БИОЧИПЫ, БИОСЕНСОРЫ И НАНОБОТЫ

В последнее время всё больше получает распространение особый вид сенсоров – биосенсоры. Это такие датчики, в состав которых включены те или иные биологические объекты, начиная от ферментов и заканчивая клеточными культурами или тканями. Под терминами «биосенсор» и «биочип» обычно подразумеваются электронные устройства, содержащие биомолекулы (нуклеиновые кислоты). Они используются, например, в широко распространенных глюкочипах - приборах для замера уровня сахара в крови. В настоящее время существуют биосенсоры для диагностики онкологических и инфекционных заболеваний. Расцвету биосенсинга способствует и бурное развитие компьютерных технологий, позволяющее конструировать наноразмерные сенсоры или даже использовать в их качестве биологические молекулы. «По сути биосенсоры – это естественные датчики, входящие в состав тела всех организмов,» – так прокомментировал биосенсорный бум заведующий лабораторией биосенсоров в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН доктор химических наук Анатолий Решетилов. Первым аналогом биосенсора «от природы» можно считать канарейку, которая на протяжении нескольких столетий была незаменимым помощником в британских угольных шахтах: оповещала рабочих об утечке метана.

 Методы биоинформатики и медицинские компьютерные программы в ближайшее время должны войти в жизнь каждого человека, как и чип-диагностика. В ближайшем будущем в нашей жизни появятся молекулярные машины, которые работают на нано уровне и позволяют по капле крови или слюны поставить диагноз человеку, путем соотнесения его уникальной генетической информации и биоинформационных данных, заложенных в персональном компьютере. Следить за всем и вся в режиме реального времени будут миллионы биомолекул, встроенных в миниатюрные электронные устройства. Они станут оповещать нас о состоянии клеток, органов, экосистем… Они внедрятся во все сферы нашей жизни и изменят их до неузнаваемости.
Сегодня биосенсоры - это датчики, в состав которых включены самые разные биологические объекты, выполняющие роль чувствительных матриц. Сейчас биосенсоры могу не только «собирать интересующую информацию», но и при воздействии на них сигнала оператора оказывать точечное влияние на объект. Так, например, сенсоры, подключенные к клеткам мозга – нейронам, могут регистрировать их электрическую активность, но при необходимости могут и сами раздражать нейроны микроимпульсами тока и изменять, таким образом, их поведение.

В марте 2013г. прошло заседание правительственной рабочей группы по развитию биотехнологий, где было принято решение о поддержке инновационной медтехники. Вице-премьер РФ Аркадий Дворкович поручил Минздраву разработать к 1 мая 2013 г. Федеральную Целевую Программу (ФЦП) по развитию инновационной медицинской техники, созданной на основе биосенсеров и биочипов. Кроме того, было принято принципиальное решение о правительственной поддержке этого направления: на заседании шла речь об изменении законодательной базы, оптимизации таможенного регулирования и создании налоговых преференций в сферах применения биомедицинских клеточных технологий и биомедицинского применения тканей человека. А. Дворкович призвал ускорить разработку соответствующих нормативно-правовых актов.

На заседании правительственной рабочей группы профессор биофизики Игорь Меглинский предложил внедрить биосенсоры в детскую цветную переводную татуировку (чип-тату) таким образом, чтобы по изменению цвета картинки можно было судить о физиологических процессах, проходящих в организме ребенка. Это так называемая «сенсорная бумага», которую можно вживлять в кожу человека и таким образом проводить непрерывный мониторинг показателей здоровья организма. Дальнейшая работа по этим проектам - все большая интеграция таких сенсоров и живой кожи.
Об этом направлении говорится и в «Стратегии медицинской науки до 2025 г.»: «Будут созданы биомедицинские клеточные и тканеинженерные продукты для замещения тканей и органов, структур организма, создаваться искусственные органы, производиться стимуляция роста сосудов, происходить регенерация органов, костей и тканей, клонирование. Это можно будет делать в течение ближайших 2-4х лет.
Первыми продуктами станут уже разработанные клеточные продукты для восстановления кожных покровов, костной, хрящевой ткани, роговицы, различных эпителиев, лечение парадонта, скелетных мышц и миокарда. Внедрение 2-3 года.»

ВВС США финансируют работу по созданию технологии маркировки цели наноточками, которые позволят следить за объектом с большого расстояния. Новая технология предполагает возможность слежки с воздуха за различными объектами: от отдельных подозреваемых лиц, до крупной военной техники. Интерес Пентагона к технологии маркировки цели обусловлен возмущением общественности и правительств стран, которые подвергаются бомбардировкам с борта американских беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время компания Voxtel разрабатывает для Пентагона технологию распыления наноточек с борта БПЛА. После этого отследить цель с воздуха будет легко даже на улицах оживленных городов. Помеченные цели мгновенно выдадут себя свечением наноточек, за которым можно не только следить, но и навести на них оружие. Невидимые метки позволят скрытно и надежно следить за целями, арестовывать или уничтожать их без жертв среди мирных жителей.
Команде химиков и инженеров из Университета штата Пенсильвания удалось разместить крошечные искусственные двигатели внутри живых человеческих клеток. Двигатели приводились в движение с помощью ультразвуковых волн, а направление движения задавалось с помощью магнита. Созданы нанороботы, способные осуществлять высокоточное внутриклеточное хирургическое вмешательство: они могут отыскивать все раковые клетки и подвергать их химиотерапии, не вмешиваясь в жизнедеятельность соседних здоровых клеток. Кроме того, управляемые нанороботы могут применяться в совершенно новых областях, например при прокладке нейроинтерфейсов внутри живой ткани.
Согласно результатам исследований ученых из Университета штата Мичиган и Университета Индианы, употребление типичных количеств наночастиц вряд ли нанесет ущерб здоровью человека. Оценить безопасность долговременного употребления наночастиц не представляется возможным: пока слишком мало данных и соответствующих исследований. Тем не менее, есть ряд исследований, которые указывают на потенциальную опасность наночастиц, при этом наночастицы уже широко используются, их можно найти повсеместно: в еде, зубной пасте, шампуне, красках, на бытовых приборах. В лидерах наночастицы серебра, которые служат в качестве антибактериального покрытия упаковок продуктов, столовых приборов, посуды, одежды и т.д. Особое беспокойство вызывает тот факт, что наночастицы очень широко употребляются в детских товарах: игрушках, посуде, одежде и других. Ученые пришли к выводу, что по крайней мере одноразовый прием доступной (содержащейся в бытовых предметах) дозы наночастиц не приведет к развитию острого отравления. Но если наночастицы применяются уже в массовом порядке, то кто может сказать, насколько это безопасно для человека?
В общем, биосенсоры, наноботы и биочипы норовят пробраться буквально в каждый уголок нашей жизни, нашего быта: они будут и в холодильнике, и в миксере, и в одежде, и, конечно, там, где прямое или постоянное присутствие человека просто невозможно. Учёные уже разработали так называемую «умную пыль» - распределенные сенсорные сети (РСС)– это тысячи самособирающихся наносенсоров, которые, кроме того, что анализируют окружающую среду, ещё и общаются друг с другом, самостоятельно организовываясь в единую интеллектуальную сенсорную сеть, которая может контролировать, по тысячам целевых параметров, квартиры, жилые дома, целые города и даже континенты. Разработчики считают, что РСС в десятки раз надежнее существующих беспроводных сетей, они позволяют формировать системы автоматического решения огромного комплекса задач практически без вмешательства человека.