Биотехнология 5

Биотехнология – это отрасль науки, сочетающая в себе черты как биологии, так и техники. Биотехнология изучает пути изменения окружающей среды в связи с потребностями человека. Биотехнологии – это методы получения полезных для человека продуктов с помощью биологических агентов. 

   Введение



   Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой

деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитического потенциала различных биологических агентов и систем – микроор-

ганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. В настоящее время разра-

ботка и освоение биотехнологии занимают важное место в деятельности практически всех стран. Достижение превосходства в биотехнологии яв-

ляется одной их центральных задач в экономической политике развитых стран. Лидерами биотехнологии являются сегодня США и Япония, нако-

пившие многолетний опыт биотехнологий для сельского хозяйства, фармацевтической, пищевой и химической промышленности. Прочное поло-

жение в производстве ферментных препаратов, аминокислот, белка, медикаментов занимают страны Западной Европы (ФРГ, Франция, Великобритания), а также Россия. Эти страны характеризуются мощным потенциалом новой техники и технологии, интенсивными фундаментальными и прикладными исследованиями в различных областях биотехнологии. Определить сегодня, что же такое биотехнология, весьма не просто. Вместе с тем, само появление этого термина в нашем словаре глубоко символично. Оно отражает мнение, что применение биотехнологических материалов и принципов в ближайшие годы радикально изменит многие отрасли промышленности и само человеческое общество. Интерес к этой науке и темпы ее развития в последние годы растут очень быстро.    Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, получали кисломолочные продукты, применяли ферментации для получения лекарственных веществ и переработки отходов. Но только новейшие методы биотехнологии, включая методы генетической инженерии, основанные на работе с рекомбинантными ДНК, привели к «биотехнологическому буму», свидетелями которого являемся мы в настоящее время. Новейшие технологии генетической инженерии позволяют существенно усовершенствовать традиционные биотехнологические процессы, а также получать принципиально новыми, ранеенедоступными способами разнообразные ценные продукты.   Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25–30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области наследственности и методические усовершенствования, которые приблизили человечество к познанию превращений ее материального субстрата и проложили дорогу новейшим промышленным процессам. Помимо этого, ряд важнейших открытий в других областях также повлиял на развитие биотехнологии (см. таблицу).   Генетическая инженерия существует немногим более 20 лет. Она бле-

стяще раскрыла свои возможности в области прокариотических организмов. Однако новые технологии, применяемые к высшим растениям и животным, пока не столь значительны. Попытки применения приемов генетической инженерии к высшим растениям и животным сталкиваются с огромными трудностями, обусловленными как несовершенством наших знаний по генетике эукариот, так и сложностью организации высших организмов.   Использование научных достижений и практические успехи биотехнологии тесно связаны с фундаментальными исследованиями и реализуется на самом высоком уровне современной науки. В этом плане нельзя не отметить удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и достижения теснейшим образом связаны и зависят от комплекса знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других (см. рисунок).    Сегодня биотехнология стремительно выдвинулась на передние позиции научно-технического прогресса. Фундаментальные исследования жизненных явлений на клеточном и молекулярном уровнях привели к появлению принципиально новых технологий и получению новых продуктов. Традиционные биотехнологические процессы, основанные на брожении, дополняются новыми эффективными процессами получения белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов, органических кислот и др. Наступила эра новейшей биотехнологии, связанная с получением вакцин, гормонов, интерферонов и др. Важнейшими задачами, стоящими перед биотехнологией сегодня, являются: повышение продуктивности сельскохозяйственных растительных культур и животных, создание новых

пород культивируемых в сельском хозяйстве видов, защита окружающей среды и утилизация отходов, создание новых экологически чистых про-

цессов преобразования энергии и получения минеральных ресурсов.   Характеризуя перспективы и роль биотехнологии в человеческом об-

ществе, уместно прибегнуть к высказыванию на одном из Симпозиумов по биотехнологии японского профессора К. Сакагучи, который говорил

следующее: «... ищите все, что пожелаете, у микроорганизмов, и они не подведут вас... Изучение и применение в промышленности культур клеток

млекопитающих и растений, иммобилизация не только одноклеточных, но и клеток многоклеточных организмов, развитие энзимологии, генетической инженерии, вмешательство в сложный и недостаточно изученный наследственный аппарат растений и животных все больше расширят области применения существующих направлений биотехнологии и создадут принципиально новые направления».

Биотехнология : К вопросу о разработке более эффективных антибиотиков

 В последнее десятилетие было отмечено серьезное снижение эффективности существующих антибиотиков, что может привести к мировому кризису здравоохранения. Открытие исследователей из Университета Виржинии (University of Virginia) предоставляет врачам и пациентам возможность нового подхода к созданию более эффективных антибиотиков.

