" src="file:///C:/Users/123/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.png" style="height:45px; width:45px" /> (d — характерный размер точки, m — эффективная масса электрона на точке), обусловленная неопределённостью его импульса, будет заметно больше всех других энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических единицах.

Квантовая точка  — частица материала с размером, близким к длине волны электрона в этом материале (обычно размером 1–10 нм), внутри которой потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, таким образом, движение электрона ограничено во всех трех измерениях.

Квантово-размерные эффекты – в частицах, имеющих характерные размеры менее 10 нм, электроны ведут себя подобно электронам в изолированном атоме, т.е. как квантовые объекты. Кроме того, уменьшение размера наночастиц сопровождается уменьшением ширины энергетических зон, что приводит к росту энергии оптических переходов.

 

13.Литография. Эпитаксия. Конденсация. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Искусственная сборка на молекулярном уровне.

Литография - технология переноса рисунка с шаблона на конкретную поверхность (полимерную пластину, полупроводниковую подложкуи т.д.) с помощью светового излучения (фотолитография), рентгеновского излучения (рентгенолитография), потока электронов/ионов (электронно-лучевая/ионно-лучевая литография), а также непосредственно методами сканирующей зондовой микроскопии, атомной силовой микроскопии или контактной печати.

Эпитаксия — это закономерное нарастание одного кристаллического материала на другом, т. е. ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Строго говоря, рост всех кристаллов можно назвать эпитаксиальным: каждый последующий слой имеет ту же ориентировку, что и предыдущий. Различают гетероэпитаксию, когда вещества подложки и нарастающего кристалла различны (процесс возможен только для химически не взаимодействующих веществ, например так изготавливают интегральные преобразователи со структурой кремний на сапфире), и гомоэпитаксию, когда они одинаковы. Ориентированный рост кристалла внутри объёма другого называется эндотаксией.

Эпитаксия особенно легко осуществляется, если различие постоянных решёток не превышает 10 %. При больших расхождениях сопрягаются наиболее плотноупакованные плоскости и направления. При этом часть плоскостей одной из решёток не имеет продолжения в другой; края таких оборванных плоскостей образуют дислокации несоответствия.

Эпитаксия происходит таким образом, чтобы суммарная энергия границы, состоящей из участков подложка-кристалл, кристалл-среда и подложка-среда, была минимальной.

Эпитаксия является одним из базовых процессов технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Конденсация - переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твёрдое вследствие его охлаждения или сжатия. Конденсация пара возможна только при температурах ниже критической для данного вещества. Конденсация, как и обратный процесс — испарение, является примером фазовых превращений вещества (фазовых переходов 1-го рода). При конденсации выделяется то же количество теплоты, которое было затрачено на испарение сконденсировавшегося вещества. Конденсация широко применяется в технике: в энергетике (например, в конденсаторах паровых турбин), в химической технологии (например, при разделении веществ методом фракционированной конденсации), в холодильной и криогенной технике, в опреснительных установках и т. д. В технике конденсация обычно осуществляется на охлаждаемых поверхностях. Известны два режима поверхностной конденсации: плёночный и капельный. Первый наблюдается при конденсации на смачиваемой поверхности, он характеризуется образованием сплошной плёнки конденсата. На несмачиваемых поверхностях конденсат образуется в виде отдельных капель. При капельной конденсации интенсивность теплообмена значительно выше, чем при плёночной, т. к. сплошная плёнка конденсата затрудняет теплообмен.

Молекулярно-лучевая эпитаксия – технология осаждения эпитаксиальных пленок полупроводников посредством испарения материалов при низком давлении. Позволяет изготавливать эпитаксиальные структуры с высокой точностью по толщине и почти идеальной стехиометрией. Последнее объясняется относительно невысокой скоростью технологического процесса и возможностью буквально послойного формирования осаждаемых пленок: атом за атомом встраивается в кристаллическую решетку. Чаще всего по этой технологии получают эпитаксиальные пленки сложных полупроводников. Примеры: получение InGaAsP, InGaAs и др. для оптической и квантовой электроники. Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарногладкой поверхностью. Технология молекулярно – лучевой эпитаксии была создана в конце 1960-х годов Дж. Артуром и Альфредом Чо. Молекулярно-лучеваяэпитаксия позволяет получать следующие структуры с пониженной размерностью:
1. Нульмерные - квантовые точки;
2. Одномерные – квантовые нити (квантовые проволоки);
3. Двумерные – квантовые ямы, сверхрешетки, плоские волноводы.

 

14.Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях.

Самосборка — процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в котором в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы) исходной структуры, аддитивно составляющие или «собирающие», как части целого, результирующую сложную структуру.

Самосборка относится к типичным методам получения наноструктур (наноматериалов) «снизу–вверх». Основная задача, которая стоит при ее реализации — это необходимость таким образом повлиять на параметры системы и так задать свойства отдельных частиц, чтобы они организовывались с образованием желаемой структуры. Самосборка находится в основе многих процессов супрамолекулярной химии, где «инструкции», как собирать большие объекты, «закодированы» в структурных особенностях отдельных молекул. Следует отличать самосборку от самоорганизации, которая может быть использована как механизм создания сложных «шаблонов», процессов и структур на более высоком иерархическом уровне организации, чем тот, что наблюдался в исходной системе (см. рис.). Отличия состоят в многочисленных и многовариантных взаимодействий компонент на низких уровнях, на которых существуют свои, локальные, законы взаимодействия, отличные от коллективных законов поведения самой упорядочивающейся системы. Для процессов самоорганизации характерны различные по масштабу энергий взаимодействия, а также существование ограничений степеней свободы системы на нескольких различных уровнях ее организации. Таким образом, процесс самосборки — более простое явление. Тем не менее, не стоит опускаться до крайностей и считать, например, что процесс роста монокристалла — это самосборка атомов (что соответствует, в принципе, определению), хотя, например, самосборка более крупных объектов — микросфер одинакового размера, формирующих плотнейшую шаровую упаковку, что приводит к образованию так называемого фотонного кристалла (трехмерной дифракционной решетки из микросфер), — это типичный пример самосборки. К самосборке можно отнести формирование самособирающихся мономолекулярных слоев (например, молекул тиолов на гладкой поверхности золотой пленки), образование пленок Ленгмюра  -Блоджетт, послойную сборку и пр.

Самоорганизация — самопроизвольное образование упорядоченных пространственных или временных структур в условиях непрерывных потоков энергии и вещества в сильно неравновесных открытых системах.

В ряде случаев под самоорганизацией понимают любой процесс, приводящий к возникновению любого упорядочения в системе. В случае интенсивного притока энергии извне оказывается возможным самопроизвольное образование организованных диссипативных структур, являющихся следствием эволюции системы в сильно неравновесных условиях (диссипативная самоорганизация). К числу диссипативных самоорганизованных структур относят пространственно-периодические конвективные системы, системы с хаотическим поведением, некоторые типы динамических фрактальных структур, периодические пространственно-временные структуры (автоколебания и автоволны). Необходимым условием проявления процессов самоорганизации является наличие нескольких (как минимум двух) противонаправленных градиентных полей одной размерности, формирующих минимум энергии как функцию расстояния или времени. Процессы самоорганизации многообразны, их самые известные примеры — кольца Лизеганга, эффект Марангони, реакция Белоусова–Жаботинского, ячейки Бенара. Управление процессами самоорганизации является важнейшей задачей на пути к формированию функциональных наноматериалов с заданными физикохимическими свойствами и разработке наноустройств на их.

