореакций в организме. Размеры большинства БАВ сильно варьируют. Наночастица - это изолированный твердофазный объект, имеющий отчетливо выраженную границу с окр. средой, размеры которого во всех трех измерениях составляют от 1 нм до 100 нм. Многие БАВ можно классифицировать как наночастицы. Те БАВ, характерные размеры которых лежат в диапазоне между 1 и 100 нм., служат основой для построения биомакромолекул для бионанотехнологий. 57. Каковы ключевые свойства ферментов, белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов как участников бионанотехнологий. Размеры большинства атомов лежат в интервале от 0.1 до 0.2 им. Наночастица (англ. nanoparticle) это изолированный твердофазный объект, имеющий отчетливо выраженную границу с окруж.средой, размеры к-рого во всех трех измерениях сост. от 1 им до100 им. Многие биообъекты можно классиф-вать как наночастицы. Фермент - белковые молекулы, реже молекулы РНК или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) хим. реакции в живых системах. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних вещ-в (субстратов) в др.(продукты). Основные ф-ции ферментов — катализировать превращение вещ-в, поступающих в организм и образ-ся при метаболизме, а также осущ. молек.биолог. процессы (н-р, воспроизведение и реализацию генетической инф-ции). Ферменты выступают в роли катал-ров практически во всех биохим. р-циях, протекающих в живых организмах: ими катализируется около 4000 рций. Белки — высокомолек. природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соед. амидной (пептидной) связью –CO–NH–. Каждый белок харак-ся специф-кой аминокислотной послед. и индивид.простран-ной структурой (конформацией). Белки яв-ся одной из основных функц-ных структур всего живого. Данные структуры находят широкое применение в нанобиотех. и наномедицине. К ним относятся: молек. векторы направленной доставки лекарств (антитела), чувств-ные элементы хим. сенсоров (ферменты и ионные каналы), биогенные и универ-ные наночастицы терапевкого или диагностического назначения и многое др. Нуклеиновая кислота - полимерная молекула, сост. из нуклеотидов. Полинуклеотиды — биополимеры,НК, образов. нуклеотидными звеньями, к-рые в свою очередь состоят из азотистого основания, углеводного остатка и фосфатной группы. Цепочки из нуклеотидов соед. через остаток фосфорной кислоты (фосфодиэфирная связь). В состав всех НК входят аденин, цитозин и гуанин, а также тимин (ДНК) и урацил (РНК). В клетках синтез НК осущ. ферментами, к-рые образуют новые цепи полинуклеотидов, используя в качестве матрицы резидентную молекулу НК. Полинуклеотиды опред-го нуклеотидного состава могут быть использованы как структурные элементы ДНКнаноструктур или элементы биогенных наночастиц. Липосомы находят широкое применение в качестве наноносителей для ферментов и лекарственных препаратов, что обусловлено главным образом близостью свойств липидных носителей и природных биомембран. По своей природе входящие в состав биологических мембран липиды можно разделить на три класса: фосфолипиды, гликолипиды и нейтральные липиды, основным представителем которых является холестерин. Мицеллы представляют собой практически идеальную среду для выделения и проведения структурных исследований мембранных белков. Типичный диаметр мицелл равен 4-10 нм, гидрофобные углеводородные «хвосты» молекул мицелл изолированы от контактов с водой полярными «головами». Биология и нанотехнологии имеют обширный «интерфейс». Биологические системы состоят из наноразмерных строительных блоков и молекулярных машин (моторов). Их организация и принципы работы представляют непочатый край новых подходов и структур для нанотехнологий. Вместе с тем, нанотехнологии обеспечивают биологию инструментарием и технологиями для изучения организации живого на молекулярном уровне. Соразмерность биологических структур и искуственных наноматериалов, с одной стороны, может определять биологические и токсические свойства последних. С другой — биологические структуры могут использоваться для конструирования новых наноустройств. 58. Основные бионанообъектов, используемые для бионанотехнологии. Наноразмерные биологические объекты компоненты живых систем, имеющие линейные размеры 1–100 нм по крайней мере в одном измерении. К бионанообъектам относятся молекулы белков, нуклеиновых кислот(ДНК, РНК) и полисахаридов, формирующие внутриклеточный каркас (цитоскелет) ивнеклеточный матрикс, мембранные каналы, рецепторы и переносчики, систему внутриклеточной сигнализации, молекулярные машины для синтеза, упаковки и утилизации белков и нуклеиновых кислот, производства энергии, внутриклеточного транспорта и движения клеток. Размер белковых молекул и надмолекулярных белковых комплексов колеблется от 1 до 1000 нм. Диаметр спирали ДНК составляет 2 нм, а ее длина может достигать нескольких сантиметров. Белковые комплексы, формирующие нити цитоскелета, имеют толщину 7–25 нм при длине до нескольких микрон. Белковые комплексы, образующие поры, достигают 120 нм в диаметре. Внеклеточные структуры также могут иметь наноразмерные характеристики. Так, экзосомы, везикулы, переносящие материал между клетками, имеют диаметр 65–100 нм, а частицы липопротеинов плазмы крови, транспортирующие липиды в организме, — 8–50 нм. Основной объект воздействия современной медицины - это клетка, а зачастую макромолекулы (ДНК, белки, реже полисахариды). Но если размер клеток 7-20 мкм, а диаметр двойной спирали ДНК 2,4 нм, то и инструменты для их починки должны быть того же порядка, что и объект, то есть нанометрового диапазона. Конечную цель наномедицины можно определить как создание "нанороботов-лекарей", которые путешествуют по организму, проходят через все барьеры и доставляют к клеткам лекарственную субстанцию, а также устройства для манипуляций над клетками и молекулами. Сегодняшний же уровень развития наномедицины - это доставка лекарственных и диагностических субстанций в наноконтейнерах в нужное место. Такая адресная доставка обеспечивает более эффективное действие лекарства и сохраняет окружающие ткани. Для нее служат нанокапсулы (стелс-липосомы) или