Нанобиотехнология – это междисциплинарный научно-технический комплекс знаний, основанный на средствах и методах биотехнологии и нанотехнологии, занимающийся изучением и воздействием объектов нанодиапазона на биологические объекты с целью создания и производства полезных для человека продуктов, технологий и процессов.
Появившаяся в начале 21 века нанобиотехнология имеет междисциплинарный характер, который основан, прежде всего, на комплексе знаний биотехнологий (из которых наиболее выделяется молекулярная биология) и нанотехнологий.
Основополагающими факторами, которые повлияли на появление, становление и развитие нанобиотехнологии, являются следующие: высокий рост в развитии таких научных дисциплин, как микробиология, молекулярная биология и инженерия, белковая инженерия и, собственно, биотехнология, которая объединяет данные дисциплины, а также высокий рост в развитии материаловедения, электроники и других областей нанотехнологии, наноинженерии и нанонауки, фундаментальной основой которых является физика. Помимо этого, стоит отметить также тот факт, что появление нанобиотехнологии было невозможным, если бы не процесс взаимной интеграции научных отраслей, кардинально отличающихся своей природой, методами и средствами. Благодаря такому «союзу» стало возможным появление совершенно новых отраслей научного знания, как нанобиотехнология. Также необходимо упомянуть, что следующим основополагающим фактом в становлении и развитии данной научной области является философский аспект, так как появление своего рода «синтетической» технологии и науки может кардинально изменить научную картину мира, полностью перевернув представление человечества о таких материальных категориях, как материя, субстанция, форма и о понятиях «живого» и «неживого». Вследствие чего данные категории и понятия необходимо будет осмыслить заново с новой точки зрения, благодаря чему существующая ныне научная картина мира будет изрядно дополнена и переосмыслена, что будет способствовать новому технологическому рывку человечества в своем развитии.
В настоящее время нанобиотехнология имеет три сформировавшихся направления, развитие которых сейчас идет усиленным темпом. Это: наномедицина, биомиметика и разработка методов и способов привнесения искусственных наноразмерных частиц, различных материалов и интерфейсов в живые системы. Каждое из этих направлений заслуживает отдельного рассмотрения.
С развитием нанобиотехнологии тесно связано качественно новое направление медицинской науки – молекулярная наномедицина. Основные исследования этой области заключаются в изучении и создании следующего: лабораторий на чипе, адресной доставки лекарств к пораженным клеткам, новых бактерицидных и противовирусных средств и диагностики заболеваний с помощью квантовых точек.
Развитие наномедицины тесно связано с революционными достижениями геномики и протеомики, которые позволили ученым приблизиться к пониманию молекулярных основ болезней. Наномедицина развивается там, где данные геномики и протеомики сочетаются с возможностями, позволяющими создать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне (Wagner V., Wechsler D.).
Успехи последних лет в описании функционирования генома человека, молекулярных механизмов клеточных процессов обеспечивают основу для существенного повышения информативности медицинской диагностики. Вместо контроля немногих соединений, традиционно трактуемых как характерные маркеры для той или иной болезни, становится возможным получать надежные и информативные сведения о функционировании организма и развитии патологического процесса на основании комплексного учета уровня значительного числа соединений, тем или иным образом связанных с патологическим процессом (М. П. Кирпичников, К. В. Шайтан). Прежде всего, это связано с использованием лабораторий на чипе, которые могут производить диагностику как in vivo (при вживлении их в организм), так и in vitro, а также с использованием методов диагностики при помощи квантовых точек (в режиме in vitro).
Следующая отрасль наномедицины позволит в скором времени осуществлять бесперебойную доставку лекарств внутри организма в необходимом направлении без потерь транспортируемого агента. В настоящее время именно адресная доставка лекарств из всех направлений наномедицины развивается наибольшими темпами. В этой области уже получены некоторые прикладные результаты, которые могут способствовать тому, что в ближайшее время практически все лекарства будут доставляться именно таким образом, обеспечивая тем самым более эффективное воздействие на пораженную зону внутри организма.
Создание бактерицидных и противовирусных средств на основе нанобиотехнологий и их использование в медицине позволит создать принципиально новые лекарственные средства на основе наночастиц различного происхождения. Уже сейчас многочисленные научные коллективы всего мира работают над изучением и разработкой различных универсальных платформ по созданию различных видов лекарств и вакцин. Особое внимание при изучении таких основ создания лекарств уделяется вирусам, как наиболее универсальным платформам, обеспечивающим создание различных лекарств и вакцин при использовании всего одного вируса. Также необходимо учесть, что работа с вирусами позволяет получить еще одно преимущество при использовании таких лекарств в борьбе с вирусными инфекциями и профилактикой их появления, что позволит надежно контролировать проявление таких заболеваний.
Помимо этого, следует отметить, что также возможна интеграция или взаимодействие наночастиц неорганической природы с биологическими наночастицами, обеспечивая тем самым появление комбинированных лекарств, которые буду содержать в себе преимущества обоих видов наночастиц, обеспечивая при этом универсальность и надежность своего воздействия.
