Наука и технологии России

Вход Регистрация

Молекулы-шпионы готовят революцию

Следить за всем и вся в режиме реального времени будут миллионы биомолекул, встроенных в миниатюрные электронные устройства. Они станут оповещать нас о состоянии клеток, органов, экосистем… Они внедрятся во все сферы нашей жизни и изменят их до неузнаваемости. Количество научных работ по биосенсорам растёт немыслимыми темпами, а мировой рынок, по прогнозам экспертов, к 2015 году достигнет объёма 15 миллиардов долларов. Кто и как готовит биосенсорную революцию, что она с собой принесёт и как скоро придёт в Россию?


В микроканалах биосенсора закреплена бактерия Helicobacter pylori

C сенсорами в самом общем представлении знаком каждый, кто хоть раз пользовался термометром или пытался «зайцем» пройти через турникет в метро. Сенсор – это маленькое техническое устройство, которое умеет преобразовывать определённые параметры среды в понятную для человека форму – оптический или электрический сигнал. Польза этих штучек состоит в том, что они могут отслеживать такие параметры, которые мы не способны почувствовать (например, силу радиационного или магнитного поля), потому что у нас нет соответствующих органов чувств или потому что интенсивность сигнала слишком мала или велика для нашей пороговой чувствительности.

В последнее время распространение всё больше получает особый вид сенсоров – биосенсоры. Это такие датчики, в состав которых включены те или иные биологические объекты – начиная от ферментов и заканчивая клеточными культурами или тканями. Преимущество биосенсоров в том, что биологические матрицы в их основе (например, ферменты) уже служат готовыми детекторами соответствующих молекул. А так как разнообразие биологических молекул громадно, то в принципе для любого анализа можно подобрать датчик, уже синтезированный самой природой. Активному продвижению биосенсинга способствует и то, что это междисциплинарная область, использующая достижения самых разных сфер знаний, от физиологии до нанотехнологий и электроники.

«По сути биосенсоры – это естественные датчики, входящие в состав тела всех организмов. Просто человек продолжает копирование живой природы, и сейчас это получается более успешно, чем 40 лет назад», – так в беседе с корреспондентом STRF.ru прокомментировал биосенсорный бум заведующий лабораторией биосенсоров в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН (ИБФМ) профессор, доктор химических наук Анатолий Решетилов.

От канарейки до ДНК-полимеразы

Первым аналогом биосенсора «от природы» можно считать канарейку, которая на протяжении нескольких столетий была незаменимым помощником в британских угольных шахтах: оповещала рабочих об утечке метана (в английском языке даже выражение появилось: miner's canary, обозначающее нечто, сигнализирующее об опасности). Прототипом первого биосенсора на технической платформе можно считать сенсоры Кларка, созданные в конце 60-х годов прошлого века. Они представляли собой электрод с зафиксированным на его поверхности ферментом и использовались для определения содержания молекулярного кислорода в окружающей среде.

Байкальские амфиподы с вживлёнными в них биосенсорами покажут концентрацию кислорода или других соединений в воде, определяют качество воды

С развитием естественных наук и нанотехнологий биосенсоры усложнялись и совершенствовались. Сегодня это датчики, в состав которых включены самые разные биологические объекты, выполняющие роль чувствительных матриц. Они стали для биологов, медиков, экологов мощнейшим инструментом, дающим возможность дистанционно отслеживать состояния клетки, органа, экосистемы и т.п. Более того, у этих устройств открывается ещё одна способность: не только «собирать интересующую информацию», но и при воздействии на них сигнала оператора оказывать точечное влияние на целевой объект. К примеру, сенсоры, подключённые к клеткам мозга – нейронам, могут регистрировать их электрическую активность, но при необходимости могут и сами раздражать нейроны микроимпульсами тока и изменять, таким образом, их поведение.

Неудивительно, что в мире наблюдается бум в области разработки биосенсоров. В журналах крупнейшего в мире научного издательства Elsevier только за три месяца этого года опубликовано 1650 работ по биосенсорам. При сохранении этой тенденции к концу года ожидается 6600 публикаций по теме. Это в два раза больше, чем за весь 2012 год.

На диаграмме показан рост числа публикаций, содержащих слово «биосенсор», во всех журналах Elsevier начиная с 2003 года по настоящее время. Показатель за 2013 год – прогноз, в котором учтены имеющиеся на март 2013 года данные и заложена тенденция динамики роста публикаций в текущем году

Расцвету биосенсинга способствует и бурное развитие компьютерных технологий, позволяющее конструировать наноразмерные сенсоры или даже использовать в их качестве биологические молекулы. Совсем свежие новости с Запада говорят об амбициозном американском проекте по исследованию мозга: учёные планируют превратить в биосенсор молекулу фермента ДНК-полимеразы, чтобы проводить мониторинг состояний нейронов мозга.