векторы для генной терапии (вирусные и невирусные). У наночастиц-лекарей несколько последовательных задач. Им надо найти в организме клетки-мишени, пройти через все барьеры, доставить к ним субстанцию для лечения или диагностики, затем проникнуть внутрь клетки и выгрузить содержимое. После выполнения своей задачи судьба наночастиц распасться на части и покинуть организм. Для того, чтобы обеспечить выполнение всех этих этапов действий, им надо обладать некоторыми вполне определенными свойствами. Иметь рецепторы для направленного движения к цели. Обладать способностью проходить через клеточные мембраны. Высвобождать содержимое точно в нужное время и в нужном месте. Быть нетоксичными. Мишени, на которые направлены наночастицы, это, к примеру, раковые клетки, клетки, зараженные вирусом, атеросклеротические бляшки и всяким образом поврежденные органы. Когда доксорубицин доставляется к опухоли в липосомах, его лечебное действие на опухоль в несколько раз больше, чем когда раствор просто вводится в организм (в опытах на мышах). Барьеры, которые встают на пути наночастиц, многообразны: стенки желудочно-кишечного тракта, стенки капилляров, гемато-энцефалический барьер (между кровью и клетками мозга), мембрана клетки и мембраны клеточных органелл. И они их успешно преодолевают, например, через ГЭБ наночастицы проходят лучше, чем отдельные молекулы. 59. Какие регуляторы используются в биологических процессах в бионанотехнологии. Регуляторными молекулами биопроцессов являются гормоны, ферменты, медиаторы, разнообразные биологически активные вещества; Ферменты — это белки, обладающие специфическими каталитическими свойствами, то есть каждый фермент катализирует одну или несколько сходных реакций. Ферменты катализируют реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм), в том числе репликацию и репарацию ДНК и матричный синтез РНК. Гормоны — биологически активные вещества органической природы, вырабатывающиеся в специализированных клетках желёз внутренней секреции, поступающие в кровь и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции. Гормоны служат гуморальными регуляторами определённых процессов в различных органах и системах. Медиатор — 1) мультибелковый комплекс, необходимый для транскрипции генов эукариот РНК-полимеразой II. Термин «М.» предложен И. Келлихером с соавт. в 1990 г. 2) сигнальное вещество, синтезирующееся в отличие от гормонов не специализированными клетками желез внутренней секреции, а различными другими типами клеток. После секреции М. оказывает гормоноподобное действие на окружающие ткани. К наиболее важным М. относятся гистамин и простагландины. Примером регуляторов в биологических системах может стать инактивация наноматериалов как токсикантов. Первый фермент в мультиферментных системах биотрасформации является обычно регулятором. Поскольку аллостерические ферменты часто участвуют в регулировании (регуляторные ферменты), роль сигнала управления (α) играет эффектор (положительный – активатор, отрицательный – ингибитор). Природные пептидные биорегуляторы — комплексы из пептидов, аминокислот, витаминов и микроэлементов, регулирующих процессы метаболизма. Способствуют: 1.Восстановлению нарушенных функций органов и тканей; 2.Регуляции активности генов: короткие пептиды связываются со строго определенными участками соответствующих генов, инициируя раскручивание молекулы ДНК и считывание с нее информации; 3.Делению клетки без атипии. 60. Перечислите основные биологические процессы, используемые в бионанотехнологии. Процессы, в которые вовлекаются наноструктуры (наночастицы) получили название нанопроцессов. Самый главный нанопроцесс в живом организме – биосинтез белка. Транскрипция – процесс синтеза РНК с использованием комплементарной ей ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках; перенос генетической информации с ДНК на РНК. Первая стадия процесса биосинтеза белков. Трансляция – осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной РНК. Трансляция является финальной реакцией реализации генетической информации. Репликация ДНК — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Гибридизация ДНК - слияние двух отдельных цепей ДНК от разных видов (организмов) в единую двухцепочечную молекулу ДНК. При комплементарности всех нуклеотидов обеих цепей (полной комплементарности) слияние происходит легко и быстро. В случае неполной комплементарности слияние цепей в единую двухцепочечную молекулу (дуплекс) замедляется. На основании оценки скорости этого слияния делают вывод о степени комплементарности исходных цепей. Описанным методом можно сформировать дуплексы типа ≪ДНК-ДНК≫, так и соединения типа ≪ДНК-РНК≫, в результате которых образуются рекомбинантные ДНК. Фолдинг (англ. Folding)- это процесс принятия молекулами определенной формы или конформации. Наиболее активно изучается фолдинг белков, которые образуют третичную структуру за счет специфической последовательности аминокислот, имеющих определенные химические свойства. При взаимодействии аминокислот друг с другом и клеточным окружением получается хорошо определённая трёхмерная структура — конформация. В результате на внешней поверхности белковой глобулы формируются полости активных центров, а также места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и с биологическими мембранами. Форма молекулы белка обуславливает его функции и может быть использована для разработки лекарственных средств, влияющих на различные процессы в организме. В некоторых случаях возможно существование двух правильных конформаций белка (конформеров), выполняющих различные функции, и имеющих примерно равные по энергии состояния в разных областях фазового пространства белковой молекулы. Образование правильной трехмерной структуры белка крайне важно для его корректной работы, так как нарушения в свертывании приводят к образованию неактивной молекулы с новыми свойствами. Фолдинг также имеет большое значение при синтезе новых молекул или фолдамеров. Они могут служить моделями биологических молекул и потенциально могут быть использованы при разработке новых функциональных наноматериалов.