 

15.Наночастицы и нанокластеры. Металлические нанокластеры и их свойства. Примеры использования и методы получения.

Наночастица — изолированный твердофазный объект, имеющий отчетливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которого во всех трех измерениях составляют от 1 до 100 нм.

Наночастицы — один из наиболее общих терминов для обозначения изолированных ультрадисперсных объектов, во многом дублирующий ранее известные термины (коллоидные частицы, ультрадисперсные частицы), но отличающийся от них четко определенными размерными границами. Твердые частицы размером менее 1 нм обычно относят к кластерам, более 100 нм — к субмикронным частицам.

Нанокластеры - представляют собой полученные при помощи нанотехнологий микрочастицы размером 1-10 нанометров. Микроскопические шарики частично покрыты растительным маслом, благодаря чему повышается их способность соединяться и переносить различные вещества.

По своему химическому составу нанокластеры представляют собой смесь из кремниевых, калиевых и магнезиевых соединений, связанных с атомом водорода. Этот атом модифицирован так, что в его электронной оболочке есть слабо связанный дополнительный электрон, который очень легко отдается и нейтрализирует свободные радикалы. После отдачи электрона нанокластеры распадаются на калий, кремний, магнезий (в йонной форме), водород и воду – вещества, легко усвояемые организмом.

 

16.Фуллерены. Графен. Карбин. Углеродные нанотрубки. Свойства, Методы получения. Примеры использования.

Фуллерены — это недавно открытая форма углерода, отличная от известных ранее графита и алмаза. Наиболее распространенным среди фуллеренов является фуллерен С60, который представляет из себя молекулу из 60 атомов углерода, образующих замкнутую сферическую поверхность, составленную из правильных шести- и пятиугольников, — молекулярный аналог европейского футбольного мяча. С уникальностью строения фуллеренов связаны и их уникальные физические и химические свойства. В настоящее время известно несколько тысяч патентов на применение фуллеренов в различных областях человеческой деятельности от сверхпроводимости до лекарств.

Фуллерены - аллотропные молекулярные формы углерода, в к-рых атомы расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида. Такие молекулы могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т. д. атомов С.

Главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность. Они легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На их основе возникла новая стереохимия углеродов, позволяющая целенаправленно создавать новые органические молекулы и, следовательно, вещества с заданными формами и свойствами. Фуллерены могут быть использованы как “нанокирпичики” для конструирования материалов с заданными параметрами.

Фуллерены - это "химически стабильные замкнутые поверхностные структуры углерода, в которых атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, регулярным образом покрывающих поверхность сферы или сфероида". Сегодня в мире стремительно развиваются исследования новой и необычной, так называемой аллотропной, формы углеродов - фуллеренов. Фуллерены - класс углеродных молекул, содержащих более 20 атомов. Фуллерены применяются в сверхпроводящих материалах, сенсорах, солнечных батареях, логических и запоминающих элементах и т.д.

Графен — плоский слой sp2-гибридных атомов углерода толщиной в один атом, образующих гексагональную решетку; двумерная форма углерода.

Графен можно представить как одну атомарную плоскость графита, отделенную от объемного кристалла — плоскую сетку из шестиугольников, в вершинах которой находятся атомы углерода. Каждый из них имеет три соседа, на образование связей с которыми уходят три из четырех валентных электронов углерода. Четвертый электрон участвует в образовании -системы графенового листа, определяющей его электронные свойства.

Электронные свойства графена. Так, в нем реализуется баллистический (т. е. практически без рассеяния) транспорт электронов, на характеристики которого подложка и окружающая среда влияют весьма слабо. Особенности зонной структуры графена обуславливают существование электронов и дырок с нулевой эффективной массой, которые проявляют квазирелятивистское поведение, описываемое уравнением Дирака. При этом графен проявляет аномальный квантовый эффект Холла, наблюдаемый даже при комнатной температуре. Исследования показывают, что графен также является перспективным материалом для спинтроники.

Свойства графена могут варьироваться под действием химической модификации. Наиболее реакционноспособными являются края графеновых фрагментов, однако можно добиться и полной или частичной функционализации всего фрагмента. Например, графен может быть гидрирован до графана.

Среди уже реализованных всего за несколько лет прототипов перспективных устройств на основе графена можно упомянуть полевые транзисторы с баллистическим транспортом при комнатной температуре, газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектронный транзистор, жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи с графеном в качестве прозрачного проводящего слоя, спиновый транзистор и многие другие.

Карбин — аллотропная форма углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Состоит из углеродных фрагментов стройной –С≡С–С≡С–, или двойной кумулированной =С=С=С=С= связью. Может быть линейным или образовывать циклические структуры.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9÷2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин — линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полииновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение — в фотоэлементах.

Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

Идеальная нанотрубка – это цилиндр, полученный при свёртывании плоской гексагональной сетки графита без швов. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную характеристику нанотрубки – хиральность. Хиральность - это стереохимическое свойство, означающее несовместимость объекта со своим зеркальным отображением. Хиральность характеризуется 2 целыми числами (m, n), которые указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свёртывания должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат. Хиральность нанотрубки может быть также однозначно определена углом α, образованным направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Имеется очень много вариантов свёртывания нанотрубок, но среди них выделяются те, в результате реализации которых не происходит искажения структуры гексагональной сетки. Этим направлениям отвечают углы α=0 и α=300, что соответствует хиральности (m, 0) и (2n, n). Индексы хиральности однослойной нанотрубки определяют её диаметр D:D= m2+n2-mn * 3do/¦Р ,где do=0,142 нм – расстояние между атомами углерода в гексагональной сетке графита. Приведённое выше выражение позволяет по диаметру нанотрубки определить её хиральность.

Среди однослойных нанотрубок особый интерес представляют нанотрубки с хиральностью (10, 10). Проведённые расчёты показали, что нанотрубки с подобной структурой должны обладать металлическим типом проводимости, а также иметь повышенную стабильность и устойчивость по сравнению с трубками других хиральностей. Справедливость этих утверждений была экспериментально подтверждена в 1996 году, когда впервые был осуществлён синтез нанотрубок с D=1,36 нм, что соответствует хиральности (10, 10).

Получение углеродных нанотрубок -  В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 торр. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см2. В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде.

Структурные свойства - Нанотрубки являются на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не "рвутся", а перестраиваются. Основываясь на таком свойстве нанотрубок как высокая прочность, можно утверждать, что они являются наилучшим материалом для троса космического лифта на данный момент. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали.

Возможные применения нанотрубок:

• Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы
• Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы
• Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках
• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки
• Оптические применения: дисплеи, светодиоды
• Медицина (в стадии активной разработки).
• Кабель для космического лифта
• Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные.

