На главную | Пишите нам | Поиск по сайту тел (063) 620-06-88 (другие) Укр | Рус | Eng   
В мире действует более 5,8 млн. патентов и ежедневно подается 2 тыс. патентных заявок, в Украине зарегистрировано 86 тыс. патентов на изобретения
  новости  ·  статьи  ·  услуги  ·  информация  ·  вопросы-ответы  ·  о Ващуке Я.П.  ·  контакты за сайт: 
×
Если вы заметили ошибку или опечатку, выделите мышкой текст, включающий
ошибку (всё или часть предложения/абзаца), и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить нам.
×

Поиск и селекция реального инновационного контента в биомедицинских проектах при помощи методов и приёмов ТРИЗ ( часть первая )

2013-12-21
Андрей ( Гавриэль ) Лившиц

С каждым новым экспериментальным проектом в области биомедицинских технологий открываются и новые возможности в их коммерциализации
Как представляется нашей международной группе исследователей , даже из коротких публикаций и сообщений о результатах тех или иных исследований и проверок работоспособности идей и открытий , используя методы и приёмы устранения всех видов противоречий , можно сформулировать и селективно отобрать те из них , в которых присутствует инновационный потенциал


Ниже приводятся сведения о некоторых таких исследованиях и каждый из читателей может на базе этой информации , применяя известные из ТРИЗ и АРИЗ методы и приёмы , аналитически преобразовать и классифицировать эту информацию как базовую для нового биомедицинского проекта
Инженеры Массачусетского технологического института создали водоотталкивающее нанопокрытие, с которого капли конденсирующегося пара спрыгивают самостоятельно. Работа опубликована в журнале Nano Letters, а ее краткое содержание можно прочитать на сайте института.
Созданная авторами структурированная поверхность выглядит под микроскопом как газон из кристаллов оксида меди. При нанесении на нее соответствующего покрытия, ее водоотталкивающие свойства становятся настолько выраженными, что капли конденсированного пара на ней практически не держатся.
Более того, при слиянии двух более мелких капель выделяющейся энергии становится достаточно для того, чтобы получившаяся крупная капля сама отпрыгнула от поверхности.
Целью инженеров при создании необычной поверхности было увеличить теплопроводность теплообменников в конденсаторах пара. Дело в том, что при использовании для этого обычных медных труб на их поверхности быстро образуется водяная пленка, которая препятствует теплообмену.
Чем быстрее удаляются капли жидкости с теплообменника, тем выше его эффективность, поэтому в последнее время получили распространение теплообменники с ярко выраженной гидрофобной поверхностью.
Авторы показали, что новая поверхность позволяет на треть увеличить скорость переноса тепла даже по сравнению с самыми современными гидрофобными теплообменниками. Поскольку подобные устройства применяются в том числе на электростанциях, такой рост эффективности можно считать очень значительным.
Ранее другая группа инженеров (также из MIT) для решения задачи повышения скорости теплообмена использовала сходный подход. Ученые также создавали гидрофобную поверхность с микротекстурой, однако в прошлом варианте для этого использовалась сложная технология фотолитографии, а не химическая обработка.

