Микрочипы на основе малых молекул




Технологии биотехнологии: белковая инженерия, нанобиотехнология, биосенсоры и биочипы

27.04.2006 14806 0

Начало брошюры см. здесь.

Белковая инженерия

 

Технология белковой инженерии используется (часто – в сочетании с методом рекомбинантных ДНК) для улучшения свойств существующих белков (ферментов, антител, клеточных рецепторов) и создания новых, не существующих в природе протеинов. Такие белки применяются для создания лекарственных препаратов, при обработке пищевых продуктов и в промышленном производстве.

В настоящее время наиболее популярной областью применения белковой инженерии является изменение каталитических свойств ферментов для разработки «экологически дружественных» промышленных процессов. С точки зрения охраны окружающей среды ферменты являются наиболее приемлемыми из всех катализаторов, используемых в промышленности. Это обеспечивается способностью биокатализаторов растворяться в воде и полноценно функционировать в среде с нейтральным рН и при сравнительно низких температурах. Кроме того, благодаря их высокой специфичности, в результате применения биокатализаторов образуется совсем немного нежелательных побочных продуктов производства. Экологически чистые и энергосберегающие промышленные процессы, использующие биокатализаторы, уже давно активно внедряются химической, текстильной, фармацевтической, целлюлозно-бумажной, пищевой, энергетической и других областях современной промышленности.

Однако некоторые характеристики биокатализаторов делают их использование в ряде случаев неприемлемым. Например, большинство ферментов распадается при повышении температуры. Ученые пытаются преодолеть подобные препятствия и увеличить стабильность ферментов в суровых условиях производства с помощью методов белковой инженерии.

Кроме промышленного применения, белковая инженерия нашла себе достойное место и в медицинских разработках. Исследователи синтезируют белки, способные связываться с вирусами и мутантными генами, вызывающими опухоли, и обезвреживать их; создают высокоэффективные вакцины и изучают белки-рецепторы клеточной поверхности, которые часто являются мишенями для фармацевтических препаратов. Ученые, занимающиеся усовершенствованием продуктов питания, используют белковую инженерию для улучшения качеств белков, обеспечивающих сохранность продуктов растительного происхождения, а также желирующих веществ или загустителей.

Еще одной областью применения белковой инженерии является создание белков, способных нейтрализовать вещества и микроорганизмы, которые могут быть использованы для химических и биологических атак. Например, ферменты гидролазы способны обезвреживать как нервнопаралитические газы, так и используемые в сельском хозяйстве пестициды. При этом производство, хранение и использование ферментов не опасно для окружающей среды и здоровья людей.

Биосенсоры

 

Биосенсорная технология сочетает в себе достижения биологии и современной микроэлектроники. Биосенсор обычно состоит из биологического компонента (клетки, фермента или антитела), соединенного с крошечным преобразователем – прибором, приводимым в действие одной системой и передающим энергию (обычно в другой форме) другой системе. Бисенсоры являются детекторами, действие которых основано на специфичности клеток и молекул и используется для идентификации и измерения количества малейших концентраций различных веществ.

При связывании искомого вещества с биологическим компонентом биосенсора преобразователь генерирует электрический или оптический сигнал, мощность которого пропорциональна концентрации вещества. Биосенсоры могут быть использованы для:

– измерения пищевой ценности, свежести и безопасности продуктов питания;
– экспресс-анализа крови непосредственно у кровати больного;
– обнаружения и измерения степени загрязнения окружающей среды;
– детекции и определения количества взрывчатых веществ, токсинов и возможного биологического оружия.

Нанобиотехнология

 

Нанотехнология, появившаяся в 2000 году одновременно с возникновением Национальной нанотехнологической инициативы (оставим этот америкоцентризм на совести авторов – КБ), является следующим шагом на пути человечества к минимизации, которая уже дала нам микроэлектронику, микрочипы и микросхемы. Слово нанотехнология произошло от единицы измерения нанометр, составляющей одну тысячную микрометра (микрона), что является приблизительным размером молекулы. Нанотехнология – изучение, производство и манипуляции над сверхмалыми структурами и приспособлениями, состоящими из одной молекулы, – возникла благодаря созданию микроскопических приборов, обеспечивающих возможность визуализации отдельных молекул, манипулирования ими и измерения возникающих между ними электромагнитных взаимодействий.

Нанобиотехнология объединяет в себе достижения нанотехнологии и молекулярной биологии. Молекулярные биологи помогают нанотехнологам научиться понять и использовать наноструктуры и наномеханизмы, созданные в результате процесса эволюции, длившегося 4 миллиарда лет, – клеточные структуры и биологические молекулы. Использование особых свойств биологических молекул и клеточных процессов помогает биотехнологам в достижении целей, перед которыми бессильны другие методы.