 

 

17. Нанопористые вещества и нанодисперсии их получение и использование.

Нанопористые вещества представляют собой пористые вещества с нанометровым размером пор. Размеры нанопор находятся в пределах 1-100 нм. Выделяют также микро-, мезо- и макропористые материалы, размер пор которых лежит в микрометровом диапазоне

Тип пор	Диаметр пор (d), нм
Микропоры	d < 2
Мезопоры	2 < d < 50
Макропоры	d > 50

При уменьшении размеров пор у наноматериалов появляются новые способности к фильтрации и сорбции различных химических элементов.

Интересным примером пористых материалов является пористый кремний. Пористый кремний считается перспективным во многих областях электроники, в том числе для создания источников видимого излучения на кремнии, которые в чистом кремнии создать нельзя. Пористый кремний получают путем анодного травления. Для этого пластину монокристаллического кремния помещают в электрохимическую ячейку, содержащую слабый раствор плавиковой кислоты. Присоединяют к положительному электроду – аноду и пропускаю слабый постоянный электрический ток.

С течением времени электрический ток и ионы фтора травят поверхность. Образуются вертикальные поры, проникающие вглубь кремния. Соседние поры могут соединяться, оставляя столбики кремния диаметром в несколько нанометров. Процессом травления можно управлять, изменяя силу тока и концентрацию ионов фтора.

Нанодисперсия — это жидкость, содержащая частицы и агломераты частиц с характерным размером 0,1—100 нм. Такие жидкости представляют собой коллоидные растворы наночастиц в жидком растворителе. Вследствие малых размеров включений такие системы обладают особыми физикохимическими свойствами. На долю поверхности в них приходится до 50 % всего вещества. Обладают повышенной поверхностной энергией в связи с большим количеством атомов находящихся в возбуждённом состоянии и имеющем не менее одного свободного электрона на внешнем энергетическом уровне. Нанодисперсии имеют различную природу. В качестве диспергированных веществ могут выступать полиорганосилоксаны, металлические, оксидные, карбидные, нитридные наночастицы, углеродные нанотрубки и т.д. В качестве дисперсионной среды обычно используется вода или этиленгликоль.

Нанодисперсии являются удобными транспортными средствами для плохорастворимых амфифильных и липофильных веществ. Гидрофильныенанодисперсии обладают очень важным свойством: они очень быстро проникают в клетки. Нанодисперсии используются в составе косметических средств для придания уникальных сенсорных характеристик. Эволюция нефтегазовых нанодисперсий — кинетически контролируемый процесс, в котором промежуточные структуры отделены от равновесных состояний значительными кинетическими барьерами. При заключительной отделке текстильных материалов используют наночастицы различных веществ в виде наноэмульсий и нанодисперсий.

Нанодисперсии обладают новыми физическими свойствами, делающими их потенциально полезными в таких сферах как микроэлектроника, топливные элементы, фармацевтика, гибридные двигатели и т.д. В частности нанодисперсии обладают существенно увеличенной теплопроводностью и конвективным коэффициентом теплопередачи по сравнению с жидкостью-носителем. Установлено также, что применение сильноразбавленных нанодисперсий в качестве теплоносителя позволяет существенно увеличить плотность критического теплового потока в установках кипящего типа. Также интересны магнитные наножидкости, представляющие собой однодоменные магниты, равномерно распределенные в объеме дисперсной фазы.

 

18. Наноструктурированные поверхности и пленки. Пленки Ленгмюра – Блоджетта и технология их получения.

Тонкие наноструктурированные пленки представляют собой органи­зованные наносистемы, в которых наноразмер проявляется только в одном измерении, а два других могут обладать макроразмерами.

Наноструктурированные пленки могут быть использованы как элементы оптических сенсорных устройств, в том числе - мембран, покрывающих индикаторный слой, замедляющих прохождение газофазного аналита к чувствительным элементам сенсора. Скорость диффузии аналита через мембрану при этом является дополнительным дескриптором для определения аналита.

Кроме того, методики, развитые для получения наноструктурированных слоев на основе наночастиц, могут быть использованы при получении фотонных кристаллов. Известно применение технологии ink jet printing для изготовления 3D-ансамблей размером около 50 нм для производства фотонных кристаллов.

В первую очередь наноструктурированные поверхности используются в качестве подложек для создания различных пленочных покрытий, свойства которых зависят от рельефа поверхности. В связи с этим основными задачами являются исследование рельефа наноструктурированных поверхностей, а также изучение взаимосвязи рельефа пленочных покрытий с рельефом подложек. Благодаря высокому пространственному разрешению основным инструментом для изучения рельефа поверхности в нанометровом масштабе на сегодняшний день является атомно-силовая микроскопия (АСМ).

Однако при использовании этого метода при исследовании наноструктурированных поверхностей возникает ряд проблем, связанных с низкой развитостью их рельефа и необходимостью учета малых аппаратных искажений метода АСМ. Требуется развитие методов описания статистических свойств нанорельефа, так как наиболее распространенные параметры шероховатости сверхгладких поверхностей не используют в полной мере данные АСМ. При изучении диэлектрических материалов актуальной задачей является изучение влияния статического заряда поверхности на получаемые АСМ - изображения.

Таким образом, развитие метода АСМ при исследовании наноструктурированных поверхностей и пленочных покрытий является актуальной задачей.

Самая тонкая пленка состоит из одного атомного слоя вещества, нанесенного на твердую или жидкую поверхность. Такие пленки называют пленками Ленгмюра – Блоджетта.

Пленки Ленгмюра-Блоджетт состоят из одного или более монослоев органических веществ. Метод Ленгмюра-Блоджетт позволяет без значительных экономических затрат (не требует вакуумирования и высоких температур) воспроизводимо получать молекулярные моно- и мультислои на основе органических веществ, включая и высокомолекулярные соединения (полимеры, в том числе биологически активные). Уникальность метода заключается в возможности послойно увеличивать толщину пленки, формирующейся на твердой поверхности, причем толщина каждого слоя определяется размерами молекулы используемого органического вещества, и строго контролировать структурное совершенство получаемых пленок. Уже сейчас пленки Ленгмюра-Блоджетт находят разнообразное практическое применение в различных областях науки и техники: в наноэлектронике (нанолитография с разрешением 20-50 нм, изолирующие и проводящие ультратонкие пленки, туннельные диэлектрики, пассивирующие и защитные покрытия, элементная база молекулярной электроники, матрицы с полупроводниковыми наночастицами, матрицы для создания ультратонких слоев окислов металлов), в оптике (активные слои для записи информации оптическим способом и атомно-зондовым методом, фотохромные покрытия со встроенными светочувствительными белковыми молекулами, просветляющие покрытия, дифракционные решетки, интерференционные и поляризационные светофильтры, удвоители частот, барьерные слои в фотодиодах), в прикладной химии (химия поверхности и поведения частиц на поверхности, катализ, фильтрация и обратный осмос мембран, адгезия), в микромеханике (антифрикционные покрытия), в биологии -биосенсоры и датчики (электронные и электрохимические сенсоры на основе упорядоченных молекулярных структур со встроенными активными молекулами или молекулярными комплексами). Метод был разработан в 30х годах прошлого столетия И. Ленгмюром и его ученицей К. Блоджетт. Об этом методе на довольно долгий период забыли, но затем, уже после второй мировой войны, вернулись «на новом витке спирали», чтобы использовать его возможности для конструирования сложных слоистых ансамблей из амфифильных молекул. В последующие годы интерес к пленкам Ленгмюра—Блоджетт (ЛБ-пленкам) лавинообразно возрастал: поток работ был столь велик, что вышел за рамки публикаций в различных научных журналах — стал выходить специальный журнал «Langmuir». Каждый год проводятся специальные международные конференции «ЛБ», посвященные целиком тонким организованным пленкам, на многих физических и химических симпозиумах с широкой тематикой обязательно есть разделы, посвященные ленгмюровским монослоям и ЛБ-пленкам.

