Зайцев С.Ю. Супрамолекулярные наноразмерные системы на границе раздела фаз:
Концепции и перспективы для бионанотехнологий

Оглавление

Введение

Создание супрамолекулярных наноразмерных систем (СНС) на основе таких биоорганических соединений, как белки, пептиды, липиды и их синтетические производные, является одной из наиболее интересных и активно развивающихся в настоящее время областей исследований, находящейся "на стыке" органической и биологической химии, полимерной и коллоидной химии, физической и аналитической химии, ряда современных направлений биологических и медицинских наук. По определению Жан-Мари Лена (Universitй Louis Pasteur, Strasbourg, and College de France, Paris, France), одного из основоположников супрамолекулярной химии и лауреата Нобелевской премии по химии 1987 г., "супрамолекулярная химия – это химия межмолекулярных связей, изучающая ассоциацию двух и более химических частиц, а также строение и свойства подобных ассоциаций". Примерами такого рода СНС в природе могут служить мембранные системы клеток и субклеточных органелл; рибосомы как "биотехнологические ферментеры", синтезирующие полипептидные цепи различных белков в процессе трансляции; РНК-полимеразный комплекс, синтезирующий РНК по матричной цепи ДНК в процессе транскрипции; актин-миозин-тропониновые комплексы, обеспечивающие работу мышечного аппарата человека и животных; "биомоторы", вращающие жгутики у бактерий; другие типы супрамолекулярных биологических систем, находящиеся в области наноразмерных величин. Наглядные примеры таких систем можно найти на сайтах научно-образовательных центров многих российских и зарубежных ВУЗов и НИИ: Научно-образовательного центра по нанотехнологиям Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (http://nano.msu.ru/node/), Санкт-Петербургского государственного университета (http://www.spbu.ru/science/ centers/), НИИ молекулярной медицины научно-исследовательского центра Московской медицинской академии имени И. М. Сеченова (http://mma.ru/ nic), Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К. А. Тимирязева (http://www.timacad.ru/about/enter/), ФГОУ ВПО "Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К. И. Скрябина" (http://www.mgavm.ru), Учебно-научного центра Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН (http://www.ibch.ru/sec/; http://www.ibch.ru/ info/index.ru.shtml), Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН (http://www.crys.ras.ru/), РНЦ "Курчатовский институт" (http://www.kcsr. kiae.ru/), Колледжа наноразмерных наук и инженерии Университета Олбани, Государственного Университета Нью-Йорка, США (The College of Nanoscale Science and Engineering of the University at Albany, State University of N. Y., http://cnse.albany.edu/), Центра лекарственных средств и наномедицины Медицинского центра Университета Небраска, США (Center for Drug Delivery and Nanomedicine, University of Nebraska Medical Center, http://www.unemed.com/), Института микросистемной технологии Луизианского технического университета, США (Institute for Micromanufacturing, Louisiana Technical University, http://www.latech.edu/), Макс-Планк-Института биофизической химии, Гёттинген, ФРГ (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Gцttingen, FRG, http://www.mpibpc.mpg.de/english/reports/ index.php), Национального института наук о материалах, Япония (National Institute for Materials Science, http://www.nims.jp/eng/) и многих других.

Не имея возможности даже кратко охарактеризовать все указанные выше направления и системы, считаю необходимым дать здесь небольшое введение в обширную область мембранологии, ряду современных вопросов которой будут посвящены основные разделы данной книги. Биологические мембраны (биомембраны) – это ультратонкие высокоорганизованные системы молекулярных размеров (толщина большинства биомембран находится в пределах от 5 до 10 нм), расположенные на поверхности клеток и субклеточных частиц. Термин "биомембраны" используется уже около 150 лет для обозначения своеобразного "селективного барьера" между содержимым клетки и внешней средой. Даже вода, которая может проникать самопроизвольно (по ранее сложившему мнению) через биомембраны как "полупроницаемую перегородку" только на уровне обмена отдельных молекул, в больших количествах (по современным представлениям) должна транспортироваться системой мембранных белков типа аквапорина. За открытие и описание работы аквапорина, как своеобразного "водного канала" (http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/ 2003/agre-lecture.html) Питером Агре (Peter Agre, Departement of Biological Chemistry, Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, USA) была получена половина Нобелевской премии по химии за 2003 г. (http://nobelprize.org/ nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/public.html). Вторую половину этой премии получил Родерик Маккиннон (Roderick MacKinnon, Laboratory of Molecular Neurobiology and Biophysics Rockefeller University, Howard Hughes Medical Institute, N. Y., USA)^ за структурно-функциональные исследования ионных каналов (http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/ mackinnon-lecture.html), которые являются еще одним ярким примером биологически важных СНС.

