Нанобиотехнологии. Основополагающие факторы появления, становления и развития нанобиотехнологии

1. Нанобиотехнологии

История развития, предмет,
задачи, перспективы развития
к.х.н., доцент кафедры микробиологии
Герловский Денис Олегович
Минск, 2015
1

2.

Целью настоящего курса является рассмотрение и
систематизация
междисциплинарных
знаний
о
биообъектах
наноуровня,
подходах
и
методах,
используемых для решения широкого круга прикладных и
исследовательских научных задач.
В задачи дисциплины входит:
•Формирование представления о нанобиотехнологии как о
современной науке, ознакомление с новыми биологически
активными веществами и лекарствами, создаваемыми с
помощью нанобиотехнологии.
•Формулировка
основных
перспектив
развития
нанобиотехнологий.
•Рассмотрение практическоого значения разрабатываемых
методов в нанобиотехнологии для медицины, техники,
2
экологии, и других производств.

3.

Нанобиотехнология
–
это
междисциплинарный
научнотехнический комплекс знаний, основанный на средствах и методах
биотехнологии и нанотехнологии, занимающийся изучением и
воздействием объектов нанодиапазона на биологические объекты с
целью создания и производства полезных для человека продуктов,
технологий и процессов.
Появившаяся в начале 21 века нанобиотехнология имеет
междисциплинарный характер, который основан, прежде всего, на
комплексе знаний биотехнологий (из которых наиболее выделяется
молекулярная биология) и нанотехнологий.
3

4.

Основополагающие факторы появления, становления
и развития нанобиотехнологии
Сближение биотехнологии и нанотехнологии началось
сравнительно недавно. Тем не менее этот процесс уже принес
замечательные результаты. Под термином «нанобиотехнология»
следует
понимать
совокупность
передовых
усовершенствованных биотехнологических методов и продуктов.
Они включают разнообразные подходы и приемы для создания
более чувствительных и точных наносистем работающих в
реальном времени, таких как «лаборатории на чипе» (lab-on-chip)
и наносенсоры. Речь идет также об использовании
наноупорядоченных матриц для управляемого производства
лекарств, инженерии и регенерации живых тканей. Под термином
«бионанотехнология»
следует
понимать
современные
нанотехнологии, основанные па использовании биологических
строительных блоков, принципов биоспецифичности и
биологической
активности.
Область
применения
бионанотехнологий не ограничивается только решением задач
биологии.
Например,
в
будущих
бионанотехнологиях
инстурменты из олигонуклеотидов ДНК, пептидных нанотрубок
и белковых фибрилл могут использоваться для сборки в
наноконструкции металлических нанопроводников и других
наноэлементов, применяемых в молекулярной электронике
и
4
наноэлекирохимии.

5.

В широком смысле термин биотехнология применим к любому
производству
коммерческих
продуктов,
образуемых
микроорганизмами в результате их жизнедеятельности. Более
формально биотехнология определяется как применение научных и
инженерных принципов к переработке материалов живыми
организмами с целью создания товаров и услуг.
Исторически биотехнология возникла тогда, когда дрожжи были
впервые использованы при производстве пива, а бактерии - для
получения йогурта. Термин "биотехнология" был придуман в 1917 г.
Венгерским инженером Карлом Эреки для описания процесса
крупномасштабного выращивания свиней с использованием в
качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки.
биотехнология - это все виды работ, при которых из сырьевых
материалов с помощью живых организмов производятся те или
иные продукты.
Однако это определение не получило широкого распространения и
долгое время термин "биотехнология" относился главным образом к
процессам промышленной ферментации. И только с 1961 года, когда
научный журнал "Journal of Microbiological and Biochemical
Engineering and Technology", специализировавшийся на публикации
работ по прикладной микробиологии и промышленной
ферментации, был переименован на "Biotechnology and
Bioengineering«, биотехнология оказалась четко и необратимо
связана с исследованиями в области промышленного производства
товаров и услуг при участии живых организмов, биологических
5
систем и процессов.

6.