 

19. Гетероструктуры технология получения и примеры использования.

Гетероструктура — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется гетеропереход, на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формирование вырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоструктур обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны. Для роста используют много методов, среди которых можно выделить два:

·         Молекулярно-лучевая эпитаксия,

·         MOCVD.

Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с прецизионной точностью (с точностью до атомного монослоя). Второй же не отличается такой точностью, но по сравнению с первым методом обладает более высокой скоростью роста.

Гетеропереходы обычно используются для создания потенциальных ям для электронов и дырок в гетероструктурах. Например, лазер на двойной гетероструктуре делают на основе GaAs. В тонкий слой GaAs, который имеет более узкую запрещённую зону по сравнению с расположенными по его краям слоями AlGaAs, инжектируются электроны и дырки, которые рекомбинируют там с испусканием фотонов. Модулированно-легированные гетероструктуры используют для получения двумерного электронного газа с высокой подвижностью, который необходим для исследований дробного квантового эффекта Холла, а также для создания полевых и биполярных транзисторов для сверхбыстрой электроники. Комбинируя различные полупроводники, можно создать и другие интересные структуры: сверхрешётки, структуры с множественными квантовыми ямами. Если полупроводники обладают различными постоянными решётки, то возможно создание структур с самоформирующимися квантовыми точками.

В рамках развития нанотехнологий в России ведётся активное развитие производств, связанных с гетероструктурами, а именно производство солнечных батарей и светодиодов.

 

20.Оптические сверхрешетки. Фотонные кристаллы – оптические сверхрешетки. Физические свойства фотонных кристаллов. Фотонные проводники полупроводники и изоляторы.

Сверхрешеткой называется периодическая структура, состоящая из тонких чередующихся в одном направлении слоев полупроводников. Период сверхрешетки намного превышает постоянную кристаллической решетки, но меньше длины свободного пробега электронов. Такая структура обладает, помимо периодического потенциала кристаллической решетки, дополнительным потенциалом, обусловленным чередующимися слоями полупроводников, и который называют потенциалом сверхрешетки. Наличие потенциала сверхрешетки существенно меняет зонную энергетическую структуру исходных полупроводников.

В кристаллах атомы расположены периодически по трем направлениям и образуют кристаллическую решетку. В современной физике и технике успешно используются так называемые сверхрешетки. Это твердые тела с периодическим чередованием областей, в которых какая-либо физическая величина, характеризующая свойства тела (магнитные свойства, электрические, упругость и т. д.), имеет разные значения. При этом размеры таких областей и расстояния между ними на несколько порядков больше межатомных расстояний. Еще в 1962 году академик Л.В. Келдыш теоретически рассмотрел сверхрешетку и особенности ее зонной структуры.

Периодическая по одной оси (т. е. слоистая структура) называется одномерной (1D, от англ.dimension – размерность) сверхрешеткой. Так, слоистая структура представляет собой 1D магнитную сверхрешетку: чередующиеся слои отличаются магнитными свойствами.

Пример двумерной (2D) сверхрешетки – это система квантовых ям, разделенных барьерными слоями с туннельным типом проводимости, на поверхности полупроводника. В этих поверхностных структурах периодически, по двум направлениям, изменяются электрические свойства.

В трехмерной (3D) сверхрешетке по трем направлениям периодически повторяются одинаковые по размеру области с различными физическими свойствами.

Фотонным кристаллом является сверхрешетка, в котором искусственно создано дополнительное поле с периодом, на порядки превышающим период основной решетки. Другими словами, это такая пространственно упорядоченная система со строгим периодическим изменением коэффициента преломления в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Благодаря этому такие решетки позволяют получать разрешенные и запрещенные зоны для энергии фотонов.

В целом энергетический спектр фотона, движущийся в фотонном кристалле, аналогичен спектру электронов в реальном кристалле, например в полупроводнике. Здесь так же образуются запрещенные зоны, в определенной области частот, в которой запрещено свободное распространение фотонов. Период модуляции диэлектрической проницаемости определяет энергетическое положение запрещенной зоны, длину волны отражаемого излучения. А ширина запрещенных зон определяется контрастом диэлектрической проницаемости.

Фотонный кристалл имеет функцию оптического фильтра, пропускающие или отражающие фотоны с определенными энергиями.

Фотонные кристаллы классифицируют по направлениям периодического изменения:

1. Одномерные фотонные кристаллы. В таких кристаллах коэффициент преломления изменяется в одном пространственном направлении.  Одномерные фотонные кристаллы состоят из параллельных друг другу слоев материалов с разными коэффициентами преломления. Такие кристаллы проявляют свойства только в одном пространственном направлении перпендикулярном слоям.
2. Двумерные фотонные кристаллы. В таких кристаллах коэффициент преломления изменяется в двух пространственных направлениях. В таком кристалле области с одним коэффициентом преломления (n1) находятся в среде другого коэффициента преломления (n2). Форма областей с коэффициентом преломления может быть любой, как и сама кристаллическая решетка. Такие фотонные кристаллы могут проявлять свои свойства в двух пространственных направлениях.
3. Трехмерные фотонные кристаллы. В таких кристаллах коэффициент преломления изменяется в трех пространственных направлениях. Такие кристаллы могут проявлять свои свойства в трех пространственных направлениях. Фотонные кристаллы можно разделить на проводники, изоляторы, полупроводники и сверхпроводники. Фотонные проводники обладают широкими разрешенными зонами. Это прозрачные тела, в которых свет пробегает большое расстояние, практически не поглощаясь. Другой класс фотонных кристаллов - фотонные изоляторы - обладает широкими запрещенными зонами. Такому условию удовлетворяют, например, широкодиапазонные многослойные диэлектрические зеркала. В отличие от обычных непрозрачных сред, в которых свет быстро затухает, превращаясь в тепло, фотонные изоляторы свет не поглощают. Что же касается фотонных полупроводников, то они обладают более узкими по сравнению с изоляторами запрещенными зонами. Использование фотонных полупроводников удобно для организации управления световыми потоками. Это можно делать, например, влияя на положение и ширину запрещенной зоны. Поэтому фотонные кристаллы представляют огромный интерес для построения лазеров нового типа, оптических компьютеров, хранения и передачи информации. Фотонные кристаллы предполагается использовать для создания оптических интегральных схем так же, как обычные полупроводники, металлы и диэлектрики используются для создания электронных интегральных схем. Наноэлектроника Наноэлектроника — область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств. В современном научном сообществе термины «наноэлектроника» и «наноэлектронные технологии» используются в двояком смысле. С одной стороны, под наноэлектроникой понимают продукт эволюционного развития микроэлектронной транзисторной технологии на основе кремния в сторону дальнейшей миниатюризации и увеличения степени интеграции, что необязательно подразумевает приборную реализацию квантово-размерных эффектов. С другой стороны, под этим термином понимают совокупность электронных приборов, устройств и технологий их производства, основанных, прежде всего, на новых эффектах (размерное квантование, кулоновская блокада, использование примесных атомов в качестве кубитов для квантовых компьютеров и т. д.). При масштабе порядка десятков нанометров характерные размеры элементов становятся соразмерными некоторым фундаментальным физическим характеристикам (например, длине экранирования, длине пробега электрона, длине волны де Бройля), что предполагает появление новых физических эффектов и наличие некоторых фундаментальных физических ограничений на возможности таких приборов. В этом проявляется особенность наноэлектроники по сравнению с микроэлектроникой, опирающейся на макроскопические законы классической физики. Технологические средства и методы, наиболее пригодные для создания объектов наноэлектроники, включают в себя как традиционно используемые методы, например, молекулярно-лучевую эпитаксию и прецизионное осаждение из газовой фазы, так и другие методы, продемонстрировавшие высокую эффективность именно при решении задач наноэлектроники, в частности, ионный синтез. Технологии наноэлектроники не только включают средства и методы, ранее не известные для микроэлектроники, например, использование нанотрубок и фуллеренов, но и используют новые методические подходы и разработки, служащие для создания, измерения и анализа параметров наноструктурных объектов. К ним относятся, в частности, различные методы зондовой микроскопии (туннельная, атомно-силовая микроскопия), с помощью которых объекты наноэлектроники могут как исследоваться, так и создаваться.