«Поскольку бактерии становятся устойчивыми к существующим классам антибиотиков, со временем возникает недостаток потенциальных молекулярных мишеней в бактериальных клетках, на которые могут подействовать вновь разработанные препараты», говорит Джон Г. Бушвеллер (John H. Bushweller), возглавивший данную работу, результаты которой будут опубликованы в журнале Molecular Cell, «Это опасная ситуация, однако наше открытие является начальным пунктом разработки совершенно нового класса антибиотиков, действующих по принципиально иному механизму».

Профессор Бушвеллер и его коллеги расшифровали структуру мембранного фермента DsbB. Подобные ферменты очень важны – достаточно сказать, что кодирующие их гены занимают около одной трети генома клетки человека и являются молекулярными мишенями более чем половины применяемых сегодня лекарств.

До настоящего времени исследователи не имели достаточно информации о структуре этих белков, в то время как определение структуры белка необходимо для получения представления о его функции и о том, как он может послужить в качестве мишени лекарственного препарата. Профессор Бушвеллер и его научная группа решили эту проблему с помощью ядерной магнитно-резонансной спектроскопии – основного метода, применяемого при выяснении структуры органических соединений. Этот подход может теперь стать основным в расшифровке строения других связанных с клеточной мембраной молекул.

Фермент DsbB сам по себе является потенциальной мишенью для действия новых мощных антибиотиков, однако ученые видят основной результат своей работы не в этом, а именно в методе характеристики структуры и функций молекул, которые в будущем станут основой новых стратегий терапии.







Биотехнология : Идентифицирован белок, ответственный за формирование долговременной памяти

 Новое исследование, проведенное в Университете Хайфы (University of Haifa), позволило узнать много нового о процессе консолидации памяти и формировании долговременной памяти. Это последнее из множества открытий, которые призваны расшифровать один из самых сложных процессов в природе – процесс создания и сохранения информации в человеческом мозге. Его результаты были недавно опубликованы в журнале Nature Neuroscience.

Человеческий мозг постоянно получает сенсорные сигналы из окружающего мира: звуки, вкусы, визуальные образы, прикосновения и запахи. Лишь очень небольшая часть этих стимулов, фиксирующаяся в нашей кратковременной памяти, сохраняется в долговременной. Предыдущие эксперименты в лаборатории «Молекулярных Механизмов Обучения и Памяти» в Университете Хайфы показали существование белков, ответственных за качество долговременных воспоминаний. В настоящем исследовании была сделана попытка выяснить, каким образом стабилизируются долговременные воспоминания.

Научную группу возглавил профессор Коби Розенблюм (Kobi Rosenblum), заведующий отделом Нейробиологии и Этологии в Университете Хайфы, и его ассистентка Алина Элькоби (Alina Elkobi). В качестве модели была использована вкусовая память мышей. Было показано, что белок PSD-95 необходим для стимуляции в коре головного мозга «вкусового центра» во время процесса запоминания. Однако когда мышам предлагались уже известные им вкусы, PSD-95 в указанной области не вырабатывался.

Чтобы доказать, что PSD-95 необходим для запоминания, исследователи использовали две группы мышей, которые прошли одни и те же тесты. У одной группы была с помощью методов генетической инженерии «выключена» продукция PSD-95 во вкусовом центре коры. У таких мышей отсутствовала долговременная память на вкусы – через сутки они уже не помнили новых вкусов, в то время как в группе контроля такого не происходило. То есть запоминание присутствовало только в том случае, если активировалась продукция PSD-95.

Далее был исследован эффект PSD-95 на уже существующие воспоминания. У мышей, которым уже были предъявлены некие вкусы и у которых сформировалась на них память, была вызвана мутация в гене psd-95, в результате чего белок перестал продуцироваться. Но память, сформированная до мутации, не исчезла. То есть PSD-95 нужен только для запоминания, но не для удержания информации.

В синапсах нервной ткани обнаруживается множество белков, необходимых для функционирования мозга и периферических нервов, в том числе и для существования памяти. С нарушениями работы этих протеинов связывают тяжелые нейродегенеративные заболевания, до настоящего времени считающиеся практически неизлечимыми. Данное исследование касается лишь одного из таких белков.



