Нанобиотехнология в ветеринарной медицине

Впервые термин «биотехнология» был использован венгерским экономистом К. Эреки 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. Антибиотикорезистентность 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.

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 и др.

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 и т.д.

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.

На нанобиотехнологию возлагают большие надежды в борьбе со злокачественными опухолями. В настоящее время уже созданы наносистемы для селективного разрушения опухоли без повреждения здоровых тканей, разрабатываются диагностические инструменты на основе микроскопических датчиков; созданы «биочипы», биосенсоры и т.д.

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, интерфероны, интерлейкины, иммуномодуляторы и т.д.);

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

• -    увеличение кормовых ресурсов путем производства кормового белка, белково-витаминных 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 и др., 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 С 60 , называемые фуллеренами, могут вызывать серьезные заболевания и вредить окружающей среде. По данным В.Колвин и др. при растворении в воде фуллерены образуют коллоиды С 60 , 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.

НАНОБИОТЕХНОЛОГИЯ В ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЕ

Алимов А.М.

Резюме

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

NANOBIOTECHNOLOGY IN VETERINARY MEDICINE

Alimov A.M.