 

22.Микроэлектромеханические системы, нанопокрытия, катализаторы и фильтры.

Микроэлектромеханические системы — технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) обычно представляют собой интегрированные устройства, выполненные на полупроводниковой (чаще всего кремниевой) подложке и содержащие механические элементы, сенсоры, актуаторы (исполнительное устройство или его активный элемент, преобразующий один вид энергии (электрическую, магнитную, тепловую, химическую) в другой (чаще всего — в механическую), что приводит к выполнению определенного действия, заданного управляющим сигналом) и электронные компоненты. Типичные размеры микромеханических элементов (компонент системы) лежат в диапазоне от 1 до 100 микрон, тогда как размеры кристалла МЭМС-микросхемы достигают величин от 20 микрометров до одного миллиметра. Микроэлектромеханические системы изготавливаются по таким технологиям обработки полупроводников, как КМОП, БИКМОП и др., включающим стандартные технологические операции осаждения тонкопленочных слоев, литографическое формирование рисунка, травление и т. д. Для формирования механических и электромеханических элементов при изготовлении МЭМС используются совместимые процессы микрообработки, позволяющие селективно вытравливать элементы кремниевой подложки или добавлять новые структурные слои.

• КМОП (комплиментарный МОП-транзистор) — комплиментарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник.
• БИКМОП (биполярный комплектарный МОП-транзистор) — технология изготовления интегральных микросхем с использованием биполярных и КМОП транзиторов на одном кристалле.

Совмещая в себе элементы полупроводниковой микроэлектроники и механические элементы, созданные микрообработкой, МЭМС делают возможным создание полной лаборатории на чипе. В таких решениях к вычислительным мощностям микропроцессоров добавляются возможности восприятия окружающей среды с помощью интегрированных микросенсоров и воздействия на нее с помощью микроактуаторов. В такой системе микроэлектронная интегральная схема выполняет роль ее «мозга», а МЭМС предоставляет ей «глаза» и «руки», позволяя системе распознавать и контролировать параметры окружающей среды. Микросенсоры системы способны собирать информацию об окружающей среде, измеряя механические, термические, биологические, химические, оптические и магнитные параметры; микропроцессоры обрабатывают полученную информацию и, реализуя алгоритм принятия решений, производят с помощью микроактуаторов ответные действия, управляя движением, позиционированием, стабилизацией, фильтрацией и пр. Поскольку производство МЭМС-устройств использует большое количество технологических приемов, заимствованных из микроэлектроники, это позволяет, при относительно низких затратах, реализовывать на маленьком полупроводниковом чипе системы, беспрецедентные по уровню сложности, функциональности и надежности.

Нанопокрытия - покрытия толщиной от 1 до 100 нм. В зависимости от вещества обладают следующими свойствами:

•          Al2O3 - Гидрофобность

•          Ti и Ni - износостойкость режущего инструмента (наносятся методом PVD)

•          Cu - используется в лазерной технике из-за высокой отражающей способности

•          Ta и Cr - наносятся на орудия (толщина порядка 100 нм)

Нанотехнологии позволят применять золото в новых нетрадиционных для него областях. Так, наночастицы золота на пористом материале-носителе являются хорошим катализатором в автомобилях: даже при запуске холодного двигателя они разлагают оксиды азота и моноксид углерода до безвредных веществ. Наночастицы золота могут стать катализаторами для топливных батарей.

В настоящее время испытываются свойства наночастиц золота предотвращать появление запахов. В небольших системах кондиционирования, например, в автомобилях, они могут предотвращать запахи, появляющиеся из-за присутствия в системе бактерий. В Японии наночастицы золота уже используются в туалетах.

Исключительно важными при обработке жидкостей, а также снабжении чистой питьевой водой становятся керамические мембраны с нанопорами. Такие мембраны позволят легко отфильтровывать бактерии и вирусы.

 

 

 

23.Теоретическая, экспериментальная и прикладная нанохимия. Объекты изучения. Химические нанореакторы.

Нанохимия – это наука, которая занимается изучением свойств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации.

Одна из приоритетных задач нанохимии – установление связи между размером наночастицы и ее свойствами.

Объектами исследования нанохимии являются тела с такой массой, что их эквивалентный размер (диаметр сферы, объем которой равен объему тела) остается в пределах наноинтервала (0,1 – 100 нм). В следующей главе мы более подробно изучим все многообразие объектов нанохимических исследований.

Условно нанохимию можно разделить на теоретическую, экспериментальную и прикладную.

Теоретическая нанохимия разрабатывает методы расчета поведения нанотел, учитывая такие параметры состояния частиц, как пространственные координаты и скорости, масса, характеристики состава, формы и структуры каждой наночастицы.

Экспериментальная нанохимия развивается в трех направлениях.

В рамках первого разрабатываются и используются сверхчувствительные спектральные методы, дающие возможность судить о структуре молекул, включающих десятки и сотни атомов.