Биотехнология

21 век является столетием биологических наук. Эти науки решительным образом способствуют пониманию живых организмов и экологических систем. Это открывает неожиданные возможности в разъяснении заболеваний и обнаруживает новые способы лечения. Германия и Россия уже 16 лет тому назад увидели и осознали научный потенциал в этой области и разработали совместные проекты, прежде всего, в биосенсорике, нейробиологии и биотехнологии защиты окружающей среды. Уже существующие сотрудничества в областях геномных исследований и исследования протеома, биоинформатики, исследования по биологической безопасности, нанобиотехнологии и биоэтики должны расширяться

Основополагающие новые достижения и знания, успехи и прогресс в технологиях, к ним относящихся, и их широкое использование в исследованиях в здравоохранении, исследованиях окружающей среды и в области питания будут иметь дальнодействующие воздействия на медицинское обеспечение, освоение и управление опасностями для окружающей среды и на нашу общественную жизнь в целом. 

Ключевые пункты

Ключевые пункты Федерального правительства по стимулированию биотехнологических исследований основываются на стратегии высокоразвитой технологии.

Между тем биотехнология является отправным пунктом и двигателем для многочисленных использований в медицине, пищевой и комбикормовой промышленностях, а также в химической промышленности. Она используется в различных областях, начиная с производства медикаментов через новые диагностические программы и программы терапии, изготовление тонких химикалий вплоть до технологий по очистке сточных вод и получения энергии из биомассы. Почти 500 биотехнологических предприятий уже разместилось в Германии, больше чем в каком-либо другом европейском государстве. Федеральное правительство преследует своей целью сделать Германию ведущим и руководящим местом в области биотехнологии в европейском масштабе не только в отношении количества предприятий, но и также относительно показателей товарооборота и численности занятых работников. Оно стремится идентифицировать и ликвидировать факторы, тормозящие рост. 

Чтобы расширить научные основы биотехнологии, существуют три центральные области исследований: 

Геномное исследование: Оно анализирует генетические планы строения микроорганизмов, растений и животных вплоть до человека. 

Системная биология: Она стремится к количественному пониманию динамических жизненных процессов посредством моделирования этих процессов на компьютере. 

Молекулярная медицина: Она выясняет молекулярные основы человеческих заболеваний. 

Поддержка и стимулирование направлений научных исследований, близких фундаментальным, должны открывать новые потенциалы внедрения инноваций и создания стоимости в сферах деятельности и отраслях - химии, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине, а также – через медико-биологические науки – информационных технологиях.

Должны открываться и осваиваться новые ключевые поля, такие как промышленная «белая» биотехнология и нанобиотехнология

Промышленная «белая» биотехнология 
Биотехнология приводит к новым, пригодным в промышленности, продуктам и делает промышленные процессы процессами, не наносящими ущерба окружающей среде. Таким образом, исследователи работают, например, над разработкой экологически безвредных биохимикалий, базирующихся на биологии материалах для замены синтетических материалов, тонких и специальных химикалий, а также ферментов для превращения вещества не только в моющих средствах. Научные сотрудники медико-биологически x наук и инженеры работают в тесном сотрудничестве с целью промышленного использования биологических систем. Федеральное Министерство образования и науки Федеративной Республики Германии(BMBF) создало инициативу стимулирования „Биопромышленность 2021“ с тем, чтобы в этой новой области биотехнологии Германия также играла ведущую роль. 

Нанобиотехнология 
В ходе миниатюризации сформировалась нанобиотехнология на границе пересечений между биотехнологией и нанотехнологией. Она создает мост между органической и неорганической природой и форсирует последовательное объединение в сеть биотехнологии и нанотехнологии в обоих исследовательских направлениях. Федеральное Министерство образования и науки Федеративной Республики Германии (BMBF) посредством инициативы стимулирования „Нанобиотехнологии“ поддерживает исследование в этой области.

Строительство дорог с помощью нанотехнологий

«Вместо щебня — полимерцементогрунт!»

На этой неделе в Тюмени была представлена новая уникальная технология для дорожного строительства. Участие в презентации принимали представители областного правительства, администрации города, руководители крупных предприятий. Им было предложено возводить дороги с помощью… нанотехнологий.

Научными исследованиями способов укрепления грунта в мире занялись еще в конце XIX века. В 30-е годы XX века сформировалась теоретическая база данного направления, вскоре появились первые дороги, взлетные аэродромные полосы. В XXI веке на помощь пришли нанотехнологии, о необходимости развития которых в последние годы часто повторяют на самом высоком уровне.

В основе новой технологии лежит применение цементно-грунтовых смесей со специальными добавками-пластификаторами на основе ренолита. 
Добавка легко растворяется в воде, не токсична, а физико-химические процессы при ее использовании происходят на молекулярном уровне.

Полученный «на выходе» полимерцементогрунт с успехом заменяет привычные щебеночные покрытия. Кроме того, значительно уменьшается стоимость дорожных работ. Да и укладывать полотно можно при низкой температуре воздуха — до минус 10 градусов. А главное, благодаря новому покрытию сами дороги станут служить намного дольше и о «ямочном» ремонте можно будет забыть. 