В конце XX века возникла новая отрасль биотехнологии молекулярная биотехнология. Молекулярная биотехнология
определяется как раздел науки и технологии, в которой
используется перенос единиц наследственности (генов) из одного
организма в другой, осуществляемый методами генной инженерии
(технология рекомбинантных ДНК). В большинстве случаев целью
такого переноса является создание нового продукта или получение
уже известного продукта в промышленных масштабах.
Известна точная дата начала молекулярно-биотехнологической
революции. 15 октября 1980 г. на Нью-Йоркской фондовой бирже
произошло знаменательное событие: уже через 20 минут после
начала торгов стоимость одной акции биотехнологической
компании Genentech поднялась с 35 до 89 долларов. В 1980 г., когда
фирма Genentech впервые предложила обществу свои акции, это
была небольшая компания в Калифорнии, в течение четырех лет
успешно работавшая над проблемой получения рекомбинантных
ДНК. За два года до этого ученым компании удалось выделить
фрагменты гена (последовательности ДНК), кодирующие
человеческий инсулин, и перенести их в генетические элементы
(клонирующие векторы), способные реплицироваться в клетках
обычной кишечной палочки (Escherichia coli). Эти бактериальные
клетки работали как биологические фабрики по производству
человеческого инсулина, который после соответствующей очистки
мог
использоваться
как
лекарственный
препарат
для больных диабетом, дающих аллергическую реакцию на свиной
6
инсулин.

7.

Сегодня достижения компании Genentech тридцатилетней давности
являются одной из рутинных лабораторных процедур,
осуществляемых ежедневно в десятках тысяч лабораторий всех
колледжей, университетов, исследовательских институтов и
коммерческих фирм под общим названием нанобиотехнология.
Нанобиотехнология, как и любая другая нанотехнология, оперирует
теми биообъектами, которые относятся к наночастицам или
наноструктурам, с целью такого видоизменения организма, которое
приводит к созданню нового продукта или получения уже
известного продукта в промышленных масштабах. Молекулярная
биотехнология,
оперирующая
единицами
наследственности
организмов - олигонуклеотидными фрагментами ДНК, в тех
случаях, когда она манипулирует одиночными нанообъектами,
является типичной нанобиотехнологией.
7

8.

Биотехнология - вполне зрелая научная дисциплина. Уже в первой
половине XX века было дано ее определение в словаре American
Heritage Dictionary. Предмет этой науки - «применение
микроорганизмов, таких как бактерии и дрожжи, либо
биологических веществ, таких как ферменты, в промышленности и
на производстве». Массовое использование биологических
процессов в промышленности, например для получения ацетона
путем сбраживания крахмала
бактерией Clostridium acetobutylicum, началось с 1916 г.
Промышленное производство из гриба Penicillium notation
пенициллина - антибиотика, прочно вошедшего в медицинскую
8
практику, - было налажено уже в 40-х годах прошлого века.

9.

Основополагающими факторами, которые повлияли на появление,
становление и развитие нанобиотехнологии, являются следующие:
высокий рост в развитии таких научных дисциплин, как
микробиология, молекулярная биология и инженерия, белковая
инженерия и, собственно, биотехнология, которая объединяет
данные дисциплины, а также высокий рост в развитии
материаловедения, электроники и других областей нанотехнологии,
наноинженерии и нанонауки, фундаментальной основой которых
является физика. Помимо этого, стоит отметить также тот факт, что
появление нанобиотехнологии было невозможным, если бы не
процесс взаимной интеграции научных отраслей, кардинально
отличающихся своей природой, методами и средствами. Благодаря
такому "союзу" стало возможным появление совершенно новых
отраслей научного знания, как нанобиотехнология. Также
необходимо упомянуть, что следующим основополагающим фактом
в становлении и развитии данной научной области является
философский аспект, так как появление своего рода
"синтетической" технологии и науки может кардинально изменить
научную картину мира, полностью перевернув представление
человечества о таких материальных категориях, как материя,
субстанция, форма и о понятиях "живого" и "неживого". Вследствие
чего данные категории и понятия необходимо будет осмыслить
заново с новой точки зрения, благодаря чему существующая ныне
научная картина мира будет изрядно дополнена и переосмыслена,
что будет способствовать новому технологическому рывку
9
человечества в своем развитии.

10.

Со временем определение предмета биотехнологии становилось все
более размытым. Многие направления современной биотехнологии,
как чисто «лабораторные», так и промышленные, развились в
прикладные биологические науки, но так и не стали отдельными
научными дисциплинами. На практике «биотехнологией» называли
многое - от производства биомолекул-лекарств (например, белковых
гормонов или антител) до разработки новых диагностических
средств, основанных на взаимодействии определенных биомолекул
(примером могут служить наборы для иммунодиагностики,
основанные на взаимодействии системы «антиген - антитело», или
ДНК-микрочипы, созданные по принципу комплементарности
последовательностей нуклеиновых кислот). Различие между
фармацевтической индустрией и современной промышленной
биотехнологией лежит в практической сфере: первая производит
сравнительно низкомолекулярные лекарства, а вторая более крупные биомолекулы, такие как функциональные белки и
антитела.
Например, первым продуктом крупнейшей биотехнологической
компании Amgen был белок эритропоэтин (коммерческое названиеEPOGEN). В живых организмах этот белок стимулирует
образование эритроцитов. Управление США по контролю качества
пищевых продуктов и лекарственных средств (Food and Drug
Administration) в 1989 г. разрешило использовать этот препарат для
лечения людей, и эритропоэтин стал одним из первых продуктов
10
современной биотехнологии.

11.

Другие примеры биотехнологических продуктов включают
рекомбинантный человеческий инсулин, человеческий интерферон,
человеческий и бычий гормоны роста, а также терапевтические
антитела. Производство терапевтических аитител - сравнительно
новая и весьма интересная область. Благодаря замечательным
свойствам аффинности и специфичности, такие антитела
останавливают патологические процессы в организме, действуя
исключительно направленно и не затрагивая лишнего.
Так, совсем недавно были разработаны гуманизированные
рекомбинантные моноклональные антитела (коммерческое название
-AVASTIN), связывающие и ингибирующие биологическое действие
фактора
роста
эндотелия
сосудов.
Лечение
этим
препаратом значительно повышает шансы на выздоравливание у
пациентов с вторичной карциномой толстой кишки, не излечимой
методами обычной химиотерапии. Особое место занимает
человеческий интерферон - белок, играющий ключевую роль в
ответе человеческого организма на вирусную инфекцию, и
человеческий гормон роста важный регуляторный белок,
обеспечивающий нормальный рост детей и подростков.
11

12.

Многие другие белки исследуются в настоящее время с целью их
применения в качестве лекарств. Один из факторов,
ограничивающих распространение лекарств, основанных на белках
и пептидах, невозможность их перорального приема.
Причины ?
Реально решить эту важную проблему возможно с использованием
нанотехнологии. Так, для безболезненного подкожного введения
биомолекулярных лекарств можно использовать матрицы из сотен и
тысяч крошечных наношприцев. Другой пример - использование
наноносителей. В частности, исследуются носители, которые
транспортируют
лекарство
через
начальные
отделы
пищеварительного тракта, но освобождают его только в кишечнике.
Также изучаются наноносители, способные преодолевать
гематоэнцефалическин барьер и доставлять лекарственные пептиды
для лечения опухолей мозга и различных нейродегенеративных
заболеваний. Наноносители могут создаваться путем самосборки из
материалов биологической (таких как пептидные наносферы) или
небиологической природы. Так или иначе, это наглядный пример
радикального расширения области применения биотехнологии за
счет использования нанотехнологии.
12

13.

Подходы, основанные на использовании антител, ферментов и
нуклеиновых кислот
Основная задача диагностической биотехнологии обнаружение и
количественное
определение
биологических
материалов
биохимическими методами, такими как иммунохимический анализ,
ферментативные реакции, а также с помощью РНК- и ДНКтехнологий. Применение наносборок и наноконструкций позволит
значительно повысить чувствительность и специфичность
подобных диагностических методов.
В список нанотехнологических продуктов для диагностики,
основанных на иммунохимическом анализе, входят тест-полоски
для определения беременности, наборы для выявления ВИЧ и
гепатита и т.д. Примеры ?
Развивая тему, можно вообразить наноустройство, измеряющее
содержание глюкозы в крови с помощью электрохимической
реакции и чипа с наноэлектродами, соединенного с системой
автоматического дозирования, выделяющее в кровь инсулин
согласно заданной программе. Такое наноустройство могло бы
заменить некоторые функции поджелудочной железы, которые она
теряет при остром (тип I) или хроническом (тип II) диабете.
13

14.

Результатом применения в диагностике ферментативных реакций
стали такие распространенные устройства, как индивидуальные
глюкометры, работающие на катализируемой глюкозооксидазой
реакции окисления глюкозы до глюконовой кислоты с образованием
перекиси водорода. В результате электрохимического определения
последнего продукта генерируется сигнал, который после
оцифровки выводится на дисплее глюкометра. Это один из
нагляднейших примеров создания гибридного ферментативноэлектронного интерфейса в результате объединения достижений
биотехнологни и электроники. От нанобиотехнологии ожидают
14
создания миниатюрных версий этого и других детекторов,
работающих на ферментативных реакциях.

15.

К ДНК-технологиям относится полимеразная цепная реакция,
нашедшая широкое применение в криминалистике, как метод,
позволяющий четко установить принадлежность биологических
образцов. Еще один пример метода, основанного на специфичности
взаимодействия нуклеиновых кислот, - ДНК-чипы или ДНКмикроматрицы. Эта технология позволяет изучать экспрессию сразу
у тысяч и даже десяток тысяч генов. ДНК-чипы не только могут
использоваться в фундаментальной медицине, но и открывают путь
к персонифицированной медицине будущего. Этот метод может
быть значительно усовершенствован за счет применения
нанотехнологий, обеспечивающих, например, проведение реакций в
микрообьеме при использовании т.н. «лабораторий па чипе» (lab-ona-chip). Такой подход позволит существенно уменьшить объем
образца,
необходимого
для
исследования
ДНКи
РНК-методами. Подобное повышение чувствительности было бы
особенно полезно для криминалистики и ранней диагностики
злокачественной трансформации. Чрезвычайно важная область
исследований мониторинг окружающей среды и обнаружение
боевых отравляющих веществ и биологических агентов.
15

16.

Биология и узнавание в биологических системах имеют огромное
значение для реализации принципов молекулярного узнавания и
самосборки в нанотехнологии. Биомолекулы и надмолекулярные
комплексы представляют собой естественные строительные блоки,
готовые «опознающие модули» и целые системы (примером
может быть рибосома, сложная сборочная линия для белков, или
молекулярные двигатели). И даже более высоко организованные
структуры, такие как вирусы животных и растений и бактериофаги
(вирусы бактерий) состоят из нанокомпонентов. Сборкой структур
по принципу «от меньшего к большему» может управлять
биологическое узнавание, характерное, например, для специфичных
антител. Благодаря высокой специфичности и спонтанности их
образования, сборки из биомолекул могут служить «умными
каркасами» (smart scaffold) для «автоматического» монтажа
сложных органических и неорганических наномашин и
наноинструментов.
16

17.

Надмолекулярная химия изучает структуру и функции
образований, состоящих из двух и более молекул разных
химических соединений с нековалентными связями. Подобные
надмолекулярные структуры представляют собой «сверхмолекулы»,
отличающиеся от обычных молекул, сложенных атомами с
ковалентними связями. Во избежание путаницы между
надмолекулярными и ковалентносвязанными структурами первые
обычно называют «сборками» (assemblies), чтобы подчеркнуть
нековалентную природу их структуры. Следует отметить, что этот
термин подходит для обозначения многих комплексов биомолекул.
Они представляют собой простые димеры (например, фактор
транскрипции) либо сложные молекулярные наномашины, такие как
рибосомы или молекулярные двигатели. Эти живые системы - самая
интересная «игровая площадка» для надмолекулярной химии, где
сложные биологические функции выполняются структурами,
состоящими из нековалентно связанных молекул. Поэтому
самосборка и молекулярное узнавание в бионанотехнологии и
нанобиотехнологии будут центральными темами.
Процессы образования крупных упорядоченных сборок происходят
путем нековалентного связывания более простых строительных
блоков по принципу «от меньшего к большему». При
использовании этого подхода из простых блоков строятся сложные
сверхмолекулы и сборки, обладающие особой морфологией,
функциями
и,
часто,
уникальными
физико-химическими
свойствами.
17

18.

Образование упорядоченных структур путем самосборки
наноблоков лишь первый этап строительства упорядоченной
молекулярной структуры. Следующие этапы включают образование
сборок,
состоящих
из
разных
компонентов,
часто
встречающихся в биологических системах и молекулярных
машинах, речь о которых шла выше. Такие структуры образуются в
результате комбинирования модулей узнавания (recognition
modules), функционирующих благодаря комплементарности формы
поверхностей и химического сродства. Такие элементы,
как остатки ароматических аминокислот, сочетающие оба эти
свойства, служат блоками для создания самособирающихся систем.
Основа этих взаимодействий пространственные ограничения наряду
с химическими взаимодействиями, ведущими к изменению
энтропии и энтальпии. Как уже было показано, за счет подобных
взаимодействий может идти самосборка высокоупорядоченных
структур, таких как пептидные нанотрубки (Reches and Gazit, 2003).
18

19.

Нэдриен Зееман (Nadrian Seeman) вместе с коллегами доказал
способность
частично
комплементарных
молекул
ДНК,
образующих
молекулярные
стыки
(molеcular
junctions),
образовывать протяженные и объемные структуры (нанопроводники
и нанокубы). Другие исследователи продемонстрировали
образование путем самосборки из пептидов различных
наноструктур трубок, сфер, пластин, пленок и гидрогелей. Уже
доказано, что подобные наноструктуры из пептидов имеют высокий
потенциал для применения в различных областях, например
тканевой инженерии и тканевой регенерации, делают возможным
создание новых противобактериальных агентов, образующих
нанопоры, и металлических нанопроводников.
19

20.

Практическое использование биологических систем и достижений
биотехнологии на наноуровне идет в двух главных направлениях.
Первое включает технологии, основанные на использовании
упорядоченных структур, образующихся из биомолекул путем
самосборки. Сами по себе эти технологии могут и не иметь
отношения к биологии. В данном случае роль биологических
компонентов заключается главным образом в их специфичности,
разнообразии и способности к образованию сложнейших структур
из относительно простых строительных блоков. Это направление
применения биомолекул и достижений биологии в нанотехнологии
мы будем называть бионанотехнологией. Так, использование
биомолекул (таких как ДНК и белки) для создания металлических
наноструктур одна из задач этой науки. Подобные структуры могут
быть использованы в компьютерах и других устройствах будущего,
не связанных напрямую с биологией. При этом биология может
предоставить уникальные инструменты, которые пока невозможно
получить другим способом. В качестве примера можно привести
метод молекулярной литографии, когда белки размером несколько
нанометров служат защитным слоем при создании золотых
проводников на молекулах ДНК. Среди других направлений
создание новых материалов, обладающих уникальной жесткостью,
особенными химическими свойствами поверхности и другими
физико-химическими параметрами, которые могут оказаться
полезными для автомобильной и космической индустрии или для
производства обычных потребительских товаров.
20

21.

Второе генеральное направление практического использования
биологических систем и достижений биотехнологии на наноуровне
существенно отличается от первого и заключается в
усовершенствовании
биотехнологий,
таких
как
тканевая
инженерия или диагностика, за счет использования нанотехнологии.
Применяемые для этой цели наноструктуры могут быть построены
вовсе без биомолекул, а, например, только из кремниевых
(«лаборатории на чипе») или углеродных наноструктур (подложки
из
углеродных
нанотрубок
для
тканевой
инженерии).
Использование нанотехнологий может произвести переворот в
биотехнологии, открыв возможности для ранней диагностики
заболеваний, мониторинга медицинских процедур в реальном
времени и выращивания тканей в пробирках.
Следует
отметить,
что
термины
«нанобиотехнология»
(nanobiotechnology) и «бионанотехнологня» (bionanotеchnology)
появились совсем недавно: первый – в базе Med Line в 2000 году, а
второй - в 2004. Первый термин встречается в четыре
раза чаше второго, но во многих случаях было бы правильнее
использовать именно последний.
21

22.