Второе направление исследует явления при локальных (местных) электрических, магнитных или механических воздействиях на нанотела, реализуемых с помощью нанозондов и специальных манипуляторов. При этом преследуется цель изучить взаимодействие отдельных молекул газа с нанотелами и нанотел друг с другом, выявить возможность внутримолекулярных перегруппировок без разрушения молекул и с их распадом. Данное направление также интересует возможность «атомной сборки» нанотела нужного габитуса (внешнего вида) при перемещении атомов по поверхности подложки (основного материала, поверхность которого подвергается различным видам обработки, в результате чего образуются слои с новыми свойствами или наращивается плёнка другого материала).

В рамках третьего направления определяются макрокинетические характеристики коллективов нанотел и функций их распределения по параметрам состояния.

Прикладная нанохимия включает в себя:

§  разработку теоретических основ применения наносистем в технике и нанотехнологии, методов предсказания развития конкретных наносистем в условиях их использования, а также поиск оптимальных способов эксплуатации (техническая нанохимия);

§  создание теоретических моделей поведения наносистем при синтезе наноматериалов и поиск оптимальных условий их получения (синтетическая нанохимия);

§  изучение биологических наносистем и создание методов использования наносистем в лечебных целях (медицинская нанохимия);

§  разработку теоретических моделей образования и миграции наночастиц в окружающей среде и методов очистки природных вод или воздуха от наночастиц (экологическая нанохимия).

Нанореактор — реактор для осуществления химических реакций в ограниченном объеме, размер которого не превышает 100 нм хотя бы по одному из измерений и ограничен физически размерами элементов упорядоченной структуры.

Основная задача, решаемая при использовании нанореакторов, — предотвращение слияния и роста твердых частиц при синтезе и, в ряде случаев, последующей термообработке синтезируемых материалов. В качестве нанореакторов обычно выступают поры естественного или искусственного материала, инертного по отношению к используемым реагентам и продуктам реакции. При синтезе нанообъектов поры инертной матрицы заполняются одним из реагентов, после чего он приводится в контакт со вторым реагентом, обычно в жидкой или газообразной форме, инициатором (в случае полимеризации), или подвергается воздействию электрического тока (при электрохимическом синтезе). Регулирование размеров пор при создании искусственного пористого материала или выбор естественного пористого материала с узким распределением пор по размерам в требуемом диапазоне позволяет управлять размером синтезируемых частиц. Нанореакторы могут использоваться как для получения нанокомпозитов синтезируемого материала с материалом инертной матрицы, так и для получения изолированных нанообъектов, для чего материал матрицы подвергается селективному растворению. В качестве естественных нанореакторов часто используются цеолиты и слоистые двойные гидроксиды, в качестве искусственных — искусственные цеолиты и пористые мембраны на основе оксидов металлов, созданные электрохимическим методом.

 

24.Медицинская и экологическая нанохимия. Диагностика. Терапия. Нанотехнологии в борьбе с онкологическими заболеваниями.

За последние десятилетия визуализация (возможность с помощью приборов видеть изменения органов и тканей) стала решающим инструментом в постановке диагноза болезни. Нанотехнология обещает создать чувствительные и чрезвычайно точные инструменты для диагностики с возможностями, находящимися далеко за пределами современного оборудования. Основная цель такой диагностики состоит в том, чтобы позволить врачам идентифицировать болезнь как можно раньше. Ожидается, что нанотехнология сделает возможным постановку диагноза на клеточном и даже субклеточном (органоидном) уровне.

Сегодня стало возможным применение в визуализации квантовых точек. В последние годы обнаружено, что эти нанокристаллы позволяют исследователям изучить процессы в клетке на уровне отдельной молекулы. Это может значительно улучшить качество постановки диагноза и лечение раковых образований. Флуоресцентные полупроводниковые квантовые точки чрезвычайно полезны для визуализации клетки с высокой разрешающей способностью.

Созданы наночастицы, способные обнаружить и определить количество перекиси водорода в организме животных. Эти наночастицы в будущем могут использоваться как простой, универсальный диагностический инструмент для обнаружения самых ранних стадий любой болезни, которая приводит к хроническому воспалению: от рака и болезни Альцгеймера до болезней сердца и артрита.

Наночастицы можно будет вводить иглой в определенную область тела (например, сердце). Если наночастица столкнется с молекулой перекиси водорода, она будет излучать свет. Если доктор увидит значительное свечение в исследуемой области, то он будет знать, что это ранние признаки болезни. Наночастицы проникают глубоко в ткани и испускают свет на большой длине волны, что делает их чувствительными индикаторами перекиси водорода, произведенной при любом воспалении.

Шведскими учеными создан новый тип внутриклеточного наносенсора, который измеряет уровень клеточного pH (показатель кислотности среды). В роли наносенсора выступают наноштыри из оксида цинка (ZnO), чувствительные настолько, что могут определять отдельные химические соединения в разных областях живой клетки.

Традиционный биосенсор состоит из основы и нанесенного на ее поверхность ряда биологических маркеров, реагирующих на различные вещества. В данном случае вместо сложной составной системы один кристалл из оксида цинка, который работает непосредственно в качестве детектора химических соединений.

Сенсор представляет собой иглу, на конце которой расположен зонд диаметром 1,4 микрона, состоящий из наноштырей ZnO диаметром 80-100 и длиной до 900 нм.

Благодаря небольшому размеру наноштырей, кончик зонда может свободно проникать в живую клетку и измерять уровень pH в реальном времени. Вследствие большого количества отдельных наноштырей зонд имеет высокую чувствительность, что позволяет измерять даже слабый электрохимический потенциал, вызванный присоединением различных биологических молекул к наноштырям на зонде.

Многие проекты нанотехнологий только разрабатываются, но есть и те которые являются реальными средствами современной медицины. Например, экспресс-анализаторы, называемые еще «лаборатории на чипе». Один чип размером порядка 4×4 см может заменить целый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онкологических заболеваний, количественного определения белков и многого другого. При этом кроха-лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, занимавшего раньше недели, сокращается до 15-30 минут.

Это устройство размером с мобильный телефон, которое может всего-лишь по одной капле крови выдать ее полноценный анализ и представляет собой биологическую лабораторию на чипе на основе углеродных нанотрубок. Капля крови поступает в смесительный резервуар, в котором она смешивается с антикоагуляторами, препятствующими ее свертыванию, затем – в специальный контейнер, где кровь «разжижается», что позволяет посчитать отдельные клетки. После разбавления крови образец поступает в сепаратор, где клетки отделяются друг от друга по размерам и направляются по отдельным конвейерам далее. Сепарация осуществляется благодаря гидродинамическим свойствам крови как жидкости.

Анализатор можно переоборудовать для идентификации разных молекул, вирусов и бактерий, что позволит получить более полную информацию о крови чем та, которую можно получить с помощью традиционного анализа. Можно даже проводить онкологические тесты раннего обнаружения рака, если добавить к счетчикам белковые маркеры раковых клеток.

В области терапии наиболее существенным результатом применения нанотехнологий является решение проблем доставки препаратов и регенерации тканей. Наночастицы позволяют врачам доставлять лекарство точно к месту болезни, увеличивая эффективность и сводя к минимуму побочные эффекты; обеспечивают возможности для контролируемого вывода терапевтических веществ и их метаболитов (продуктов превращения лекарств в ходе естественных процессов обмена веществ в организме); могут использоваться для стимулирования врожденных механизмов иммунитета и регенерации (основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клетками).

Активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, размер которых в 70 раз меньше, чем красные кровяные тельца, переносятся с током крови к определенному органу, где происходит пролонгированное (постепенное) выделение препарата. Для достижения эффективности лекарства необходимо, чтобы его молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты – в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, противоопухолевые препараты – в опухоль и т.д. Способность молекул вещества поступать в теле пациента туда, где они необходимы, называется биологической усвояемостью. Биологическая усвояемость – камень преткновения всей современной фармацевтики.

Сегодня ведутся активные работы по адресной доставке лекарств, которые будут точно попадать в цель, не повреждая других органов. Для доставки лекарственных веществ непосредственно в больные органы и ткани могут быть использованы полимерные наноразмерные капсулы. В настоящее время получены нанокапсулы со средним диаметром от 10 до 5000 нм, включающие матрицу из воска или текстильного волокна и активного вещества.

Одним из направлений развития нанохимии является криохимия. Криохимические методы открывают новые возможности для получения и производства лекарственных препаратов. Биофармацевтическая и терапевтическая активность лекарств зависит от их полиморфной модификации, молекулярной организации, структурной упорядоченности, размера и формы частиц. В настоящее время нанохимия занимается получением структурно-модифицированных (видоизмененных) лекарственных средств. При исследовании различных органических соединений установлено, что в низкотемпературных конденсатах формируются особые неравновесные состояния, на основе которых предложены новые способы производства лекарственных препаратов. Низкие температуры (криомодификация лекарств) позволяют обойтись без использования растворителей и исключают загрязнение окружающей среды.

Фуллерены, нанотрубки, наносферы и другие наночастицы способны повышать качество имплантантов – биосовместимость, механическую прочность, срок службы (например, для искусственных клапанов сердца). Наноматериалы оказались перспективными и для зубоврачебной практики. Наночастицы оксидов металлов с амфотерными свойствами (титана, олова, тантала, ниобия и индия), содержащие дополнительно фосфор-, сера- или кремний-функциональные группы при сополимеризации с акрилатными или метакрилатными мономерами образуют нанокомпозиты, которые полимеризуются уже при комнатной температуре с образованием очень прочных твердых материалов.

В отличие от антибиотиков, убивающих не только вредоносные вирусы, но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень избирательно: они действуют только на вирусы, клетка при этом не повреждается.

В настоящее время методы использования наночастиц в диагностике и лечении опухолей стремительно приближаются к внедрению в клиническую практику. Биомедицинское направление нанохимии предполагает разработку способов воздействия на клетки биологических тканей наноманипуляторами, а также методов создания наносистем непосредственно в биологических тканях.

Лабораторные эксперименты показали, что процедуру ввода в полимерное тело реагентов, при взаимодействии которых формируются наночастицы гетита или гидроксиапатита, можно организовать таким образом, чтобы возникшие в объеме тела наночастицы почти не влияли на структуру полимера. Если после образования наночастиц на тело наложить акустическое поле, то оно нагреется до 43 оС в течение времени, за которое тело без наночастиц почти не изменит температуру. Это позволило предположить, что если найти вещества, наночастицы которых могут формироваться в раковых клетках со значительно большей вероятностью, чем здоровые ткани, то раковые клетки можно будет селективно нагреть и «убить». И такие вещества были найдены. Были получены интересные результаты действия одного из них (терофтала) на развитие раковой опухоли у мышей. Стало очевидным, что сами по себе наночастицы терофтала не влияют на развитие опухоли, а акустическое поле лишь слабо замедляет ее рост. Но если поле наложить после образования наночастиц терофтала, причем всего на 10 минут, объем опухоли в течение недели уменьшится на 80%. Эти факты подчеркивают перспективность изучения эволюции наносистем в биологических средах.

 

25. Нанохимические технологии и охрана окружающей среды.

Экологическое направление нанохимии во многом связано с изучением поведения наночастиц в окружающей среде. Как выяснилось, значительная часть веществ окружающей среды перемещается в пространстве в виде наночастиц и их агрегатов. В атмосфере и гидросфере непрерывно образуются природные и техногенные аэрозоли и коллоиды. Они формируются и мигрируют в многофазных природных системах при циклическом изменении свойств среды. Выявление многофазности и цикличности, а также решение задач о миграции конкретных веществ в виде наночастиц и их агрегатов в окружающей среде – основные цели экологического направления. К этому направлению можно отнести также разработку способов очистки воздуха от аэрозолей и воды от коллоидов. Существующие способы обеспечивают очистку в 103 – 104 раз, а для обезвреживания аварийных выбросов на химических производствах или АЭС нужна очистка в 105 – 106 раз.

Глубокой очистки от наночастиц пытаются добиться с помощью фильтров, химически связывающих наночастицы, а также путем соосаждения с носителем. Например, установлено, что частицы CsI, которые могут образовываться при авариях на АЭС, можно извлечь из воздуха с помощью хлорида аммония. Если воздух, содержащий наночастицы, смешать с хлороводородом и аммиаком, то в смеси сформируются кристаллы NH4Cl, которые захватят наночастицы. Кристаллы быстро осядут, что приведет к очистке воздуха от наночастиц.

Для очистки газовых выбросов разрабатываются фильтрующие мембраны из наноструктурированных пористых материалов на основе оксида-гидроксида алюминия или оксида железа с размером наночастиц 10-500 нм. При прохождении воздуха через такую мембрану происходит каталитическое окисление органических примесей, обезвреживание бактерий, вирусов и пестицидов.

Рост темпов добычи нефти наносит непоправимый ущерб экологии. Аварии нефтяных танкеров, содержимое которых покрывает токсичной пленкой огромные площади в Мировом океане, несут катастрофическую опасность для всех биологических видов, обитающих в районе загрязнений.

Пока не придумано действенных способов сокращения попадания нефти в моря и океаны, ученые изобретают средства борьбы с уже разлившейся нефтью.

Создано особое «нанополотенце», эффективно очищающее воду от нефти и других углеводородных загрязнений.Оно состоит из специальных нановолокон, абсорбирующих количество нефти, в 20 раз превышающее собственный вес. Нановолокна состоят из множества мельчайших пор, которые по своей структуре напоминают капилляры, что позволяет им впитывать и удерживать жидкость. Водоотталкивающее покрытие не дает воде проникнуть через мембрану, но пропускает гидрофобные маслянистые жидкости, такие как нефть.

При этом технология производства « нанополотенец» достаточно проста. Они создаются примерно по тому же алгоритму, что и обычная бумага: суспензия из нановолокон высушивается, прессуется и получается тонкое бумажное полотенце. Автор изобретения Франческо Стеллаччи добился того, что новый материал может находиться оставить в воде на месяц или два и оставаться при этом сухим. Но в то же время, если в эту воду попадут загрязняющие вещества, они тут же будут абсорбированы. Если покрыть таким полотенцем наиболее рискованные зоны в районе нефтяных вышек, то экологическая безопасность обеспечивается заблаговременно, а не восстанавливается в экстренном порядке уже после разлива нефти.