Ученые из Университета Генуи в Италии разработали технологию электронной микроскопии, которая позволила впервые рассмотреть витки на ДНК. Работа опубликована в журнале Nanoletters, а ее краткое содержание приводит New Scientist.
Для получения изображения ученым пришлось создать совершенно новую подложку, на которой фиксировалась нуклеиновая кислота. На ней имелись микроскопические опоры, между которыми была натянута нить ДНК, при этом под молекулой в подложке проделывалось отверстие для электронных лучей.
В результате, ученым удалось получить изображение, на котором четко видны бороздки. A-формы ДНК
Толщина молекулы на изображении не соответствует действительности. Возможно, это связано с тем, что в работе использованы не одиночные молекулы, а тяжи из шести нуклеиновых кислот. Невозможность работать с одиночной ДНК авторы объясняют недостаточной чувствительностью матриц, которые фотографируют электроны. Из-за этого за время нужной экспозиции изображения одиночные молекулы успевают разрушится под воздействием бомбардировки электронами.
Новая технология позволит изучать ДНК-белковые взаимодействия (например, места посадки транскрипционных факторов) непосредственно на индивидуальных молекулах нуклеиновых кислот.
Ранее другая группа ученых научилась с помощью атомно-силовой микроскопии определять в ДНК последовательность нуклеотидов.
Ионные каналы — это один из главных инструментов, с помощью которых клетка обменивается веществом с внешним миром. Эти сложные молекулярные устройства, подобно вахтерам на КПП, одновременно и анализируют молекулы, и контролируют поток частиц через клеточную мембрану.
Немецкие ученые, создатели искусственной версии такого канала, считают, что их аналог может выполнять обе функции. Пропускную способность определяют параметры ионных каналов (форма, диаметр, заряд проходящей сквозь канал молекулы), и эти параметры можно менять по желанию исследователей.
Аналитические возможности искусственных каналов, как было подтверждено серией экспериментов, тоже сравнимы с естественными: они надежно различают полимерные молекулы по длине и конфигурации.
Как известно, в двуслойную липидную мембрану клетки встроены белковые комплексы, которые помимо прочего контролируют поток разных молекул внутрь клетки и наружу. Пропуском могут служить и специфические молекулы, распознаваемые поверхностными рецепторами, и размер, и конфигурация, и заряд молекул. Часть таких мембранных комплексов именуется ионными каналами, через них заряженные частицы отправляются наружу или внутрь клетки.
Все процессы, которые зависят от разности потенциала на мембране, — а таких очень много — основаны на работе ионных каналов. Любое живое существо зависит от своих ионных каналов: без них невозможны прохождение нервных импульсов (одного этого достаточно!), мышечные сокращения, водный обмен и многое другое. Исследованию принципов их действия и их классификации по функциям и строению посвящена заметная область науки физиологии.
И вот теперь биотехнологи дошли до того, что спроектировали и сделали работающий искусственный ионный канал. Их привлекала идея смоделировать канал с предсказуемыми свойствами. Создателями версии искусственных ионных каналов стали немецкие ученые из Мюнхенского технического университета и Мичиганского университета в Анн Арборе (США). Они решили уподобить свое творение природному каналу альфа-гемолизину — белку-токсину, выделяемому стрептококками и стафилококками. Это один из наиболее изученных канальных комплексов, его строение расшифровали первым, и устроен он проще других.
Механизм работы альфа-гемолизина таков. Как известно, концентрации различных ионов внутри и снаружи клетки сильно отличаются. Например, ионов калия много внутри клетки и мало снаружи, а ионов натрия — наоборот, много снаружи и мало внутри. Из-за этого возникает разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны — мембранный потенциал (подробнее о нем рассказано в заметке Обнаружен еще один способ, с помощью которого нейроны контролируют свою возбудимость, «Элементы», 15.07.2010). На этот потенциал, как уже говорилось выше, «завязано» огромное количество происходящих в клетке процессов — например, с его помощью осуществляется транспорт через мембрану определенных веществ (см. симпорт). Поэтому наличие мембранного потенциала совершенно необходимо для жизни клетки.
И вот некоторые патогенные бактерии (например, стрептококки и стафилококки) научились пользоваться тем, что при нарушении мембранного потенциала клетка погибает. Оказавшись возле клетки, эти бактерии начинают выделять белки, которые собираются в ионный канал — гемолизин — на клеточной мембране. Этот канал, в отличие от «добропорядочных» каналов нормальной мембраны, пропускает не строго определенные ионы в строго определенный момент, а все ионы подряд и постоянно (то есть, по сути дела, это не канал, а просто «дырка», пора). В результате концентрации ионов по обе стороны мембраны выравниваются, мембранный потенциал исчезает и клетка погибает. Наиболее уязвимы для таких атак красные клетки крови, эритроциты, и, собственно, поэтому гемолизин (в переводе с греческого ‘растворяющий кровь’) и получил свое название.