В 2007 году данная технология уже использовалась в Тюменской области при строительстве участка автодороги Сорокино — Знаменщиково протяженностью 1 тысяча метров. Еще одним экспериментальным объектом является территория нового завода компании «Бенат». А главные «полевые испытания» полимерцементогрунта состоялись в Москве, на полигоне МАДИ, при участии представителей Министерства транспорта Российской Федерации и правительства Москвы.

Кстати, вот какое мнение о данной технологии высказал в интервью «Российской газете» министр транспорта РФ Игорь Левитин: 
Уже оборудован опытный участок дороги (имеется в виду Тюменская область. — Д.Н.). Теперь будем смотреть, как он себя поведет. Технология действительно очень перспективная. И с ее помощью можно неплохо сэкономить на строительстве и содержании дорог. Кстати, в СССР была такая технология, но ее у нас «одолжили» за границей. А теперь мы ее воспринимаем как необыкновенное чудо. Это говорит о нашем небрежном отношении к собственным научным разработкам.

Дмитрий НЕВОЛИН


Российские ученые создают нановакцину от гриппа

Скоро о ежегодных прививках от гриппа можно будет забыть. Первая в мире нановакцина от этого недуга уже фактически разработана. Созданный с помощью нанотехнологий умный препарат поможет разрешить существующее противоречие: чтобы вакцина была эффективной, в ней должно быть побольше элементов вируса, однако чем больше таких элементов, тем опаснее прививка сама по себе.

Самые первые вакцины создавались так: из зараженного организма брали вирус — некое тело, на его поверхности есть структуры, которые и вызывают болезнь. При нагреве и получали материал для прививки. Но она была токсична, иммунитет человека не справлялся. 
Затем возникли так называемые субъединичные вакцины, которые стали делать уже не из всего вируса, а только из структур на его поверхности — субъединиц. Вакцина стала менее токсичной.

Нановакцина — последняя генерация. Она создает своеобразную модель вируса в теле — субъединицы вируса соединяются в полимерную молекулу металлическими наночастицами. 
Эта модель вызывает полноценную имунную реакцию в организме. Нанопрививка эффективна и нетоксична, а доза вирусного материала в ней снижена.

«При разработке использовалась главным образом базовая вакцина против птичьего гриппа для человека», – рассказал «24» директор НИИ гриппа РАН Олег Киселев.

Первые результаты исследований показали, что новый препарат позволяет защитить человека от опасного недуга на 5 – 7 лет. Причем пациента можно прививать сразу от нескольких штаммов вируса. В настоящее время отрабатывается технология получения препарата, а испытания планируется начать в конце этого года, говорит Киселев.


Ученые считают, что нановакцины кардинально изменят всю существующую ныне систему иммунопрофилактики. 
Ярослав Загоруй


Контактная линза-дисплей – почувствуй себя Терминатором!


Киноперсонажи, например, известный Терминатор, в фильмах могут увеличивать различные интересующие их участки, выводить как бы на виртуальный дисплей перед собой различную информацию с помощью специальных имплантов.

Похоже, что не за горами доступная реализация подобной технологии. Благодаря нанотехнологиям даже не придется имплантировать себе ничего сложного и дорогостоящего – просто надеваешь контактные линзы и…

А вот дальше все зависит от того, как пойдут исследования ученых из Вашингтонского Университета (University of Washington).

Совсем недавно им удалось сделать основу технологии будущего «суперзрения» — гибкую полимерную контактную линзу, которая содержит микроэлектронную светодиодную матрицу, управляющуюся с помощью внешнего источника. При этом устройство биологически совместимо с тканями глаза, и не должно вызвать раздражения.

Один из ученых, профессор Бабак Парвиц поясняет, что пользователь будет видеть информацию, которая выводится на дисплей как бы накладывающуюся на окружающий мир, т.е. не будет ощущения искусственности, которое присуще современным кибер-очкам и подобным устройствам.

Результаты работы ученых были представлены 17 января на международной конференции по МЭМС.

Устройство-прототип виртуального дисплея представляет собой обычную контактную линзу, внутри которой при ближайшем рассмотрении можно увидеть печатные дорожки, формирующие матрицу красных светодиодов. Правда, пока устройство не работает в должной мере – ученые не решили, как подводить к нему энергию. Возможно, с помощью внешнего радиочастотного источника, или же на самой линзе сформировать солнечный элемент.

Создать подобную линзу было непросто – материал должен быть биологически совместимым, но кроме этого он должен быть основой для микроэлектронной платы. При производстве микроэлектроники обычно применяются токсичные материалы, и часть из них остается после производства на самом чипе. Однако ученые постарались сформировать металлическую схему светодиодов на гибком пластике с помощью распространенного нанотехнологического метода, называемого самосборкой.

