Основные задачи и методы нанобиотехнологии (Университетские субботы - 01.03.14)

Основные задачи и Основные задачи и методы методы

нанобиотехнологиинанобиотехнологии

Профессор Профессор Кафедры биоорганической химии и биотехнологии Кафедры биоорганической химии и биотехнологии

Кутузова Н.М.Кутузова Н.М.

МПГУ 2014МПГУ 2014

Биолого-химический факультет

Наномасштабный мир значительно отличается от того мира, который мы знаем

Нанометр (нм) — это одна миллиардная метра, то есть 1010--99 мм.

Объект Размер (в м)

Ядро урана (диаметр) 10-13

Молекула воды 10-10

Молекула ДНК (диаметр) 10-9

Размеры некоторых объектов

Молекула ДНК (диаметр) 10

Простейшие одноклеточные организмы 10-5-10-6

Дождевой червь 10-2

Человек 1.8

Эверест (высота) 104

Земля (диаметр) 108

Солнечная система (расстояние от Солнца до Плутона)

1013

Основные современные Основные современные нанобиообъектынанобиообъекты

•Различные вирусы (РНК и ДНК содержащие), бактериофаги (в том числе полифаги);•Токсины, яды, ксенобиотики;•Макрополимеры: ДНК, РНК, белки, ферменты (АТФаза,

гибридозимы, абзимы, рибозимы, нуклеозимы), полисахариды, гибридозимы, абзимы, рибозимы, нуклеозимы), полисахариды, циклодекстрины;•Гемоглобин и хлорофилл используют в качестве фотосенсибилизаторов в качестве пигментных маркеров;•Гормоны;•Фрагменты биологических полимеров: олигопептиды,пептиды;•Биологически активные мономеры: глюкоза, аминокислоты

Размеры различных биологических объектов

Антипараллельные и комплементарные цепи ДНК

Сахарофосфатный остов расположен снаружи и заряжен отрицательно.

Основания повернуты внутрь спирали и располагаются стопкой друг над другом.

ДНК ДНК –– один из основных инструментов один из основных инструментов нанотехнологийнанотехнологий

стопкой друг над другом.

Левая цепь сверху вниз имеет направление 5’-3’, а правая 3’-5’.

Нанохимические технологии на основе нуклеиновых кислот – это направленное создание сложных трехмерных конструкций с регулируемыми свойствами, строительными элементами в которых являются двухцепочечные молекулы ДНК.

В-форма двойной спирали ДНК

Упаковка ДНК в хромосоме

Митохондриальная ДНК человекаМитохондриальная ДНК человека

Размер:16.600 п.н.

ДНК определяет всёДНК определяет всё

ФЕРМЕНТЫ делают всёФЕРМЕНТЫ делают всёФЕРМЕНТЫ делают всёФЕРМЕНТЫ делают всё

ГОРМОНЫ регулируют всёГОРМОНЫ регулируют всё

Биологически активные пептиды

Зеленый флуоресцентный белокЗеленый флуоресцентный белок

Лауреаты Нобелевской премии по химии в 2008 году: Осаму Симомура, Мартин Чалфи

и Роджер Тсьен. «За открытие и разработку зелёного флуоресцентного белка GFP».

История происхождения зелёного белка

Светящаяся в темноте медуза Aequorea victoria, в которой GFP был обнаружен

•1) Открыт в 1961 году группой исследователей во главе с Симомурой.•2) В 1962 году О.Симомура, Ф.Джонсон и Ю.Сайга отметили разницу между цветом биолюминесценции живой эквореи и выделенного из неё комплекса светящегося вещества с экворином.•3) В 1979 году Симомура предложил структуру хромофора GFP.

Хромофор GFP

Хромофор GFP - имеет цис-геометрию, он полностью расположен вовнутренней полости цилиндра и занимает центральное положение.

