Биомедицинские инновационные технологии – это будущее промышленности медицинских препаратов и медицинского оборудования; Биотехнологии это также будущее микроскопической робототехники, это тысячи новейших продуктов массового спроса , это миллионы новых рабочих мест

Как ни одна другая отрасль , область биомедицинских технологий имеет возможность бурно развиваться на базе исследований субъектов живой природы

За прошедший год получено немало важнейших результатов такого рода исследований и экспериментов, приведу информацию о некоторых наиболее успешных

Инженеры из Массачусетского технологического института создали электрогенерирующее устройство, которое окисляет глюкозу из спинномозговой жидкости. Работа ученых опубликована в журнале PLoS ONE, а ее краткое содержание пересказывает ScienceNow.

Квадратный микрочип площадью в один или два квадратных миллиметра снабжен катодом, анодом и разделяющей их мембраной. На платиновом аноде глюкоза окисляется с образованием ионов водорода и электронов. Мембрана, разделяющая катод и анод, проницаема только для ионов водорода, но не для электронов. Ионы устремляются через мембрану к катоду и объединяются там с кислородом, образуя воду. Электроны также устремляются к катоду, но не через мембрану, а через электрическую схему микрочипа и, таким образом, питают его энергией.

Анод микрочипа был сделан из платины, а для производства катода использовались углеродные нанотрубки. Созданное устройство авторы тестировали в растворе, состав которого имитировал цереброспинальную жидкость. Микрочип был способен производить несколько сотен микроватт электрической энергии, при этом расход глюкозы оставался относительно небольшим. По расчетам исследователей, он будет составлять от 3 до 28 процентов объема постоянно регенерируемой в мозге глюкозы. Потребление кислорода устройством также незначительно влияло на его содержание в ликворе.

По словам авторов, созданные элементы питания могут пригодиться для снабжения электрической энергией машинно - мозговых интерфейсов у пациентов со слепотой или глубокими поражениями мозга. В настоящий момент все экспериментальные устройства подобного рода питаются путем беспроводной индукции электричества или от батарей, которые нужно периодически менять в ходе хирургических операций. Микрочипы, вырабатывающие энергию из глюкозы, в будущем смогут сделать такие устройства совершенно автономными.

В других исследованиях и экспериментах ученые установили, как именно поврежденные нейроны привлекают к себе клетки микроглии, помогающие регенерации нервной ткани. Работа опубликована в журнале Developmental Cell, ее краткое содержание приводит ScienceNow.

Биологи работали на модельном объекте - мозге рыбки данио-рерио (zebrafish, Danio rerio), в геном которой были внесены гены флюоресцентных белков. Нейроны таких животных синтезировали флюоресцентный белок красного цвета, а вспомогательные клетки нервной ткани (которые называют микроглией), - зеленого. Так как мозг у мальков данио-рерио прозрачный, то за поведением клеток можно было наблюдать прямо через микроскоп.

При повреждении одного из нейронов лазером, расположенные неподалеку клетки микроглии устремлялись к нему, окружали и поглощали остатки мертвой клетки. Удаление мертвых нейронов - важный этап при регенерации нервной ткани.

Ученые установили, что привлечение клеток микроглии всегда сопровождается распространением кальциевой волны - возрастания содержания ионов Ca2+ в соседних нейронах. В норме она распространяется со скоростью около 1 миллиметра в минуту. Если заблокировать вход Ca2+ в нервные клетки, то кальциевая волна не возникает и микроглия перестает привлекаться к мертвым нейронам. Триггером, запускающим кальциевую волну, оказался нейротрансмиттер глютамат, который выходил из поврежденного нейрона в межклеточное пространство, - его блокирование тоже подавляло миграцию микроглии.

Опубликованная работа имеет важное значение для понимания нормальных процессов развития, регенерации и распространения сигналов в мозге. Кроме того, процессы миграции микроглии могут играть свою роль при возникновении нейродегенеративных заболеваний. Однако для определения этой роли ученым придется переключиться на мозг человека, ведь рыбки не страдают от болезней Альцгеймера и Паркинсона.

Некоторые исследования заставляют по новому оценить сложившиеся стереотипы в представлениях о строении компонентов живой природы

Особенно много сюрпризов приподносит изучение природы различных микроорганизмов

Ученые на примере океанических бактерий установили, что свободноживущие микроорганизмы сбиваются в популяции, которые ведут друг против друга "войны" при помощи антибиотиков. Результаты исследований опубликованы в журнале Science, их краткое описание приводится там же в редакционной статье.