Путь к рынку

Главные успехи по коммерциализации биосенсорных разработок – у стран, давно отработавших схему перехода прикладной науки к рыночному товару. Около 90% мирового рынка биосенсоров представлено иностранными компаниями и корпорациями. Россия, безусловно, пытается каким-то образом вписаться в формирующийся рынок и своими средствами форсировать развитие данного направления. Так, в начале марта прошло заседание правительственной рабочей группы по развитию биотехнологий, где было принято решение о поддержке инновационной медтехники, в том числе современных диагностических средств на основе биосенсоров и биочипов. На развитие этой области планируется учреждать президентские гранты, гранты РФФИ, именные стипендии аспирантов и молодых учёных. Положительную тенденцию отмечает и завлаб ИБФМ Анатолий Решетилов: «В целом рынок биосенсоров в России слабо развит, но тем не менее неожиданно разрастается направление электрохимических биосенсоров для создания невероятно простых, дешёвых и мощных приборов по анализу ДНК – секвенаторов».

Реальность и фантастика

Один из энтузиастов развития этой области в России – наш соотечественник профессор Игорь Меглинский, почётный член Института физики Великобритании (Fellow of Institute of Physics), один из координаторов международного научного консорциума «Фотоника для жизни», идейный вдохновитель и руководитель сразу нескольких лабораторий биофотоники за рубежом. С биосенсорами профессор Меглинский начал работать в начале 2000-х в английском Университете Крэнфилда, где с коллегами развивал кажущуюся в то время фантастическую идею: внедрить биосенсоры в детскую цветную переводную татуировку таким образом, чтобы по изменению цвета картинки можно было судить о физиологических процессах, происходящих в организме.

Игорь_Меглинский Один из энтузиастов развития биосенсоров в России – наш соотечественник профессор Игорь Меглинский, идейный вдохновитель и руководитель сразу нескольких лабораторий биофотоники за рубежом

«Представьте себе, вы наклеиваете такую татуировку на кожу и в солнечную погоду по изменению цвета картинки можете судить об уровне поглощённого ультрафиолета или о том, стоит ли использовать солнцезащитный крем или укрыться в тени. Или, например, во время пробежки смена цвета тату укажет на изменение оксигенации крови, что послужит сигналом чрезмерной физической нагрузки», – рассказывает Меглинский.

В 2007 году крэнфилдская команда создала упрощённый вариант биосенсора, который может одновременно отслеживать изменение сразу нескольких физико-химических параметров среды, включая содержание кислорода, температуры, водородного показателя, концентрации буферного раствора, наличие в среде бактерий. Такой биосенсор может эффективно использоваться в клинической практике для экспресс-тестов и оперативных микробиологических исследований различных биологических образцов, например мочи, крови и др. В настоящее время данный подход испытывается в нескольких клиниках Великобритании, аналогичные работы ведутся несколькими компаниями в США.

В России, в рамках ФЦП «Кадры», в сотрудничестве с группой профессора Максима Тимофеева из НИИ биологии Иркутского государственного университета профессор Меглинский разрабатывает оптический биосенсор для оценки стрессовых состояний водных организмов, мониторинга окружающей среды и оценки рисков и состояния экосистемы озера Байкал.

Над развитием биосенсоров в России работает и научная группа Василия Лазарева из лаборатории генной инженерии НИИ физико-химической медицины Росздрава. Учёным удалось создать биосенсор, действующей частью которого служат бактерии Helicobacter pylori. Такой биосенсор может распознавать на ранней стадии раковую опухоль в желудке человека. Авторы смогли модифицировать бактерии таким образом, что в клетке образовалась «сигнальная» молекулярная конструкция, чувствительная к разного рода изменениям в желудочном соке пациента. Бактерии могут сигнализировать о развитии на ранних стадиях различных заболеваниях желудка, в первую очередь онкологических.

Примеры, свидетельствующие о заманчивых, порой фантастических перспективах биосенсорики, можно приводить бесконечно. Это и идея создания бионеорганической кожи, способной улавливать содержание угарного газа, метана и прочих ядовитых для организма веществ. И продвигаемая американцами сенсорная бумага, которую можно вживлять в кожу человека или животного и таким образом проводить непрерывный мониторинг показателей здоровья организма. Дальнейшая работа по этим проектам будет связана с увеличением степени интеграции таких сенсоров и живой кожи.

В общем, биосенсоры норовят пробраться буквально в каждый уголок нашей жизни, нашего быта: они будут и в холодильнике, и в миксере, и в одежде, и, конечно, там, где прямое или постоянное присутствие человека просто невозможно. (Учёные уже разработали концепцию так называемой умной пыли. Пыль – это тысячи наносенсоров, которые, кроме того что анализируют окружающую среду, ещё и общаются друг с другом.) Таким образом, формируется единая сенсорная сеть. Думается, что вершиной всего этого станут эволюционирующие самособирающиеся наносенсоры. Но это будут уже более фантастичные проекты завтрашнего дня, о которых научные журналы со всей серьёзностью заговорят лет этак через десять.

РЕЙТИНГ

4.95
голосов: 19

Обсуждение

Новости

В человеческой слюне найдена новая форма жизни

Марсианская почва пригодна для выращивания земных овощей

Шимпанзе знают секрет крепкого сна

На Марсе обнаружен земной минерал

Люди не способны обойтись без телефона ни минуты

У человека тоже есть встроенный «биокомпас»

Кстати,
на
52%
сократились...
Конференция IPS-21