Применение GFP

В качестве генетических маркеров

Биологические исследования

Эмбрионы Danio rerio, синтезирующие GFP в коже под управлением «цитокератинового промотора» и мышцах под управлением «миозинового

промотора»

Инсулин

НанобиотехнологииНанобиотехнологии на на основе метода основе метода основе метода основе метода

генетической инженериигенетической инженерии

Генная инженерия – совокупность приёмов, методов

и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организмов (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

Генная инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

Из истории генной инженерииИз истории генной инженерии

1928 г.1928 г. Опыты Гриффита с пневмококками – открыта возможность горизонтального переноса у бактерий.1972 г.1972 г. П. Берг (Станфордский университет, США) была получена первая рекомбинантная (гибридная) ДНК (рекДНК), в которой были соединены фрагменты ДНК фага лямбда и которой были соединены фрагменты ДНК фага лямбда и кишечной палочки с кольцевой ДНК обезьяньего вируса SV40.1980 г.1980 г. Ф. Сенгер, П. У. Гилберт, П. Берг – Нобелевская премия «За фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в особенности рекомбинантных ДНК». Работа по расшифровке первичной структуры ДНК.1988 г.1988 г. Первые посадки трансгенных злаков сделаны в США. 1993 г1993 г.. Продукты с ГМ-компонентами появились в американских магазинах.

Основные направления генетической модификации организмов: – придание устойчивости к ядохимикатам (например, к определенным гербицидам); – придание устойчивости к вредителям и болезням

Задачи генной инженерииЗадачи генной инженерии

– придание устойчивости к вредителям и болезням (например, Bt-модификация); – повышение продуктивности (например, быстрый рост трансгенного лосося); – придание особых качеств (например, изменение химического состава);-Фармакогеномика (индивидуальная медицина).

Идентификация личности и родственных связей.

Основные методы Основные методы создания создания рекомбинантных ДНК. рекомбинантных ДНК. ВекторВектор

Молекула ДНК, способная переносить в клетки чужеродные фрагменты ДНК (гены) и обеспечивать там их амплификациию. Для создания векторов чаще всего используют плазмиды и бактериофагибактериофаги

Бактериофаг Т4

Бактериофаг Т4 (ультрамикрофотография)

Escherichia coli

Основные методы Основные методы созданиясозданиярекомбинантных ДНКрекомбинантных ДНК. . ПлазмидаПлазмида

Кольцевые молекуля двуцепочечной ДНК, встречающиеся в клетках бактерий и дрожжей, где они воспроизводятся (реплицируются) как самостоятельные единицы репликации. Свойства плазмид:•Способность к репликации;•Несовместимость;•Функция переноса;•Функция переноса;•Устойчивость к антибиотикам.

Практическое значение Практическое значение генной инженериигенной инженерии

•Исправление наследственных дефектов у человека•Использование микроорганизмов для поддержания иммунитета•Синтез антибиотиков, аминокислот, биологически активных пептидов и белков (инсулин, интерферон, гормоны роста)гормоны роста)•Получение чисто белковых вакцин против вирусов гепатита, гриппа, герпеса, ящура. Создание комбинированной осповакцины в геном которой встроены гены, кодирующие синтез белков против гепатита или гриппа.•Создание инсектицидов и генно-модифицированных растений и с инсектицидными свойствами.

С помощью генной инженерии возможно С помощью генной инженерии возможно лечение:лечение:

1. Амавроз Лебера - врожденная слепота, редкая форма наследственного заболевания, которое проявляется уже в младенчестве.

2. Муковисцидоз - весьма распространенное среди людей белой расы тяжелое наследственное заболевание легких.

3. Комбинированный иммунодефицит может быть результатом дефекта гена аденозиндезаминазы. Это заболевание клинически и иммунологически характеризуется дефектом как Т-, так и В-лимфоцитов.

4. Диабет4. Диабет5. Онкологические заболевания рак лёгких, рак поджелудочной

железы

6. Хорея Хантингтона — генетическое заболевание нервной системы, характеризующееся постепенным началом и сочетанием прогрессирующего хореического гиперкинеза и психических расстройств.

7. Гемофилия8. Миодистрофия Дюшенна9. Генетическая модификация клеток кровеносных сосудов (вводя в

них гены, продукты которых могут предотвращать формирование тромбов)

Как и любое достижение науки, успехи генной инженерии могут быть использованы не только на благо, но и во вред человечеству.

