Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Все это напоминает невежественные выходки вроде унич тожения ткацких станков луддитами или протесты против пер вой сельхозтехники, когда крестьяне шли с вилами на “желез ного дьявола” – трактора. Многие возразят, что сегодня речь идет о “святая святых” – молекуле ДНК, и что такие экспери менты – первейший грех против природы и самого Бога. Но помилуйте, не то же ли самое утверждали в Средние века прес ледователи первых ученых, пытавшихся проникнуть в тайны строения человеческого тела путем анатомирования трупов? На каком уровне находились бы современная медицина и биоло гия, если б не те первые «святотатцы» (во многих случаях, кста ти, люди глубоко верующие)?

Я отнюдь не являюсь адептом трансгенных продуктов и не собираюсь агитировать читателей в их пользу. Нельзя не приз нать, что компании, производящие ГМ продукцию, часто гото вы ради коммерческой выгоды выбросить на рынок недоста точно проверенный сорт – уж в таком обществе мы живем. Но все же мне очень претит необоснованное паникерство и насаж дение невежества, препятствующее развитию высоких техноло гий, особенно в России. Тем не менее, дыма без огня не бывает, и в этой главе я постараюсь изложить основы биотехнологий и попутно рассказать о достигнутых результатах, отразив их воз можные плюсы и минусы.

Основные понятия биотехнологии

Биотехнология – это совокупность методов для придания биологическим объектам заданных свойств с целью их использования в разных отраслях производства.

Развитие и становление современной, основанной на зна ниях о строении и функциях ДНК, биотехнологии приходится на вторую половину ХХ века. Биотехнология работает с биомо лекулами (ДНК, белки и т. д.), микроорганизмами (бактерия ми, микроскопическими грибами, дрожжами, спорами, виру сами и т. д.), клетками и тканями растений и животных. Все это можно рассматривать как наноструктуры, поэтому часто био технологию считают одним из разделов нанотехнологии.

Многие биотехнологические производства человечество освоило задолго до того, как были открыты не только основные

278

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

законы биологии, но и существование самих микроорганизмов. К ним относятся, например, производства хлеба, вина, пива, уксуса, кефира, сыра и т. п.

Где только ни применяются достижения современной на нобиотехнологии:

Впищевой, фармацевтической, химической, нефтяной про* мышленности микробы производят многие продукты, пищевые добавки и комбикорма, синтезируют и очищают сложные хи мические вещества, контролируют состав растворов.

Вэкологии микроскопические работники очищают сточные воды, разлагают отходы и мусор, поглощают вредные вещества.

Вэнергетике бактерии вырабатывают горючие газы и лик видируют последствия нефтяных загрязнений, а полученный с помощью дрожжей или микробных ферментов спирт добавля ют в бензин. Микробы занимаются фотосинтезом, восстанав ливают топливные ячейки, а недавно ученые сделали из бакте рии “живую” нанобатарейку.

Всельском хозяйстве используются трансгенные (генети чески измененные) растения и животные, биологические сред ства защиты растений, бактериальные удобрения, фитогормо ны, стимулирующие рост растений. Не за горами использова ние в животноводстве клонированных и даже генетически мо дифицированных животных.

Вэлектронике биологические объекты уже служат деталями микросхем и датчиков, а в будущем возможно создание пол ностью живых компьютеров. Изучение молекулярной природы нейронов сделало возможным соединение живых нервов с мик рочипами, а удивительное вещество бактериородопсин управ ляет лучами света.

Вмашиностроении биомолекулы и микроорганизмы уже се годня составляют основу примитивных наномашин, синтези рующих по заданной программе сложные полимеры и свои ко пии. Живые мышцы приводят в движение микророботов, а мо лекулы ДНК собирают наночастицы в трехмерные структуры.

Воснове биотехнологии лежат процессы, протекающие в клетке. Известно, что первыми живыми обитателями Земли были так называемые прокариотные клетки, которые и сфор мировали ту среду, в которой появились все другие организмы. Около двух с половиной миллиардов лет они были единствен

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ными живыми существами на планете, и только 1 млрд. лет на зад, когда произошла «неопротерозойская революция», на Зем ле появились и стали распространяться эукариоты.

Наследственная информация всех известных науке существ записана в молекулах ДНК, входящих в состав хромосом. При нято делить организмы на две группы по наличию у них ядра, отделяющего хромосомы от цитоплазмы клетки.