Сначала ученые изготовили металлическую микросхему толщиной в несколько нанометров, затем – отдельно светодиоды диаметром в 1/3 миллиметра. Далее, на поверхность контактной линзы нанесли все изготовленные компоненты, смоченные водой. Капиллярные силы притянули их вместе таким образом, как того требовала их конфигурация, — по-другому «сложиться» электронные компоненты не могли в силу структурных особенностей.

Подобная технология, когда «набор запчастей» сам формирует готовую структуру у нанотехнологов и называется самосборкой (self-assembly).

Пока сама контактная линза не корректирует зрение, но Парвиц сказал, что полимер-основу можно будет сделать корректирующей зрение точно так же, как это делают обычные аналоги. Более того, электронные микросхемы, находящиеся внутри линзы, не будут загромождать зрение — человек их увидит только в том случае, когда будет выводиться информация.

Тесты на биологическую совместимость прошли успешно. Линза была надета на глаз кролику, и он носил ее в течение 20 минут. Никаких раздражений при этом не было замечено. Правда, ученые не говорят пока о том, как будет охлаждаться эта электроника, но, скорее всего, рассеиваемое тепло будет незначительным и не будет представлять угрозу для тканей глазного яблока.

Исключительность устройства состоит в том, что любителю кибертехнологий не нужно будет ничего вживлять и имплантировать, все что нужно – просто надеть контактную линзу и снять ее, когда погружение в киберпространство уже не требуется.

Парвиц говорит, что в ближайшем будущем линзу «включат» и протестируют ее дисплей, состоящий из нескольких пикселов.

Все же, несмотря на пока скромные достижения, можно отчетливо предсказать, что эта технологическая ветка может принести успешные коммерческие продукты в ближайшем будущем.

Это и военные системы тактических подсказок (например, для пилотов или спецопераций), для путешественников, интерактивные справочные системы, например, способные идентифицировать различные предметы, попадающие в поле зрения человека, выводя о них дополнительную информацию, компьютерные игры и погружение киберпространство, наконец.

Все эти перспективы выглядят весьма и весьма интересно, поэтому вполне возможно, что через несколько лет каждый может почувствовать себя эдаким «терминатором».



Нанотехнологии помогут лечить туберкулез


РОСТОВ-НА-ДОНУ, 29 апреля — Для Ростовского областного противотуберкулезного диспансера приобретен лабораторный комплекс биочип-диагностики.

Как сообщили ИА «Росбалт-Юг» в пресс-службе министерства здравоохранения региона, биочип-диагностика позволит в течение суток установить диагноз, выбрать набор противотуберкулезных медикаментов, а также оптимальную схему лечения для конкретного больного.

Напомним, что в Ростовской области работает единственная в ЮФО специализированная туберкулезная больница на 340 мест, где лечат наиболее тяжелые формы болезни. Также в регионе функционируют три из 12 существующих в стране автоматизированных систем для ускоренной микробиологической диагностики туберкулеза «БАКТЭК-960», которые позволяют в два-три раза сократить сроки исследования больных.

http://www.rosbaltsouth.ru/…/479582.html

Биочип-диагностика туберкулеза

В следственном изоляторе «Матросская тишина» открылась уникальная медицинская лаборатория

В следственном изоляторе номер один, который более известен под названием «Матросская тишина», открылась уникальная медицинская лаборатория. Впервые в России в ней будут выполнять биочип-диагностику туберкулеза.

Если при применении традиционных методов выявление болезни занимает от 1,5 до 3-х месяцев, то новая аппаратура сокращает этот срок до 2-х суток.

Таким образом, врачи получают возможность оперативно начать лечение больного. Биочипы относятся к нанотехнологиям и, по убеждению специалистов, имеют большое будущее для медицины. 





28.07.2008 

Россия потихоньку догоняет лидеров среди стран, вкладывающих государственные средства в развитие нанотехнологий, сообщает Нано Дайджест. Ранее директор Бюро по координации национальной политики в области нанотехнологий США Клейтон Тиг в ходе встречи с руководством «Роснанотеха» в Вашингтоне, сообщил о том, что в среднем США выделяют около 1,5 миллиарда долларов государственных средств в год на развитие нанотехнологичных проектов. В России же планируется вкладывать около по 1,4 млрд долл ежегодно в развитие нанотехнологий.