Следующим важнейшим направлением нанобиотехнологии является биомиметика. Живые организмы производят нанотехнологические операции на протяжении более 4,5 миллиардов лет. Живая клетка использует ДНК, РНК и большое количество белков, чтобы строить клеточные структуры нанометровых размеров. Именно этим свойством живых клеток пользуются биомиметические нанобиотехнологии при создании искусственных наномашин и наноконструкций. Сегодня данная область нанобиотеха находится в зачаточном состоянии, но ее развитие существенно ускорит создание таких конструкций. Как и наномедицина, биомиметика также имеет четыре сформировавшихся направления развития, это: создание наноконструкций из белка, использование в конструировании молекул ДНК и РНК и работа с вирусами при создании наномеханизмов.
В своем развитии на настоящем этапе биомиметика находится в зачаточном состоянии. В настоящее время создаются фундаментальные основы биомиметических нанобиотехнологий. Но, не исключены и разработки чисто прикладного характера. Хотя об их практическом применении говорить пока слишком рано.
При конструировании различных конструкций нанометрового размера преимущество отдается работе с белками. Так как белки в настоящее время наиболее изучены и существует гипотетическая возможность широкого использования различных белковых наноконструкций в жизнедеятельности человека. Но, практическое применение таких конструкций обусловлено рядом проблем, главными из которых являются отсутствие на данном этапе развития науки и техники средств точного проектирования и производства таких конструкций и, что самое главное, не изучено влияние искусственных «деталей» на организм человека и окружающую среду.
При работе с молекулами ДНК и РНК уже сейчас имеются многочисленные прикладные результаты, показывающие, что нуклеиновые кислоты вправе использоваться в биомиметике наравне с белками и даже в агрегации с ними. Но, с точки зрения автора, использование подобных конструкций не сможет принести много пользы в прикладном использовании. Хотя не исключена возможность, что при определенной доработке биомиметических нанобиотехнологий в области работ с ДНК и РНК вполне возможно их прикладное применение в качестве нанороботов внутри живого организма.
Особое внимание следует уделить использованию вирусов в разработке биомиметических технологий. На данный момент в мире до конца не изучена возможность использования вирусов в качестве платформы для разработки конструкций или механизмов нанометрового масштаба. Хотя при теоретическом обосновании вполне доказуемо их использование в качестве различных наномеханизмов. При этом в качестве преимуществ вирусов можно отметить их устройство, избирательность действий и механизм репликации вирусных частиц. Последнее качество вирусов может быть использовано при репродуцировании наномеханизмом или нанороботом себе подобных в неограниченных количествах.
Но следует отметить, что все разработки в области биомиметических нанобиотехнологий находятся либо на стадии теоретического обоснования, либо только начинают проверяться практически в реальных условиях.
И, наконец, третье направление нанобиотехнологии – разработка методов и способов привнесения искусственных наноразмерных частиц, различных материалов и интерфейсов в живые системы. Данная область нанобиотеха являет собой разработку различных технологий и транспортных средств, которые будут доставляться посредством этих технологий в необходимое место живого организма, а в будущем, возможно, и в различные места неорганического мира.
Уже сейчас мировая научная общественность имеет практические результаты исследований в данных направлениях нанобиотехнологии, которые представлены такими прикладными средствами, как нанолекарства, биосенсоры, наноэмульсии различных биологических жидкостей и т. д.
Помимо этого разными научными коллективами в мире ведется активная работа в области исследования бактерий и нанобактерий, как потенциальных «умных» транспортных систем, которые могли бы служить своеобразным транспортом при доставке различных веществ нанометрового масштаба в необходимые места живого организма или, в будущем, и в различные места неорганического мира.
Рассмотрев нынешнее состояние развития данной отрасли науки, нельзя не упомянуть и о фундаментальных перспективах ее развития в будущем.
Одной из самых важных перспектив будущего развития нанобиотехнологии может служить создание идеальной технической системы. Под этим понятием понимают систему, масса, габариты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Предельный случай идеализации техники заключается в уменьшении её размеров (вплоть до полного «исчезновения») при одновременном увеличении количества выполняемых ею функций. В идеале — технического устройства не должно быть видно, а функции, нужные человеку и обществу, должны выполняться. Таким примером могут служить бионанороботы и различные биологические конструкции нанометрового размера. Используя же для решения этой задачи возможности нанобиотехнологии можно если не решить, то хотя бы кардинально приблизиться к созданию этой системы.
Также при помощи нанобиотехнологических методов станет возможным создавать роботизированные технические системы с использованием в их конструкции биологических элементов.
Третьей перспективой может служить создание нейроэлектронной системы сознания. Такая система будет представлять собой взаимодействие центральной нервной системы и искусственного интеллекта, созданного на основе достижений наноэлектроники.
Принципиальная возможность объединения биологических и электронных компонентов может стать возможной благодаря нейроэлектрическим интерфейсам – устройствам, позволяющим соединять компьютеры с нервной системой.
Следует также отметить огромные перспективы нанобиотехнологии и в других отраслях науки и техники.
Таковы возможности лишь некоторых перспектив развития нанобиотехнологии, количество которых очень огромно и разнообразно.