Прокариоты (от лат. «pro» – до + греч. «karyon» – ядро) – это безъядерные организмы, к которым относятся бактерии и цианобактерии (сине зеленые водоросли). В отличие от них, эукариоты (от греч. «eu» – полностью + «karyon» – ядро) имеют четко оформленное ядро с оболочкой, отделяющей его от ци топлазмы. К ним относятся грибы, растения и животные.

Типичный прокариот включает следующие основные под системы:

геном (инструкция по сборке РНК и белков);

механизм репликации ДНК (производство ее новых копий);

рибосомы (синтез белка);

цитозоль (управление обменом веществ);

мембрана (взаимодействие с внешней средой и синтез АТФ16).

Рис 183. Основные подсистемы прокариотной клетки

16. Аденозинфосфорные кислоты – нуклеотиды, содержащие аденозин (аденин + углевод рибоза) и один, два или три остатка фосфорной кислоты (соответственно, аденозинмонофосфат – АМФ, аденозиндифосфат – АДФ и аденозинтрифосфат – АТФ). Они есть во всех организмах (от микроба и растения до человека) и играют важнейшую роль в обмене веществ и энергий, т. к. присоединение к ним фосфатных групп сопровождается аккумуляцией энергии, а отщепление – выделением энергии, используемой для различных процессов жизнедеятельности. АТФ – универсальный аккумулятор и переносчик энергии во всех живых организмах.

280

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Мембрана содержит механизмы переноса веществ: субстра* тов – внутрь клетки, а продуктов ее жизнедеятельности – нару жу. Поступающие из внешней среды субстраты (химические со единения органического и неорганического происхождения) в результате электрохимических преобразований расходуются на синтез необходимых клетке соединений, в т. ч. АТФ – универ сального переносчика энергии. У фотосинтезирующих орга низмов мембраны обеспечивают накопление разницы электри ческих потенциалов, возникающих под действием света при участии молекул хлорофилла.

Одна из главных подсистем клетки – цитозоль – представ ляет собой внутреннюю полужидкую среду клетки. Это своеоб разный «котел» всех метаболических превращений. Механиз мы обмена веществ в клетке направлены на ее рост и развитие. Для этого необходимы энергия и строительные блоки (амино кислоты) для производства белков. И то, и другое получается в результате переработки поступающих извне веществ. Энергия образуется в результате расщепления сложных веществ – ката* болизма, а строительные блоки – в результате синтеза, анаболиз* ма. Катаболизм и анаболизм представляют собой две основные части метаболизма – обмена веществ.

Наследственная информация закодирована в парах нуклео тидов на двойной спирали ДНК. Ген – это участок ДНК, коди рующий свойства определенного белка или молекулы РНК и соответствующий какому либо признаку организма. А полный набор генов называется геномом.

Геном бактерий включает несколько тысяч генов, располо женных линейно на макромолекуле ДНК, называемой хромосо* мой. В отличие от эукариотных клеток, имеющих большое чис ло незамкнутых хромосом, клетки прокариот содержат всего одну кольцевую хромосому.

Прокариоты размножаются бесполым путем, посредством деления клеток после репликации ДНК. Репликация представ ляет собой процесс, когда ДНК дочерних клеток получаются из одной нити материнской и одной нити вновь синтезированной ДНК. Как это происходит?

Джеймс Уотсон и Френсис Крик, открывшие в 1953 году структуру ДНК, доказали, что ее молекула состоит из тысяч со единенных между собой маленьких молекул четырех видов –

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

нуклеотидов, или оснований: гуанина (G), цитозина (С), тимина (T) и аденина (A). Па ры нуклеотидов связаны между собой водо родными связями, причем таким образом, что аденин соединяется с тимином, а гуанин

– с цитозином.

Именно таким, комплементарным, обра зом соединяются между собой две нити спи рали ДНК: напротив тимина из одной нити всегда будет находиться аденин из другой и ничто иное.

Такое расположение позволило объяснить механизмы реп ликации ДНК: двойная спираль расплетается c образованием двух репликативных вилок, на каждой из которых начинается встречный синтез второй нити. В этом процессе принимает участие специальный белок – ДНК*полимераза, который, про ходя вдоль нити материнской ДНК, последовательно считыва ет нуклеотиды и строит на их основе вторую нить (по принци пу комплементарности).

Рис 185. Репликация ДНК

Таким образом, каждая из исходных нитей материнской ДНК получает по точной копии ее бывшей «партнерши». Нук леотидные нити достраиваются из так называемых предшест* венников, поступающих из цитозоля и образуемых из пентоз, оснований, АТФ, ферментов и др. молекулярных соединений.

282