Таким образом, избирательная проницаемость биомембран для катионов и анионов, гидрофильных или "объемных" биологически активных соединений (БАС) и биополимеров способствует концентрированию ряда этих веществ внутри или вне клетки, что исключительно важно для нормального функционирования отдельных клеток, органов и тканей всего организма. Необходимым условием процессов жизнедеятельности клетки является комбинация таких свойств биомембран, как устойчивость и лабильность, способность к самоассоциации и молекулярное узнавание, что обеспечивается их определенным химическим составом. Именно из-за таких уникальных свойств биомембран трудно представить себе "безклеточную" форму жизни на Земле (по мнению автора, целесообразно рассматривать вирусы или отдельные молекулы белков, ДНК, РНК, полисахаридов исключительно как супрамолекулярные биологические системы разного уровня организации).

Упрощая описание сложного строения биомембран для специалистов других областей, достаточно констатировать, что они состоят главным образом из липидов, белков, гликолипидов, гликопротеидов и различных БАС. Еще в 1925 г. Э. Гортер и Ф. Грендел провели важнейший "прямой" эксперимент: выделили из эритроцитов человека все липиды, расположили их в виде мономолекулярного слоя на поверхности воды и рассчитали, что общая площадь этого монослоя примерно в 2 раза превышала площадь поверхности эритроцитов. Из обработки данных по мембранам эритроцитов и других плазматических мембран был сделан ключевой вывод о том, что липиды в биомембранах расположены в виде бимолекулярного слоя. Позднее было обнаружено, что поверхностное натяжение всей клеточной мембраны существенно меньше натяжения монослоя только липидной фракции мембраны и близко к поверхностному натяжению слоя белков. На основании этих и ряда других данных Л. Даниелли и Г. Даусон в 1935 г. предположили, что в биомембранах бимолекулярный липидный слой покрыт с двух сторон слоями белка и оценили общую толщину биомембран в 5,5 нм. Предполагалось, что молекулы липидов расположены перпендикулярно, а молекулы белка – параллельно клеточной поверхности. Эта модель биомембран в основных чертах легла в основу современных представлений о структуре биомембран. К 1965 г. Дж. Робертсон уточнил данную модель и определил толщину бимолекулярного липидного слоя в 3,5 нм, а двух "нелипидных" слоев в 2,0 нм каждый. К 1972 г. накопилось много новых данных, на основании которых С. Дж. Синджер и Г. Л. Николсон предложили современную модель молекулярной организации биомембраны, получившую название "жидкостно-мозаичной модели". Главное отличие последней от прежних моделей (представлявших биомембраны в виде достаточно жестко фиксированных липид-белковых слоев) заключается в том, что "жидкостно-мозаичную модель" упрощенно можно представить как "море" жидких липидов, в котором плавают "айсберги" индивидуальных белков и находятся "острова" сложных белковых комплексов, полностью пронизывающих липидный бислой биомембран. Прогресс в исследовании структуры и функции биомембран достигнут во многом благодаря изучению их моделей: искусственных мономолекулярных липидных мембран (монослоев), сферических (липосом, везикул и их аналогов) или плоских бислойных липидных мембран (БЛМ), как и других СНС на границе раздела фаз. При относительной простоте таких модельных мембран их физико-химические и биохимические свойства близки к свойствам природных биомембран. Варьируя внешние условия (например, при добавлении белков, антибиотиков и других БАС, приложении электрического поля, воздействии света и т. д.), в такой модельной мембране можно изучать специфические свойства биомембран. Главным недостатком указанных систем является их невысокая стабильность в отличии от природных мембран, стабилизированных электростатическими и гидрофобными взаимодействиями интегральных и периферических белков, пептидов, липидов и гликолипидов. Одним из наиболее успешных подходов к решению этой важной проблемы, развиваемых и автором с сотрудниками, является создание полимерных монослоев, БЛМ и липосом на основе липидоподобных и поверхностно-активных мономеров.

Последние достижения в области СНС связаны с зарождением и бурным развитием нанотехнологии, в том числе – биомедицинской нанотехнологии (биомеднанотехнологии), бионанотехнологии или нанобиотехнологии, которые многими авторами рассматриваются как синонимы. Одно из возможных определений бионанотехнологии (биомеднанотехнологии) может быть представлено как особая область биохимических и биомедицинских наук, занимающаяся изучением принципов создания и функционирования биологических наноразмерных систем; применением полученных знаний для усовершенствования существующих и создания принципиально новых бионаноматериалов, биотехнологических процессов и бионаноразмерных устройств; новых нанотехнологий для локальной селективной диагностики, терапии, хирургии, генной инженерии и биотехнологии. Активное развитие этой области связано с крупными достижениями в биохимии и молекулярной биологии клетки, в познании механизмов действия клеточных и субклеточных систем, а также – с развитием новых методов исследования наноразмерных биосистем, физиолого-биохимических показателей в организме животных и человека. В простейшем случае даже отдельные сложные белки (хромопротеины, металлопротеины, липопротеины, гликопротеины и т. д.) можно рассматривать как природные наносистемы, структурно и функционально оптимизированные в процессе эволюции. Тем более это относится к их супрамолекулярным системам (агрегатам белков и т. д.), образующимся путем фундаментальных принципов самоассоциации и молекулярного узнавания.

В последние годы издано несколько книг и обзоров по различным аспектам нанотехнологий и бионанотехнологий, отражающих подходы к созданию биомедицинских микроэлектромеханических систем (bioMEMs), супрамолекулярных биосистем и белковых комплексов с заданными свойствами, электронных наноустройств на основе металлопротеинов, фотохромных и фоторефрактивных материалов на основе фоточувствительных белков, наноэлементов для оптической памяти и тонкопленочных дисплеев на основе бактериородопсина, процессов контролируемой самосборки белков шелка, термостабильных белковых комплексов для биотехнологических процессов, терапевтических наноустройств.

Самыми удивительными достижениями в этом ряду являются "нанороботы" способные ремонтировать поврежденные клетки и ткани, проводить диагностику и лечение онкологических заболеваний, картографировать и очищать от холестериновых бляшек кровеносные сосуды. По последнему из перечисленных важнейших направлений в настоящее время активно работает группа сотрудников кафедры органической и биологической химии ФГОУ ВПО МГАВМиБ под руководством автора, являющегося руководителем различных грантов РФФИ и ответственным исполнителем с ЦФ РАН и МГТУ по проекту Минобрнауки РФ (шифр: 2007-3-2.3-11-02) по гос. контракту N 02.523.12.3009 от 09.08.2007 г. в рамках ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы". Целью всего проекта является создание микроробототехнического комплекса на основе внутрисосудистого микроробота для осуществления диагностических, терапевтических (доставка лекарственных препаратов) и хирургических процедур при атеросклеротических заболеваниях трубчатых органов. Под руководством автора выполняется раздел, связанный с созданием диагностических систем и методов определения катионов и малых органических молекул в модельных и биологических жидкостях (http://www.mgavm.ru). Уже разработаны методики и получены серии образцов нанокомпозитных материалов на основе новых мембрано-активных соединений для детекции катионов металлов и диаминов, что также защищено рядом патентов РФ на изобретения, выполненные совместно с учеными ЦФ РАН.

Указанным выше вопросам и описанию достижений в разработке методов исследования "супрамолекул" и мембранных систем, структуры мономеров и полимеров, процессов иммобилизации БАС в моно- и мультимолекулярных слоях мономеров с получением функциональных ультратонких ориентированных мембран, СНС для транспорта БАС, биотехнологиям в медицинской диагностике будет уделено основное внимание в данной монографии.

Об авторе

Доктор химических наук, доктор биологических наук, профессор. Заведующий кафедрой органической и биологической химии, директор Научно-образовательного центра ветеринарно-биологического факультета ФГОУ ВПО "Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К. И. Скрябина".