В качестве модельных организмов выступали океанические бактерии рода Vibrio. Внутри этого рода существуют несколько видов, которые, в свою очередь, делятся на множество штаммов с идентичным геномом. Исследователям удалось выделить и определить последовательность ДНК 185 таких штаммов из различных микропопуляций бактерий: тех, что живут в толще воды, на поверхности частиц или на морском планктоне.

Авторы проанализировали взаимоотношения между различными штаммами: раствор с бактериями одного генотипа наносили на чашки с колониями родственных бактерий и наблюдали, как один штамм подавляет рост другого.

Известно, что более генетически далекие микроорганизмы обычно подавляют рост друг друга. Исследование, однако, показало, что среди всего разнообразия изученных штаммов существует резкий генетический порог, который определяет, будут ли взаимоотношения между бактериями враждебными или дружественными.

Бактериальное сообщество Vibrio оказалось поделено на микропопуляции, которые "воюют" друг с другом при помощи антибиотиков. Вопреки ожиданиям исследователей, эти микропопуляции состояли не только из генетически идентичных потомков одной клетки, но также и из их близких родственников. Причем, сами эти родственники иногда и не производили антибиотик, защищающий популяцию от конкурентов.

Антибиотики играют важнейшую роль в экологии микроорганизмов, которую, однако, весьма сложно изучать. Известно, что между производящими, устойчивыми и чувствительными к определенному антибиотику бактериями возникают попарные отношения доминирования (напоминающие игру камень-ножницы-бумага). В лабораторных условиях такое доминирование приводит к упрощению популяции. В природе доминирование никогда не бывает абсолютным, поскольку реальное сообщество бактерий поделено на микропопуляции. Небольшое различие условий жизни в каждой микропопуляции гарантирует разнообразие всего сообщества.

Энергетика живых организмов , особенно в процессах воспроизводства и регенерации также явилась важным и перспективных объектом исследований

Джереми Ингланд, физик из Массачусетского технологического института, предложил способ рассчитать количество энергии, которое требуется на воспроизведение жизни. Его оценки показали, что репликация РНК термодинамически значительно проще, чем репликация ДНК и, следовательно, должна была возникнуть раньше. Результаты, косвенно подтверждающие гипотезу РНК-мира, пока не опубликованы в рецензируемом журнале. Препринт работы доступен на сайте Корнельского университета. Кратко о ней пишет блог Technology Review.

Термодинамические расчеты основаны на статистической оценке биологической системы до и после репликации. Имея полную информацию о возможном состоянии частиц в системе, при которой допустимо существование жизни, можно рассчитать количество тепла, затрачиваемое на репликацию. Статистически оценивая эти состояния, физик в своих расчетах избежал термодинамического определения жизни, вынеся его за скобки мыслительного эксперимента (предполагается, что отделить живое от неживого всегда может внешний эксперт).

По оценкам ученого, с термодинамической точки зрения репликация РНК значительно проще репликации ДНК. На заре возникновения жизни вероятность репликации у РНК была значительно выше, чем у ДНК, что косвенно подтверждает гипотезу РНК-мира. Согласно ей, первые самовоспровоизводящиеся системы состояли из РНК, которая одновременно была и носителем наследственной информации и машиной для ее воспроизводства. Разделение функций произошло значительно позднее, когда ДНК стала использоваться как надежное хранилище информации (она химически устойчивей РНК), а ферментативная функция перешла к белкам.

Кроме того, Ингланду удалось оценить энергетическую эффективность репликации бактерий. По словам ученого, Escherichia coli на репликацию тратит всего в 2-3 раза больше термодинамически рассчитанного минимума. Впрочем, далеко не перед всякими бактериями стоят задачи максимальной оптимизации энергии (многие микроорганизмы тратят энергию просто на ускорение биохимических процессов). Возможно, для чрезвычайно медленно растущих океанических донных бактерий показатели энергоэффективности репликации могут оказаться еще более впечатляющими, чем у относительно благополучных E. coli.

Базируясь на уже полученных знаниях и опыте в изучении и структурном анализе кинематики живых организмов , умело сочетая новейшие конструкционные материалы и композиты , исследователи создают принципиально новые инновационные субъекты, информация о которых ещё несколько лет тому назад считалась бы и была бы воспринята как ничем не оправданная фантазия

Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли создали микроскопический привод на основе оксида ванадия, удельная сила которого превышает силу человеческих мышц на три порядка. Работа опубликована в журнале Nanoletters, а ее краткое содержание приводит сайт лаборатории.

Изобретение привода стало неожиданным результатом работы ученых, занимавшихся фазовым переходом в оксиде ванадия. Этот материал при нагревании свыше 65 градусов из изолятора становится проводником. При этом, как установили авторы, переход сопровождается сжиманием материала в одном и расширением в двух других направлениях.