Конечно, ученым канал нужен не для убийства клеток. Такой канал, подобно демону Максвелла, позволил бы отсортировывать на одной стороне мембраны только строго определенные молекулы. А уж использовать подобное свойство можно по-всякому.
Альфа-гемолизин состоит из семи (шести-восьми) белковых субъединиц, которые формируют полый бочонок. Этот бочонок прикрепляется к мембране гидрофобным донцем. К донцу присоединена трубка из остатков лизина и глутамата, она-то и проходит сквозь мембрану. Диаметр внутреннего отверстия трубки 2,2 нм, в самой узкой части прикрепления к донцу — около 1,5 нм. Примерно такую же по форме структуру, но только в основе своей из ДНК, смоделировали немецкие биотехнологи.
ДНК в данном случае оказалась очень удобной молекулой. Задав первичную структуру молекулы (то есть последовательность нуклеотидов), можно предсказать и вторичную и третичную ее структуру. Иными словами, получить молекулу заданной формы и размера.
В отличие от белков, для которых известно двадцать мономеров — аминокислот, — между которыми существуют сложные отношения (каждая возможная пара аминокислот может сильно или слабо притягиваться или отталкиваться в зависимости от заряда, растворимости в воде и жирах и так далее), ДНК образована всего четырьмя нуклеотидами, отношения между которыми просты: аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. Поэтому создать из нескольких одноцепочечных отрезков ДНК пространственный комплекс с заданными свойствами легко — это всё равно что делать модели из спичек. Там, где «спички» (то есть отрезки ДНК) должны быть соединены, надо поставить «скрепки» — короткие олигонуклеотидные отрезки, комплементарные нужным участкам «спичек». При этом ДНК-«спички» куда интереснее в пространственном отношении, чем обычные деревянные спички: если их скрепить определенных образом, они могут изогнуться и сообщить итоговой трехмерной структуре еще более сложную форму. Конечно, всё не так просто, и надо всегда просчитывать структуру комплекса так, чтобы друг с другом не соединилось что-нибудь лишнее. Однако при правильном использовании данная методика (известная также как «ДНК-оригами»; см. DNA origami) позволяет создавать довольно сложные трехмерные комплексы с заданными свойствами.
И в данной работе это с успехом было проделано. Исследователи создали искусственный ДНК-оригамный канал (рис. 1), основные характеристики которого совпадали с таковыми для альфа-гемолизина: диаметр поры составлял 2 нм, длина около 47 нм, сила ионного потока 0,87 наносименса (об ионных токах через каналы рассказано в главе «Уравнение Нернста и поток ионов» в книге «Молекулярная биология клетки»). Канал сначала сам себя строил на мембране, а затем, укрепившись, начинал проводить ионный ток через мембрану. Ток через единичный канал, как и предполагалось, был более или менее постоянным.
Так же, как и клеточные ионные каналы, искусственные аналоги могли пропускать одноцепочечные ДНК с одной стороны мембраны на другую. При проходе молекулы ДНК через канал отверстие закрывается и ток блокируется. Поэтому о прохождении молекул через поры судят по характерной картине скачков силы тока: момент прохождения крупной молекулы через канал на развертке тока выглядит как локальный минимум. Чем больше на проходящей молекуле запутанных петель и прикрепленных остатков, тем дольше время блокировки тока и тем меньше времени канал открыт. Для каждого из исследованных видов молекул ученые зафиксировали свою специфическую картину прохождения через канал . Это значит, что с помощью искусственных ионных каналов можно анализировать молекулы в растворе.
А если в структуру строительной ДНК внести небольшие изменения? Конечно, изменения должны быть такие, какие задумал исследователь, пожелавший получить другие пропускные способности канала. Действительно, моделируя петли в структуре строительных блоков ДНК, ученые получили каналы с заданными характеристиками .
Ясно, что конструирование искусственных ионных каналов — это область будущих технологий. Предполагается, что подобные наноустройства станут не только перспективными молекулярными анализаторами, но и лекарственными агентами с широчайшей областью применений. Остается надеяться, что это будущее не очень отдаленное, здесь наука развивается прямо-таки c космической скоростью. Вот, например, забавная ремарка из статьи: «В прошлом было показано, что наноразмерные мембранные поры потенциально могут оказаться исключительно полезными мономолекулярными биосенсорами» (и далее несколько ссылок на литературу). Если судить по этим ссылкам, то «прошлым» авторы работы считают 2001–2010 гг. Прошлое стремительно уносится, но так же стремительно приближается будущее.

полезный материал? Нажмите:




другие статьи...
© Ярослав Ващук, 2003-2011
при использовании любых материалов сайта ссылка на источник обязательна
[pageinfo]
сайты Хмельницкого bigmir)net TOP 100