В Денвере делегация «Роснанотеха» провела ряд деловых встреч с представителями американского бизнеса, на которых обсуждались вопросы двустороннего сотрудничества в области нанотехнологий. В течение ближайших четырех лет Россия потратит на развитие нанотехнологий 4 млрд долл, напомнил президент госкорпорации "Роснанотех" Леонид Меламед в рамках своего делового визита в США. При этом, помимо этих сумм, ещё около 1 млрд долл будет потрачено на покупку нового современного оборудования для лабораторий и исследовательских коллективов. При этом следить за развитием исследований в области нанотехнологий будет Институт им. Курчатова, а заниматься коммерциализацией проектов в сфере нанотехнологий - "Роснанотех". При этом в США на аналогичные цели расходуется около 1,5 млрд долл бюджетных средств. Однако, помимо государства, огромные деньги в проекты в сфере нанотехнологий вкладывают также и частные корпорации, включая IBM и Intel. Основная нагрузка приходится именно на эти компании. В России же пока частные инвесторы не спешат расходовать средства на нанотехнологии. Главная причина - неопределенность в этой области - нанотехнологические проекты очень трудно оценить с коммерческой точки зрения, так как нет соответствующих историй успеха.



Нанотехнология качественно отличается от традиционных инженерных дисциплин. Потому что на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей зачастую не имеют смысла, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты.

Нанотехнология ныне находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, все еще не сделаны. Тем не менее, проведенные исследования уже сейчас дают практические результаты. За применение передовых научных исследований, нанотехнологию относят к высоким технологиям.

Нанотехнология, и, в особенности, молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. Однако классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не на много, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

 



Нанотехнологии — это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами — это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность. 



В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами — туннельный микроскоп, изобретённый учеными из IBM. Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только «видеть» отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, а стало быть, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно: любой предмет, любое вещество. 

Нанотехнологии обычно делят на три направления: 

изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов 

создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу 

непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно 



Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипировние, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества. 
В 1992 году, выступая перед комиссией Конгресса США, доктор Эрик Дрекслер нарисовал картину обозримого будущего, когда нанотехнологии преобразят наш мир.

Будут ликвидированы голод, болезни, загрязнение окружающей среды и другие насущные проблемы, стоящие перед человечеством. Практически все, что необходимо для жизни и деятельности человека, может быть изготовлено молекулярными роботами непосредственно из атомов и молекул окружающей среды. Продукты питания — из почвы и воздуха, точно так же, как их производят растения; кремниевые микросхемы — из песка. Очевидно, что подобное производство будет куда более рентабельным и экологичным, чем нынешние промышленность и сельское хозяйство. 

Человечество получит исключительно комфортную среду обитания, в которой не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду. А в перспективе нас ждёт возникновение «разумной среды обитания» (т. е. природы, ставшей непосредственной производительной силой). Нанокомпьютеры и наномашины заполнят собой все окружающее пространство: они будут находиться между молекулами воздуха, присутствовать в каждом предмете, в каждой клетке человеческого организма. Весь окружающий мир превратится в один гигантский компьютер или, что, пожалуй, будет вернее, человечество сольется с окружающим миром в единый разумный организм. 

Перспективы применения достижений нанотехнологии для решения проблемы продления жизни 

В современной геронтологии доминирующей становится точка зрения, что первичные причины старения имеют молекулярную природу. Вместе с тем, технический прогресс привел к тому, что в настоящее время человечество находится на пороге достижения возможности свободного манипулирования с отдельными атомами и молекулами.



Анализ развития этих тенденций, ведущих к "овладению" молекулярным уровнем организации живой материи, позволяет предположить, что через несколько десятилетий подходы к лечению старения претерпят коренные, революционные изменения и, в конечном счете, их развитие приведет к решению проблемы старения.

Нанотехнология определяется как технология, основанная на возможности манипулировать отдельными атомами и молекулами с целью создания достаточно сложных объектов, структура которых может быть описана с точностью до одного атома. Этот термин также используется и для обозначения области науки и техники, связанной с разработкой устройств, позволяющих производить подобные манипуляции. Название нанотехнология происходит от слова нанометр - одна миллиардная доля метра (величина равная нескольким межатомным расстояниям).



Для медицинских применений помимо возможности детекции и манипулирования биомолекулами важной проблемой является энергоснабжение молекулярных роботов и их взаимодействие во время нахождения внутри организма с находящимся вне организма суперкомпьютером, который управляет их работой. Здесь перспективным представляется использование магнитного поля, поскольку биологические ткани прозрачны для него (другим вариантом может быть использование акустических волн).

Магнитное поле может изменять структуру молекулярных роботов, заряжая его энергией и сообщая информацию, а для сообщения информации управляющему компьютеру молекулярный робот может сам изменять свою структуру, что будет зарегистрировано датчиками, расположенными вне тела человека. Аналогом такого подхода является томография на основе ядерного магнитного резонанса - метод, который сейчас широко используется для получения трехмерных изображений внутренних органов в реальном времени. 