Нанотехнологи также пользуются способностью биомолекул к самосборке в наноструктуры. Так, например, липиды способны спонтанно объединяться и формировать жидкие кристаллы.

ДНК используется не только для создания наноструктур, но и в качестве важного компонента наномеханизмов. Вполне вероятно, что ДНК, представляющая собой молекулу, хранящую информацию, может стать основным компонентов компьютеров следующего поколения. Вместо того, чтобы создавать кремниевую основу микросхемы, нанотехнологи смогут использовать двухцепочечную молекулу ДНК, которая представляет собой натуральный каркас для создания наноструктур, а ее способность к высокоспецифичному связыванию позволяет объединять атомы в предсказуемой последовательности, необходимой для создания наноструктуры.

К тому времени, как микропроцессоры и микросхемы превратятся в нанопроцессоры и наносхемы, молекулы ДНК могут заменить используемые в настоящее время неорганические полупроводники. Такие биочипы будут представлять собой ДНК-процессоры, использующие исключительную способность ДНК к хранению информации. Концептуально они будут очень отличаться от биочипов, описанных в одном из следующих разделов. По расчетам, процессор, содержащий 1000 молекул ДНК, в течение четырех месяцев сможет справиться с задачей, для решения которой современному компьютеру требуется не менее ста лет.

Другие биологические молекулы тоже помогают нам в постоянной гонке за созданием способов передачи как можно большего количества информации в как можно меньших объемах. Например, некоторые исследователи используют поглощающие свет молекулы, такие же, как содержатся в сетчатке, для тысячекратного увеличения способности компакт-дисков к хранению информации.

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 чистых производственных процессов.

Микрочипы

 

Технология микрочипов – это принципиално новый уровень лабораторных исследований, так как она позволяет проводить одновременное тестирование тысяч образцов. Тысячи молекул ДНК или белков помещаются на стеклянные пластинки для создания ДНК- и белковых чипов соответственно. В последних разработках стеклянные пластинки заменяются особым образом изготовленными стеклянными шариками.

ДНК-микрочипы

 

ДНК-микрочипы используются для:
– идентификации мутаций в генах, связанных с различными заболеваниями;
– наблюдения за активностью генов;
– диагностики инфекционных заболеваний и определения наиболее эффективного метода антибиотикотерапии;
– идентификации генов, важных для продуктивности сельскохозяйственных культур;
– скрининга микроорганизмов, как патогенных, так и полезных, например, используемых для восстановления зараженных органическими отходами почв.

ДНК-микрочипы необходимы для практического использования информации, полученной в результате секвенирования геномов человека и других живых организмов. Известные последовательности генов и геномные карты значат не так уж много до тех пор, пока не определены функции входящих в их состав генов. Без белковых микрочипов эта работа является настолько же трудоемкой, какой была расшифровка геномов до появления современных секвенаторов.

Белковые микрочипы

 

Переход от ДНК-микрочипов к белковым микрочипам выглядит вполне логичным шагом, однако его осуществление достаточно проблематично. Структура и функции белковых молекул намного сложнее, чем у молекул ДНК. К тому же белки намного менее стабильны. Каждый тип клеток содержит тысячи различных белков, некоторые из которых обладают уникальными, характерными только для определенного типа клеток, функциями. Кроме того, белковый состав клетки меняется в зависимости от состояния здоровья, возраста и влияния окружающей среды.

Белковые микрочипы будут использоваться для:

– обнаружения белковых биомаркеров, характерных для различных заболеваний и даже разных их стадий;
– оценки потенциальной эффективности и токсичности препаратов в доклинических испытаниях;
– измерения различий в синтезе белков различными типами клеток, клетками, находящимися на разных стадиях развития, а также здоровыми и патологически измененными клетками;
– изучения взаимосвязи между структурой и функциями белков;
– оценки различий в экспрессии белков с целью выявления мишеней для новых лекарственных препаратов;
– изучения взаимодействий между белками и другими молекулами.

Фундаментальный принцип, лежащий в основе технологии микрочипов, вдохновил исследователей на создание большого количества устройств для решения широкого спектра научных задач и создания новых продуктов.

Тканевые микрочипы,

позволяющие проводить анализ тысяч образцов тканей на одном предметном стекле, используются для определения содержания белков в здоровых и патологически измененных тканях и оценки потенциальных мишеней для лекарственных препаратов. Образцы ткани мозга, размещенные на предметных стеклах, позволяют исследователям измерять изменение электрической активности нервных клеток при различных воздействиях.

Клеточные микрочипы

позволяют избежать проблемы нестабильности белков в белковых микрочипах и производить более точный анализ взаимодействий белков внутри клетки.

Микрочипы на основе малых молекул

позволяют фармакологическим компаниям производить одновременный скрининг тысяч потенциальных лекарственных средств.

Евгения Рябцева
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» https://www.cbio.ru/ по материалам BIO.org.
Продолжение следует.

 

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-06-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: