Роль нанобиотехнологии в инновационном развитии ветеринарной медицины

УДК 573.086.83:619-9.616-07

РОЛЬ НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ В ИННОВАЦИОННОМ РАЗВИТИИ

ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

А.М. АЛИМОВ

ФГОУ ВПО «Казанская государственная академия ветеринарной медицины

имени Н.Э. Баумана»

Представлены этапы развития био- и нанотехнологии. Приведены основные задачи ветеринарной медицины, решаемые методами био- и нанотехнологии.

Ключевые слова: биотехнология, ветеринарная медицина, нанотехнология.

На современном этапе задачи ветеринарной медицины по обеспечению сохранности здоровья людей, благополучия территории страны и регионов, получению безопасной и высококачественной продукции животноводства и сырья животного происхождения весьма усложнились. Это, в первую очередь, связано с многоукладностью экономики, интенсивным перемещением людей, животных, продукции и сырья не только внутри страны, но и между государствами и даже континентами.

В связи с этим от ветеринарной службы требуется принятие оперативных и быстрых решений, которые должны базироваться на экспресс методах анализа качества безопасности продукции сельского хозяйства, оценки здоровья животных. Для решения этих задач требуются экспресс методы анализа, отличающиеся высокой точностью и специфичностью. В связи с этим дальнейшее развитие ветеринарной медицины безусловно потребует широкого использования современных достижений нанобиотехнологии.

Впервые термин «биотехнология» был использован венгерским экономистом К. Эре-ки в 1919 году, но окончательно закрепился в научной терминологии в 70-е годы в связи с началом развития генетической и клеточной инженерии. Однако отдельные элементы биотехнологии применялись человеком давно (хлебопечение, виноделие, пивоварение).

В связи с наступлением эры антибиотиков в 1940-50 годы биотехнология получила бурное развитие. Производство антибиотиков оказалось весьма наукоемкой отраслью, которая потребовала интеграции усилий специалистов разного профиля (биохимиков, микробиологов, генетиков, инженеров, медиков) и использования технологических достижений в области микробиологии.

Благодаря использованию антибиотиков в лечении многих инфекционных болезней

были достигнуты большие успехи. Однако за последние годы появились и ряд проблем, связанных с аллергизацией организма и антибиотикорезистентностью микроорганизмов. Анти-биотикорезистентность стала мировой проблемой. В Европейских странах ежегодно заболевают около 400000 человек бактериальными инфекциями, вызываемыми устойчивыми к антибиотикам микроорганизмами. Количество стран с очагами резистентности микробов к антибиотикам растет из года в год. К числу таких стран относятся США, страны Евросоюза, Африки, Латинской Америки и Россия. Эта проблема стоит и перед ветеринарной медициной не только в плане лечения животных, но и по предупреждению попадания антибиотиков с продукцией животноводства в организм человека.

В 60-е годы прошлого века дальнейшее развитие биотехнологии было связано с производством кормовых дрожжей, белка одноклеточных организмов, незаменимых аминокислот и белково-витаминных концентратов для использования в животноводстве.

Появление новой отрасли - генетической инженерии - способствовало существенному изменению микробной биотехнологии. В частности, значительно повысилась продуктивность промышленных микроорганизмов - продуцентов аминокислот, ферментов, антибиотиков, благодаря введению дополнительных генов, увеличения их активности и количества, а также изменения питательных потребностей микроорганизмов. Генетическая инженерия позволила получить штаммы микроорганизмов, способных синтезировать несвойственные им вещества, а также изменить сущность селекции микроорганизмов-продуцентов, так как появилась возможность введения новых генов для получения целевого продукта.

Рассматривая историю развития микробной биотехнологии выделяют два периода: эра дорекомбинантной ДНК до 1981 года и с 1982 года - эра пострекомбинантной ДНК, т.е. генетической инженерии.

В процессе создания полупроводниковых материалов, интегральных схем и компьютеров произошло переосмысление процессов живой природы. В связи с этим чаще вместо термина «нанотехнология» стали использовать термин «нанобиотехнология», который объединяет в себе достижения нанотехнологий и молекулярной биологии.

Нанобиотехнология - сфера науки и производства, занимающаяся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровнях.

Наиболее высокие достижения нанобиотехнологии связаны с расшифровкой генотипов различных организмов, в том числе и человека, свиней и трансгенной инженерией (изменение генетических свойств путем замены или дополнительного введения отдельных типов в молекуле ДНК), использованием органических молекул в микрочипах для электроники.

Слово «нанотехнология» произошло от единицы измерения - нанометр, составляющей 1/1000 микрометра (микрона), что является приблизительным размером молекулы. В частности

А.Энштейн (1905) доказал, что размер молекулы сахарозы составляет примерно 1 нанометр.

Развитие нанотехнологий связано не только с умением оперировать отдельными атомами и молекулами, но и с изменением самих подходов в организации науки.

Есть различные определения термина «нанотехнология». В настоящее время нанотехнология означает совокупность приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1-100 нм), для получения объектов с новыми химическими, физическими и биологическими свойствами.

В последние годы много внимания уделяется нанотехнологиям и возможностям их применения в различных отраслях человеческой деятельности. К практическим аспектам применения нанобиотехнологии относятся: ускорение и повышение точности диагностики заболеваний; создание наноструктур для доставки функциональных молекул в клетки-мишени; повышение экологизации производственных процессов, разработка новых материалов.

Нанобиотехнология позволила создать технику быстрого секвенирования ДНК с помощью нанопор, что дает возможность ускорения появления геномной медицины, направленной на лечение генетических болезней отдельного человека, исходя из дефектов в его ДНК.

Созданы «биочипы», позволяющие идентифицировать присутствие в пище следовых количеств мяса от 12 видов млекопитающих, 5 видов домашней птицы и 16 видов рыб, а также выявлять мононуклеотидный полиморфизм по 20 тысячам сайтов в различных участках геномов молочных и мясных пород крупного рогатого скота. В институте молекулярной биологии РАН разработана, запатентована и внедряется в медицинскую диагностику нанотехнология биочипов, позволяющая проводить оперативный анализ ряда инфекционных, онкологических и сердечно-сосудистых и наследственных заболеваний. Данная технология позволяет быстро и в ультрамалых количествах определять «чувствительность микобактерий туберкулеза к лекарственным средствам, вирусов лейкоза, оспы, гепатитов, птичьего гриппа, возбудителя сибирской язвы и др.

Современные разработки направлены на выявление диагностически значимых маркеров с использованием постгеномных технологий, так и на разработку способов специфической сорбции маркеров в наноустройствах для тестирования образцов биопрепаратов людей и животных, кормов и продукции животного происхождения (мяса, колбасных изделий, молока и молочных продуктов).

На нанобиотехнологию возлагают большие надежды в борьбе со злокачественными опухолями. В настоящее время уже созданы наносистемы для селективного разрушения опу-

холи без повреждения здоровых тканей, разрабатываются диагностические инструменты на основе микроскопических датчиков; созданы «биочипы», биосенсоры.

Важным «инструментом» для доставки лекарственных средств в клетки или ткани-мишени являются липосомы, представляющие сферическое тело, построенное из фосфолипидов на подобие клеточных оболочек.

В ветеринарной медицине методами нанобиотехнологии решаются ряд задач, главными из которых являются:

- разработка высоко эффективных и экспресс-методов диагностики инфекционных и инвазионных болезней животных;

- индикация и идентификация возбудителей;

- создание средств защиты (вакцин), обладающих высокой иммуногенностью и низкой реактогенностью;

- разработка и применение ДНК-технологий в селекции животных;

- конструирование новых лекарственных средств и их доставка к мишеням в организме больного животного;

- создание средств, повышающих резистентность животных - (пробиотики, интерфе-роны, интерлейкины, иммуномодуляторы);

- производство биологически активных веществ (аминокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов, гормонов) для стимуляции роста и повышения продуктивности животных;

- увеличение кормовых ресурсов путем производства кормового белка, белкововитаминных концентратов, незаменимых аминокислот с использованием отходов сельскохозяйственного производства;

- создание биологических средств защиты животных и растений;

- дополнение новыми источниками дефицита кормового белка продовольственных ресурсов;

- улучшение охраны окружающей среды с использованием микроорганизмов;

- решение энергетических проблем путем конверсии биомассы растений и отходов животноводства в биогаз и биотопливо;

- защита окружающей среды.

Вместе с тем существуют объективные трудности широкого распространения использования нанотехнологий, особенно в фармацевтических и медицинских аспектах. Нет единого общественного мнения об использовании генетически модифицированных продуктов, несмотря на значительные успехи и безопасные результаты использования инсулина, гормонов роста человека и вакцины от гепатита В, ящура, полученных геннорекомбинантной технологией. Это связано, с одной стороны, с недостаточной информированностью населения, а с

другой - поспешностью внедрения отдельных достижений без должного обоснования и установления отдаленных последствий.

Установлено, что шарообразные молекулы С60, называемые фуллеренами, могут вызывать серьезные заболевания и вредить окружающей среде. По данным В. Колвин и др. при растворении в воде фуллерены образуют коллоиды С60, которые при воздействии на клетки кожи человека и клетки карциномы печени вызывают их гибель.

Ряд ведущих ученых мира считает, что исследования в области нанотехнологий, рекомбинантных ДНК-технологий и некоторых других областях должны находиться под строгим контролем, чтобы не навредить человечеству.

Ставится задача о необходимости лицензирования и регулирования широкого спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства, аппаратура, ветеринарные препараты), изготавливаемых с помощью нанобиотехнологии или использованием наноматериалов, наноструктур и генномодифицированных объектов.

В заключение следует отметить, что в настоящее время достигнуты значительные успехи в использовании достижений биотехнологии в медицине и биологии. Созданы «бионаночипы» с использованием биомакромолекул (ДНК, РНК, олигонуклеотиды, белки, пекти-ды), которые обеспечивают экспресс диагностику болезней, индикацию возбудителей инфекций, расшифровку геномов животных и растений, изменение генетических свойств путем замены отдельных чипов и нуклеотидов в молекуле ДНК, генную терапию, а также оценку и селекцию животных с использованием ДНК технологий.

THE ROLE OF NANOBIOTECHNOLOGY FOR INNOVATIVE DEVELOPMENT

OF ANIMAL MEDICINE

AM. ALIMOV

The Kazan' State Academy of Animal Medicine named by N.E. Bauman

Development stages bio- and nanotechnologies are presented. The primary goals of veterinary medicine solved by methods of biotechnology are resulted.

Key words: biotechnology, animal medicine, nanotechnology.