Главной проблемой, препятствующей разработке и внедрению молекулярных роботов является их проектирование. Основной элемент такого проектирования - моделирование поведения роботов. Эта задача примерно того же порядка сложности, что и моделирование динамики белковых молекул. Хотя его алгоритмы известны, но большой размер молекул не позволяет осуществить их моделирование в приемлимые сроки при помощи современных компьютеров. Оценки тенденций развития вычислительной техники позволяют предположить, что компьютеры смогут достичь мощности, необходимой для такого моделирования лишь в 2010-2015 гг. 

Поскольку другие элементы технологии изготовления белковоподобных молекулярных роботов практически уже существуют, можно прогнозировать, что молекулярная нанотехнология может быть реализована вскоре после этого времени. С учетом необходимости разработки конкретных типов молекулярных роботов и проведения дополнительных молекулярно-биологических исследований (направленных как на получение недостающих данных о функционировании биомолекул и клеток, так и на экспериментальное тестирование взаимодействия молекулярных роботов и клеточных структур) можно ожидать, что описанные ниже возможности будут доступны во второй четверти 21 в. Однако, при благоприятном развитии событий отдельные элементы описанной ниже процедуры лечения старения могут начать внедряться в практику уже в конце следующего десятилетия. Например, это может быть противодействие какой-либо одной причине старения посредством простых, автономно функционирующих молекулярных роботов, конструкция которых не сильно отличается от таковой обычных белков. В отличие от более сложных, универсальных роботов их разработка (по крайней мере, в принципе) может быть проведена без больших вычислительных затрат - сочетанием компьютерной "искусственной эволюции" и биохимической "эволюции в пробирке".

Подъемник в небо: последние достижения нанотехнологий 



Те, кто  думает, что  продуктом нанотехнологии может быть лишь что-то субмикроскопическое и скрытое для невооруженного глаза, вероятно, будут удивлены технологией, описываемой в данной статье. И тем не менее, факт — нанотехнологии могут быть полезны в создании колоссальной по своим размерам конструкции — космического лифта, подъёмника длиною 100 тысяч километров. 

Суть идеи следующая: планируется создать колону около метра в диаметре и длиной около 100 000 километров.

Создание такой невероятной конструкции становится возможным благодаря последним достижениям в области нанотехнологий, а именно исследованию углеродных нанотрубок — полых цилиндров нанометровой толщины, которые при значительных преимуществах в весе по прочности превосходят сталь в 100 раз.

Проектируемая труба при своей длине будет иметь стенку не толще бумаги. Наземный конец установки будет укреплен на подвижной морской платформе, которую планируется разместить на экваторе, на запад от Эквадора. К трубе будет прикреплен подъёмник, который сможет совершать подъем на орбиту спутников, компонентов орбитальных станций и даже людей. Орбитальный конец трубки будет крепиться к массивному телу, возможно астероиду, который будет выступать в роли противовеса. Поскольку вся конструкция будет вращаться синхронно с планетой, подъёмник будет оставаться неподвижным относительно поверхности. 

Согласно подсчетам, себестоимость подъёма 1 килограмма груза с помощью такого космического лифта может составлять лишь около 100 долларов, тогда как сегодня это обходится от 10 до 40 тысяч долларов за килограмм. 
Роберт Казанова, глава Института перспективных разработок НАСА, утверждает, что физически проект вполне выполним и его реализация — лишь дело времени. Не исключено, что это будет осуществлено уже в ближайшие 15 лет. По некоторым подсчетам, для завершения работ необходимо до 10 миллиардов долларов, в частности, для доставки на орбиту около 12 тон необходимых материалов, что придётся сделать традиционным путём. 

Достижение General Electric в сфере нанотехнологий

Исследователям из компании General Electric (GE) удалось создать одно из самых маленьких в мире функционирующих устройств - углеродную трубку размером в 10 атомов, способную однажды совершить переворот в технологии производства компьютерных чипов. Сотрудники центральной исследовательской лаборатории GE надеются, что их разработка, представляющая собой свернутый "лист" (напоминающий проволочную сетку) из атомов углерода, однажды заменит стандартные полупроводники, применяемые как в компьютерах, так и в других электронных устройствах.

Новое устройство - нанотрубка - разработана в сфере технологий, оперирующей с частицами, размеры которых относятся к миллиардным долям метра. Дабы иметь возможность представления реальных габаритов разработки, стоит отметить, что 10 атомов водорода по габаритам эквивалентны 1/80000 диаметра человеческого волоса.