22

23.

Несмотря
на
различия
между
бионанотехнологией
и
нанобиотехнологией, в будущем возможно объедииение этих
дисциплин.
Например,
биомолекулярные
структуры,
образовавшиеся путем самосборки, могут служить в тканевой
инженерии как трехмерные матрицы при выращивании сложных
органов «в пробирке». В данном случае биомолекулы выполняют ту
же роль, что и вышеупомянутые углеродные нанотрубки.
Нанокаркас из биомолекул может обладать уникальными
преимуществами биосовместимостью и возможностью разметки
сигнальными молекулами. Пептидные нанотрубки пригодны для
использования
в
нанобиодиагностке
для
повышения
чувствительности и специфичности сенсоров. В этом случае
биомолекулярные наносборки в сущности играют роль
неорганических наноструктур. Однако у биологических нанотрубок
много преимуществ благодаря их уникальной способности быть
связующим звеном с биологическими каскадами усиления сигналов,
например посредством ферментов и антител.
23

24.

В
настоящее
время
нанобиотехнология
имеет
три
сформировавшихся направления, развитие которых сейчас идет
усиленным темпом. Это: наномедицина, биомиметика и разработка
методов и способов привнесения искусственных наноразмерных
частиц, различных материалов и интерфейсов в живые системы.
Каждое из этих направлений заслуживает отдельного рассмотрения.
24

25.

Нанобионика и живые системы как прототипы нанотехнологии
Последняя
дисциплина
нанобиология
(объединяющая
бионанотехнологию и нанобиотехпологию), в которую также входят
бионика и технологии, разработанные по образцу живых систем.
Задачей бионики (этот термин произошел от слов био и
электроника) является применение биологических принципов при
конструировании и производстве машин и механизмов. Хотя сам
термин
«бионика»
появился
лишь
в
конце
1950-х
годов в ВВС США, принципы устройства живых систем
исследовались к тому времени уже много лет. Одним из самых
ранних и важных примеров являются исследования Леонардо да
Винчи в конце 15-го столетия. Его знаменитый проект вертолета
создан на результатах исследований и множества наблюдений
за полетом птиц. Другие примеры бионики в действии - форма
форштевня
судов,
воспроизводящая
дельфиний
нос,
и
самоочищающиеся поверхности, прототипом которых послужили
листья лотоса. Необходимо подчеркнуть, что цель бионики
не слепо копировать природу, а научиться понимать ее принципы и
использовать это как стимул для инноваций. Бионика в основном
занимается созданием макроскопических объектов и машин, но это
не исключает работу над наномашинами. Очень вероятно, что в
ближайшем будущем подходы, которые использовались для
перенесения в технику принципов устройства живого на уровне
макромира, будут реализованы на уровне микромира и наномира.
25

26.

Эскиз летающей машины, сделанный Леонардо да Винчи в конце XV века.
Работа аппарата основана на принципе полета птиц.
26

27.

Следующим
важнейшим
направлением
нанобиотехнологии
является
биомиметика.
Живые
организмы
производят
нанотехнологические операции на протяжении более 4,5
миллиардов лет. Живая клетка использует ДНК, РНК и большое
количество белков, чтобы строить клеточные структуры
нанометровых размеров. Именно этим свойством живых клеток
пользуются биомиметические нанобиотехнологии при создании
искусственных наномашин и наноконструкций. Сегодня данная
область нанобиотеха находится в зачаточном состоянии, но ее
развитие существенно ускорит создание таких конструкций. Как и
наномедицина,
биомиметика
также
имеет
четыре
сформировавшихся направления развития, это: создание
наноконструкций из белка, использование в конструировании
молекул ДНК и РНК и работа с вирусами при создании
наномеханизмов.
В своем развитии на настоящем этапе биомиметика находится в
зачаточном
состоянии.
В
настоящее
время
создаются
фундаментальные основы биомиметических нанобиотехнологий.
Но, не исключены и разработки чисто прикладного характера. Хотя
об их практическом применении говорить пока слишком рано. 27

28.