Обычно при создании электронных устройств сжимаемость нежелательна, так как она может стать причиной разрывов контактов. Однако она позволяет использовать оксид ванадия для создания микроскопических приводов миниатюрных машин.

В созданном авторами прототипе привода имеется восемь полос оксида ванадия, покрытых с одной из сторон металлическим хромом. Нагревание одной из полос на 15 градусов Цельсия (при помощи тока или лазерного луча) приводит к тому, что она сгибается подобно пальцу на руке. При одновременном нагревании всех полосок прототип совершает характерные хватательные движения.

Авторы утверждают, что при той же массе, сила, развиваемая новым приводом, в тысячу раз превосходит силу мышц животного. По сравнению со стандартным в микротехнике пьезоэлектрическим приводом, ванадиевый гораздо проще, требует меньшего напряжения тока, а его диапазон сокращения (Δl) гораздо больше.

Механические приводы, используемые в микротехнике, сильно отличаются от подобных макроскопических устройств. Интересно, что только некоторые из них являются механическими двигателями в полном смысле слова. Например, биологические "молекулярные машины" таковыми обычно не являются, так как их работа основана на химическом сродстве и не подразумевает сохранения инерции.

Очень часто теперь структура и свойства живых бактерий используются при создании микромоторов

Новая конструкция микромотора, построенного на основе живой бактерии, предложена Метином Ситти (Metin Sitti) и Бахарией Бекамом (Bahareh Behkam) из Университета Карнеги Меллон (Carnegie Mellon University) в Пенсильвании, США.

Как гласит опубликованная этими исследователями статья в Applied Physics Letters, на которую ссылается New Scientist Tech, в предложенном устройстве задействуется бактерия, обладающая длинным вращающимся жгутиком, который в норме заставляет бактерию "вкручиваться" в окружающую жидкость.

Весь этот микроорганизм закрепляется в пластмассовой микростанине при помощи электростатических, ван дер Ваальсовых и гидрофобных взаимодействий. Конструкция размещается в раствор глюкозы, которым питается бактерия. Скорость, достигаемая такой системой, достигает 15 микрон в секунду.

Для остановки в раствор добавляется медный купорос. Чтобы восстановить подвижность бактерии, медь отбирают широко распространенным растворителем – этилендиаминтетраацетатом (ЭДТА). Таким образом можно включать и выключать вращение неограниченное число раз.

Использование подвижных нанороботов на бактериальной тяге подобной конструкции авторы считают перспективным для доставки лекарственных средств по мочевыводящим путям, спинномозговым каналам, через конъюнктивальные полости и полости уха. Возможно применение предложенной исследователям новации и для обследования технических микротрубопроводов в атомном энергетическом машиностроении и космическом приборостроении.

Базируясь на аналогичной методике , группа японских ученых во главе с Юичи Хирацука (Yuichi Hiratsuka) создала микромотор, приводимый в действие бактериями, сообщает издание Live Science со ссылкой на "Труды Национальной академии наук" США. Разработка мотора велась совместно Национальным институтом передовой промышленной науки и технологии Японии (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) и Токийским университетом.

Вал миниатюрного мотора вращают подвижные микробы Mycoplasma mobile. При собственной длине около одного микрона, микоплазмы этого вида могут двигаться со скоростью до 1,8 сантиметра в час. Топливом мотора является глюкоза, которой питаются микоплазмы.

Микробы вращают 20 тысяч кварцевых роторов, смонтированных на кремниевом чипе. Каждый мотор имеет диаметр около 20 нанометров, то есть впятеро меньше, чем человеческий волос.

Микоплазмы приклеены к ротору микромотора витамином B7. Микробы движутся по специальным направляющим из гликилированных белковых молекул. В геном микоплазм внесены изменения, делающие их более устойчивыми на этих направляющих. Это первая нанотехнологическая разработка, включающая механическое устройство и живой организм.

Скорость вращения вала двигателя составляет от 1,5 до 2,6 оборотов в минуту. Ученым удалось достичь рекордно низкого вращающего момента: он 10 000 раз меньше, чем у самых маленьких современных электрических двигателей.

Разработка японских ученых уже в ближайшем будущем может использоваться в различных наномашинах для генерации малых токов или в качестве привода микроскопических насосов.

В ходе дальнейшей работы Хирацука намерен заставить работать в своих двигателях мертвые бактерии. Это нужно для того, чтобы нанодвигатели не могли представлять эпидемиологической опасности.

