Билет №22

 

2. Специфические взаимодействия с участием биомакромолекул и современные сенсорные системы.

 

Рассмотрение вопроса об особенностях строения и функционирования в клетке биополимеров следует начать с определения понятия «биомакромолекула». Макромолекулой называют гигантскую молекулу, построенную из многих повторяющихся единиц – мономеров. Существует три типа биомакромолекул: белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Биополиме́ры — класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из одинаковых (или разных) звеньев — мономеров. Мономеры белков — аминокислоты, нуклеиновых кислот — нуклеотиды, в полисахаридах — моносахариды.

Выделяют два типа биополимеров — регулярные (некоторые полисахариды) и нерегулярные (белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариды).

Переходя к характеристике нанотехнологичных разработок на основе белков-переносчиков и белков-рецепторов, необходимо остановиться на современных достижениях в этой сфере нанобиотехнологий. Следует указать на то, что к настоящему времени учеными уже разработаны нанобиосенсоры, обеспечивающие высокочувствительное и специфичное выявление белков, вирусов или ДНК в биологическом материале, способные внести революционные изменения в диагностическую медицину. В частности, созданы нанобиосенсоры, которые запрограммированы на обнаружение в биологическом субстрате (слюна, кровь и др.) комплекса белков, являющихся индикаторами развития тех или иных заболеваний. Учеными создаются полупроводниковые устройства на основе нанопроводов, на поверхность которых наносится слой специальных белков-рецепторов. Они образуют точный биоаналитический сенсор, который способен специфически связываться с биологическими макромолекулами. В результате этого взаимодействия изменяется электрическая проводимость нанопровода, что сигнализирует о выявлении определенной субстанции. К настоящему времени создан нанобиосенсор на основе нанопроводов, позволяющий детектировать единичные вирусные частицы. Связывание вируса со специфическим белком-рецептором (антителом), нанесенным на поверхность нанопровода, вызывает значимое изменение электрической проводимости. Ученым удалось сконструировать наносенсор, способный одновременно выявлять несколько видов вирусов на основе нескольких различных антител, специфических для каждого из них. Такие устройства, несомненно, найдут применение в медицинской диагностике.

Еще одно направление применения наносенсоров – это выявление последовательности нуклеотидов ДНК. В одном из таких устройств рецепторы, нанесенные на нанопровода, способны детектировать гены, несущие специфическую мутацию, которая в 75% случаев вызывает заболевание муковисцидоз. В ходе освещения темы невозможно не остановиться на такой перспективной области применения создаваемых нанобиосенсоров, как диагностика заболеваний, основанная на обнаружении специфических маркерных белков. Уже разработан способ выявления злокачественных клеток некоторых опухолей с помощью покрытых антителами углеродных нанотрубок. В ответ на появление в организме чужеродных веществ, называемых антигенами, иммунная система вырабатывает антитела. Каждый вид антител избирательно взаимодействует с определенным антигеном. Используя антитела, специфичные к рецепторам (антигенам), находящимся на поверхности раковых клеток, можно обнаружить злокачественную опухоль в организме человека.

Необходимо подчеркнуть, что, кроме диагностики заболеваний, нанобиосенсоры могут найти применение в направленном транспорте лекарственных веществ к клеткам-мишеням. В настоящее время создаются наноконтейнеры (липосомы, мицеллы, полимерные наночастицы), поверхность которых покрыта специальными сенсорными молекулами (своеобразными антителами), обеспечивающие возможность найти клетку-мишень в любой части организма. Внутрь наноконтейнера могут помещаться молекулы лекарственного вещества или, например, ген, кодирующий белок, который запускает процесс самоуничтожения клетки. При связывании «антител» с рецепторами «больных» клеток содержимое контейнера перемещается внутрь клетки, что приводит к их «выздоровлению» или гибели (раковые клетки).

Подведем итог, обозначив наиболее бурно развивающиеся направления использования нанобиосенсоров в совокупности с наноконтейнерами в медицине:

§  обнаружение антител, специфичных к антигенам больных клеток;

§  регуляция локальной доставки лекарственных средств непосредственно к больным клеткам.

Особо следует подчеркнуть, что при использовании медикаментозных препаратов, заключенных в наночастицы, минимизируется их разрушение, предотвращается возникновение побочных эффектов, а также увеличивается биодоступность за счет доставки лекарства непосредственно в пораженный орган или клетку.