Разработка компании обладает немалым потенциалом, по мнению многих специалистов. Ее появление демонстрирует, что нанотрубки обладают достаточными свойствами для возможности формировани чипов, по своим размерам во много раз меньших нежели изготовляемые5 ныне аналоги из кремния, наиболее распространенного материала для компьютерных чипов. Еще одним немаловажным фактором является то, что уже в течение ближайшей декады кремниевые чипы могут достигнуть критической отметки в процессе своей миниатюризации, после чего дальнейшее уменьшение размеров неизменно будет вести к утрате возможности функционировать. И все же пока сложно говорить о полноценной замене этому материалу. Перед возможностью производства чипов из нанотрубок стоит одно весомое технологическое препятствие, заключающееся в необходимости объединения между собой миллионов нанотрубок, а также обеспечения их координированной работы.

Работой над разроботкой нанотрубок занимаются многие компании, находящиеся в данный момент на различных этапах достижения поставленной задачи. Однако в отличие от большинства существующих уже разработок, нанотрубки от GE наделены возможностью как излучать, так и принимать свет. А это означает потенциальную возможность выполнять задачи на подобие излучение света невысокой интенсивности на молекулы, которые могут найти применения как в медицине, так и в сфере безопасности. Из подобных нанотрубок могут быть создано абсолютно новое поколение сенсоров безопасности, способных распознавать комбинации из огромного числа как химических, так и биологических токсинов.

Нано на обед: человек съест продукты нанотехнологий 



Наноеда (nanofood) – термин новый, малопонятный и неказистый. Еда для нанолюдей? Очень маленькие порции? Еда, сработанная на нанофабриках? Нет, конечно. Но всё же это — любопытное направление в пищевой отрасли. Учёные, инженеры и специалисты пищевой промышленности спорили о перспективах наноеды на первой конференции с говорящим названием Nano4Food 2005 


Она прошла 20-21 июня в голландском местечке Wageningen. Оказывается, наноеда – это целый набор научных идей, которые уже находятся на пути к реализации и применению в промышленности. 

Во-первых, нанотехнологии могут предоставить пищевикам уникальные возможности по тотальному мониторингу в реальном времени качества и безопасности продуктов непосредственно в процессе производства. 

Речь идёт о диагностических машинах с применением различных наносенсоров или так называемых квантовых точек, способных быстро и надёжно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. 

И производство пищи, и её транспортировка, и методы хранения могут получить свою порцию полезных инноваций от нанотехнологической отрасли. 

По оценке учёных, первые серийные машины такого рода появятся на массовых пищевых производствах в ближайшие четыре года.

Но на повестке дня и более радикальные идеи. Вы готовы проглотить наночастицы, которые невозможно увидеть? 

Помнится, некоторое время назад появилась "страшилка", что, мол, случайно попавшие в природу наночастицы, созданные руками человека, могут представлять опасность для здоровья.

Эти опасения ещё не развеяны, но специалисты по нанотехнологиям предлагают посмотреть на такую "интервенцию" внутрь наших тел и с иной стороны. 

А что если наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма полезных веществ и лекарств? Что если такие нанокапсулы можно будет внедрять в пищевые продукты? 

Пока ещё никто не употреблял наноеду, но предварительные разработки уже идут. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики или полимеров. И разумеется — органических веществ. 

И если в отношении безопасности так называемых "мягких" частиц, сходных по строению и составу с биологическими материалами – всё ясно, то "твёрдые" частицы, составленные из неорганических веществ – это большое белое пятно на пересечении двух территорий — нанотехнологии и биологии. 
Поскольку эти частицы необычайно малы, они демонстрируют иное химическое поведение чем, те же вещества, но "оптом". Тут в игру уже вступает квантовая механика.

Учёные ещё не могут сказать, по каким маршрутам подобные частицы будут путешествовать в теле, и где в результате остановятся. Это ещё предстоит выяснить. Зато некоторые специалисты уже рисуют футуристические картины преимуществ наноеды. Помимо доставки ценных питательных веществ к нужным клеткам. 

Как вам понравится, например, интерактивный напиток, нарисованный воображением Мануэля Маркеса-Санчеса (Manuel Marquez-Sanchez) из компанииKraft Foods? 

Идея заключается в следующем: каждый покупает один и тот же напиток, но затем потребитель сможет сам управлять наночастицами так, что на его глазах будут меняться вкус, цвет, аромат и концентрация напитка. 

Фантастика. Но первые ласточки – уже на пороге. Сейчас рынок наноеды имеет объём около $3 миллиардов. Это пока лишь прикладные нанотехнологии, которые можно приспособить для нужд пищевой промышленности. А к 2010 году, по оценке экспертов, данный рынок вырастет до $20 миллиардов. 

Может быть, в этой сумме свою долю завоюют и меняющие свою структуру напитки. Или, скажем, вылечивающие сосуды и сердце нанобифштексы.