Удивительные результаты показывают и моторы , постьроенные на молекулярном уровне и масштабном факторе

Молекулярный мотор, способный двигать в 10 тысяч раз большие его тела, разработан голландскими физиками, сообщает Physics Web. Ученые из университетов Гронингена и Эйндховена и исследовательского центра Phillips заставили одиночные молекулы вращать стеклянные стержни длиной в 28 тысячных миллиметра. Наномотор приводится в движение теплом и светом, под воздействием которых он изменяет свою форму.

Экспериментаторы поместили вещество, по структуре близкое к распространенным красителям, внутрь жидкокристаллической пленки, где под воздействием ультрафиолетовых лучей молекулы переходят в собственные "зеркальные копии". При этом и исходная, и конечная формы достаточно "закручены" по сравнению с переходным состоянием, и пленке передается энергия "раскручивания". Полный оборот требует четырех стадий, две из которых ("световые") считаются относительно быстрыми и две ("тепловые") - медленными. Все они занимают несколько минут.

Авторы работы отмечают, что хотя движение и вызвано, возможно, действием нескольких молекул, эти действия нужно считать согласованными, а систему молекул внутри пленки - целым мотором. С помощью подобных механизмов наноинженеры надеются "ремонтировать" клетки или заниматься сборкой микроскопических конструкций, и уже испробовали в качестве моторов биомолекулы и даже микроорганизмы

Аналогия с некоторыми феноменами живой природы помогает в создании нано-технологий и изделий , построенных на базе и в масштабном факторе присущем , уже ставшими классическими нано- технологиями

Американские нанотехнологи с помощью углеродных нанотрубок воспроизвели материал, которым покрыты конечности гекконов, сообщает сайт WorldChanging.com. Известно, что ящерицы способны взбегать по отвесным стенам, и некоторое время назад биологи сумели объяснить это особенным устройством кожи на лапах животного: на ней образуется специальная щетина, обратимо "приклеивающаяся" к большинству поверхностей.

Сам эффект легко объяснить: поверхность щетины "подстраивается" под микроскопические неровности, так что площадь соприкосновения оказывается максимальной. Между частицами "щетины" и "стены" действуют так называемые ван-дер-ваальсовы силы - те же, что связывают молекулы в жидкости.

Несмотря на простоту, получить искусственный материал с желаемыми свойствами долго представлялось затруднительным. В организме животного нити щетины состоят из белка, структура которого считывается с ответственных за перенос генетической информации молекул ДНК, так что воспроизвести процесс буквально у ученых не было возможности.

Проблему удалось решить сотрудникам университета в Акроне (штат Огайо, США): они вырастили на поверхности полимера "лес" многослойных нанотрубок - вложенных друг в друга цилиндров, образованных двумерной сетью атомов углерода. Прежде исследователи обращали внимание на необычное соотношение длины и диаметра этих структур и использовали их там, где были необходимы "нанопровод", "наноканал" или "нанонить".

Новый материал получился в 200 раз более "липким", чем исходный, но при "отклеивании" не разрушается из-за чрезвычайной прочности нановолокон. В своей статье исследователи указывают, что материалу можно найти самые разнообразные применения: если результат подтвердится, "обратимый сверхклей" будет сразу востребован инженерами. Сложность состоит в том, что производство нанотрубок чрезвычайно дорого, и пока только немногие продукты на их основе используются вне лабораторий.

Исследовательская работа в области нано-технологий требует и соотвнтствующего оборудования и оснастки

И в этом секторе появились новейшие технологии

Британские физики-материаловеды создали самую маленькую пробирку в мире и попали с нею в Книгу рекордов Гиннеса. Как сообщает BBC News, Дэвиду Брицу из Оксфордского университета и его коллеге Андрею Хлобыстову из Университета Ноттингема, удалось провести химическую реакцию в пробирке, "сделанной" из атомов углерода.

Углеродная нанотрубка длиной два микрона и диаметром 1,2 нанометра представляет собой листок графита в атом толщиной, который свернут в цилиндр. Результаты реакций, проходящих в таких пробирках можно наблюдать только под электронным микроскопом, ведь нанотрубки настолько малы, что на булавочной головке их может уместиться несколько десятков миллиардов.

Новая технология может быть использована при синтезе полимеров, когда отдельные молекулы вещества соединяются между собой в длинные цепочки.

Ученые экспериментировали с молекулами окиси бакминстерфуллеренов, которые в обычных условиях соединяются в разветвленный полимер, похожий на дерево. Однако при проведении этой реакции в нанотрубке, молекулы образовали прямую линию, потому что стенки пробирки не давали им разветвляться.

В результате был создан полимер более высокого качества, чем те, которые получались в обычных пробирках. Ученые полагают, что в перспективе в нанотрубках можно будет синтезировать многие важные для науки и промышленности полимеры, например, полиэтилен, чья молекулярная форма легко поддается контролю.