При конструировании различных конструкций нанометрового
размера преимущество отдается работе с белками. Так как белки
в настоящее время наиболее изучены и существует гипотетическая
возможность широкого использования различных белковых
наноконструкций в жизнедеятельности человека. Но, практическое
применение таких конструкций обусловлено рядом проблем,
главными из которых являются отсутствие на данном этапе
развития науки и техники средств точного проектирования и
производства таких конструкций и, что самое главное, не изучено
влияние искусственных "деталей" на организм человека и
окружающую среду.
28

29.

Особое внимание следует уделить использованию вирусов в
разработке биомиметических технологий. На данный момент в
мире до конца не изучена возможность использования вирусов в
качестве платформы для разработки конструкций или механизмов
нанометрового масштаба. Хотя при теоретическом обосновании
вполне доказуемо их использование в качестве различных
наномеханизмов. При этом в качестве преимуществ вирусов можно
отметить их устройство, избирательность действий и механизм
репликации вирусных частиц. Последнее качество вирусов может
быть использовано при репродуцировании наномеханизмом или
нанороботом себе подобных в неограниченных количествах.
Но следует отметить, что все разработки в области
биомиметических нанобиотехнологий находятся либо на стадии
теоретического обоснования, либо только начинают проверяться
практически в реальных условиях.
29

30.

И, наконец, третье направление нанобиотехнологии – разработка
методов и способов привнесения искусственных наноразмерных
частиц, различных материалов и интерфейсов в живые
системы. Данная область нанобиотеха являет собой разработку
различных технологий и транспортных средств, которые будут
доставляться посредством этих технологий в необходимое место
живого организма, а в будущем, возможно, и в различные места
неорганического
мира.
Уже
сейчас
мировая
научная
общественность имеет практические результаты исследований в
данных направлениях нанобиотехнологии, которые представлены
такими прикладными средствами, как нанолекарства, биосенсоры,
наноэмульсии различных биологических жидкостей и т.д.
Помимо этого разными научными коллективами в мире ведется
активная работа в области исследования бактерий и нанобактерий,
как потенциальных "умных" транспортных систем, которые могли
бы служить своеобразным транспортом при доставке различных
веществ нанометрового масштаба в необходимые места живого
организма или, в будущем, и в различные места неорганического
мира.
Рассмотрев нынешнее состояние развития данной отрасли науки,
нельзя не упомянуть и о фундаментальных перспективах30 ее
развития в будущем.

31.

Одной из самых важных перспектив будущего развития
нанобиотехнологии
может
служить
создание
идеальной
технической системы. Под этим понятием понимают систему,
масса, габариты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а ее
способность выполнять работу при этом не уменьшается.
Предельный случай идеализации техники заключается в
уменьшении её размеров (вплоть до полного "исчезновения") при
одновременном увеличении количества выполняемых ею функций.
В идеале - технического устройства не должно быть видно, а
функции, нужные человеку и обществу, должны выполняться.
Таким примером могут служить бионанороботы и различные
биологические конструкции нанометрового размера. Используя же
для решения этой задачи возможности нанобиотехнологии можно
если не решить, то хотя бы кардинально приблизиться к созданию
этой системы.
Также при помощи нанобиотехнологических методов станет
возможным создавать роботизированные технические системы с
использованием в их конструкции биологических элементов. 31

32.

Третьей перспективой может служить создание нейроэлектронной
системы сознания. Такая система будет представлять собой
взаимодействие центральной нервной системы и искусственного
интеллекта, созданного на основе достижений наноэлектроники.
Принципиальная возможность объединения биологических и
электронных компонентов может стать возможной благодаря
нейроэлектрическим интерфейсам – устройствам, позволяющим
соединять компьютеры с нервной системой.
Следует также отметить огромные перспективы нанобиотехнологии
и в других отраслях науки и техники.
Таковы возможности лишь некоторых перспектив развития
нанобиотехнологии, количество которых очень огромно и
разнообразно.
32

33. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

33