Глифоса́т (N-(фосфонометил)-глицин, C3H8NO5P) — неселективный системный гербицид, использующийся для борьбы с сорняками, особенно многолетними. Занимает среди гербицидов первое место в мире по производству. В России известен под торговыми названиями «Раундап», «Глифор» и «Ураган».Токсическое действие глифосата обусловлено тем, что этот гербицид ингибирует фермент растений 5-еноилпирувил-шикимат-3-фосфат-синтазу (КФ 2.5.1.19). Через 15 лет после введнеия в практику этого гербицида появились сорняки, устойчивые к его действию. Выделен ген «резистентности» к глифосату.

Успехи нанобиотехнологииУспехи нанобиотехнологии

НанобиотехнологииНанобиотехнологии – раздел в

нанотехнологиях, посвященный изучению воздействия наночастиц на живые системы, а также разработке способов моделирования и практического применения биологических практического применения биологических наноструктур, наноявлений и нанопроцессов в экспериментальной биологии, медицине, экологии, сельском хозяйстве и других отраслях экономики.

Методы нанобиотехнологииМетоды нанобиотехнологии

«Сухие» нанотехнологии опираются на уже

Т.н. «мокрые (органические) технологии» занимаются опираются на уже

имеющиеся технологии, которые позволяют перемещать отдельные атомы и молекулы в одной плоскости.Нанопинцет, многослойные наноструктуры

технологии» занимаются конструированием и модификацией биополимеров, известных своими способностями к самосборке.«Мокрые» нанороботы, ДНК-сенсоры, ДНК-чипы и др.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАНОБИОТЕХНОЛОГИЙНАНОБИОТЕХНОЛОГИЙ

Моделировние и воспроизведение

Разработка методов и способов

IIII

воспроизведение наноявлений и наномеханизмов живых систем в лабораторных и производственных условиях

Получение наночастиц и наноматериалов с участием живых организмов

способов использования наноструктур и нанопроцессов для вторжения в живой организм с целью его исследования, диагностики состояния и лечения

II

I

Нанотрубки с фрагментом ДНК

I

Наномотор с комплементарными нитями ДНК и небиологическими элементами

из 100-нанометровых полос азотистого кремния

II

III

Схема белково-липидных нанотрубок: 1 – нанотрубка с открытыми концами; 2 – нанотрубка с закрытыми посредством жировых шапочек концами; 3 –горизонтальная проекция нанотрубки и ее увеличенный фрагмент

III

Многие лекарственные средства нового поколения доставляются к клеткам-мишеням с помощью особых наночастиц – липосом. Липосомы – это везикулы (пузырьки), образующиеся из фосфолипидов и предназначенные для направленного транспорта веществ

Липосомы являются искусственными фосфолипидными частицами, размеры их варьируются в пределах от 50 до 1000 нм. В «нагрузку» они могут принимать различные растворимые, а при определенных условиях, даже и условиях, даже и нерастворимые лекарственные средства, которые концентрируются в гидрофобном отделе фосфолипидного слоя.

Нобелевская премия в области физиологии и медицины 2013: За открытия механизмов регуляции везикулярного транспорта — основной транспортной системы наших клеток

Генный Генный таргетингтаргетинг ((генныйгенный нокаут)нокаут)

Известно более 2000 наследственных заболеваний человека, из которых в настоящее время около 100 поддаются лечению с помощью генной терапии и генного таргетинга. Для этой цели таргетинга. Для этой цели используется уникальная нанобиотехнологиянанобиотехнология, которая заключается в полном подавлении (выключении) функии определённого гена.

Мышь, нокатная по гену окраски агути

Таким образом могут быть подвергнуты лечению моногенные заболевания, например дальтонизм.

Роль нанобиотехнологий Роль нанобиотехнологий в современном мирев современном мире

•биотехнологии,

Нанобиотехнология занимается биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровне и способствует решению многих проблем

•биотехнологии, •экологии, •медицины,•фармацевтики,•здравоохранения, •сельского хозяйства,•пищевой промышленности,•косметической промышленности,•национальной безопасности,•мониторинга и защиты окружающей среды.

Роль нанобиотехнологий Роль нанобиотехнологий в современном мирев современном мире

Основные риски нанотехнологии:•Регламентирование критериев нанообъектов;•Анализ химического состава и реакционной способности •Анализ химического состава и реакционной способности нанноматериалов;•Оценка влияния наноматериалов на атмосферу, почву, грунтовые воды;•Проверка токсичности и восприимчивости биотой: растениями, животными и человеком.

Спасибо

за внимание!