 

26.Получение искусственных наноструктур на основе биомолекул. Моделирование наноструктур с использованием молекул нуклеиновых кислот.

Получение искусственных наноструктур на основе биомолекул - Основное внимание «мокрых технологий» обращено на конструирование и модификацию белковых молекул, известных своими способностями к самосборке. В белковых структурах, представляющих собой не что иное как биологические наноструктуры, происходят самые важные биологические реакции, протекающие в живой клетке. Примером белковой наноструктуры может служить пигмент-белковый комплекс реакционного центра фотосинтеза, в котором шесть молекул пигмента (хлорофилла) встроены в белковую матрицу с повторяющейся точностью до десятых долей ангстрема. Эти пигменты осуществляют процесс преобразования солнечной энергии в энергию разделенных зарядов с эффективностью 100% за счет исключительно быстрого переноса электрона между пигментами. Такая эффективность недоступна ни одному из современных технических устройств.

Природные биологические наноструктуры можно выделять, очищать, кристаллизовать и изучать, используя весь арсенал физических и химических методов. Экспериментальные исследования таких наноструктур сопровождаются квантово-физическими расчетами молекулярной динамики и взаимодействия электронов. Полученные таким образом знания о биологических наноструктурах и их устройстве можно использовать при синтезе их химических моделей, необходимых для нанотехнологий.

Способность биологических молекул объединяться в различные наноархитектурные ансамбли может обеспечивать превращение содержащейся в них информации в физико-химические сигналы. Поэтому выработанные в процессе эволюции принципы создания сложных функциональных систем можно применять для получения новых материалов. Биологические структуры могут быть использованы как поверхностные детекторы для организации связывания больших органических и неорганических блоков.

Вместе с тем надо помнить, что между агрегацией (сборкой) наночастиц биологического происхождения в биологические надструктуры и образованием искусственных атомарных или молекулярных наноагрегатов существует и принципиальное различие. Форма, химическое строение и рельеф поверхности биологических наноблоков (белков, нуклеиновых кислот), как правило, весьма строго определяют размеры и форму биологических надмолекулярных структур, возникающих в результате самосборки, в особенности если она происходит в живом организме (in vivo). В небиологической материи эти определяющие факторы выражены гораздо слабее, и их значение может колебаться в широких пределах.

Живые системы используют множество молекулярных машин, таких как молекулярные моторы (биомолекулы, регулирующие функционирование других биомолекул). Поэтому логично попытаться приспособить к нашим потребностям уже имеющиеся в природе механизмы, используя их для приведения в движение крошечных насосов, рычагов, зажимов. Концепцию «мокрых нанороботов» иногда именуют микробиороботами.

Американским исследователям, избравшим «подход самосборки», удалось синтезировать комплементарные нити ДНК, которые самоорганизуются в сложные структуры желаемой конфигурации. Использовав аналогичный подход, ученые генетически модифицировали природный биомотор, в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатазе. В результате был изготовлен первый гибридный наномотор с небиологическими элементами из 100-нанометровых полос азотистого кремния (рис. 63). Подобно микроскопическому пропеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту.

Как показывают предварительные оценки, механические системы смогут обеспечить более высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом, нежели системы биологические. Однако важным преимуществом последних является то, что зачастую их функциональные компоненты можно частично или целиком брать из уже имеющихся естественных живых систем, тем самым существенно сокращая время разработки.

Производство нанороботов сегодня затруднено по двум причинам: недостаточная разрешающая способность современных приборов и сложность проектирования схемотехнических решений. Эти проблемы возможно решить только при помощи самих нанотехнологий, т.е. для массовой сборки нанороботов нужны нанороботы, так как только они по своему предназначению могут предоставить необходимый инструментарий. На сегодняшний день разработки в этом направлении возможны лишь теоретически. Однако уже существуют макроскопические роботы, способные собрать себе подобного, а затем запрограммировать его.

Моделирование наноструктур с использованием молекул нуклеиновых кислот - Нанохимические технологии на основе нуклеиновых кислот – это направленное создание сложных трехмерных конструкций с регулируемыми свойствами, строительными элементами в которых являются двухцепочечные молекулы ДНК, предоставленные нам самой природой и обладающие уникальной структурой, физическими и химическими свойствами.

Очевидно, что создание подобных структур возможно только при высокоразвитой биотехнологической промышленности, которая обеспечит наличие синтетических молекул ДНК с известными свойствами, систем ферментативного расщепления, сшивания молекул ДНК, выбора, молекулы для сшивки и т. д.

Российские ученые предлагают использовать готовую молекулу ДНК и создавать на ее основе пространственную упорядоченную структуру, в которой содержится ряд молекул ДНК, упорядоченных спонтанно относительно определенных слоев. В силу физических свойств молекул ДНК такая система закручивается, образуя так называемый холестерический жидкий кристалл. Задача заключается в том, чтобы внутрь жидкого кристалла внести управляемый элемент. Осуществить ее можно, построив между молекулами ДНК плоский мост из комбинации молекул антибиотиков и ионов меди. Расстояние между молекулами может регулироваться. Важную роль в этой структуре играет комбинация из ионов меди, окруженных 4 атомами кислорода. У такой комбинации существуют специфические ферромагнитные свойства. Если такую конструкцию удастся создать, то все ее нанопараметры будут регулируемы и контролируемы. В результате реализации описанного подхода должны возникнуть структуры, состояющие из слоев молекул ДНК. В результате ранее жидкие кристаллы молекул ДНК становятся твердыми, трехмерными, но при этом сохраняются их аномальные оптические свойства. Возникают структуры с иными физическими свойствами по сравнению с исходными, ими можно будет управлять при помощи различных факторов. В частности, можно встраивать разные ионометаллы, антибиотики, причем процесс встраивания поддается регулированию.

Поскольку сконструированная система твердая, то ее изображение можно наблюдать в атомно-силовой микроскоп. Они представляют собой слегка вытянутые структуры, имеющие размер порядка 500 нанометров. В каждой такой частице могут содержаться гигантские концентрации молекул ДНК, антибиотика и ионов металла.

Такие наноструктуры могут применяться как биодатчики для определения соединений взаимодействующих с ДНК, как носители генетической информации, антибиотиков или иных встроенных элементов.

 

27.Создание искусственных наносистем, с использованием биологических прототипов.

 

28.Роль государства в стимулировании развития нанотехнологий, государственные программы, фонды, механизмы поддержки.

В России просматривается тенденция усиления государственной поддержки нанотехнологий по всем направлениям: формируются законодательные основы функционирования наноиндустрии; закладываются ключевые элементы инфраструктуры наноиндустрии (особого внимания заслуживает создание Национальной нанотехнологической сети (ННС)); осуществляется финансирование нанотехнологических проектов и разработок, характеризующихся высокой капиталоемкостью.

В России активное стимулирование развития нанотехнологий началось позже, чем в других странах. Нанонаука и нанотехнологии были включены в ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002—2006 годы», «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы». В 2007 г. была выдвинута президентская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии», а в следующем, 2008 г., правительство приняло «Программу развития наноиндустрии в РФ до 2015 года», была разработана Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008—2011 годы». В 2010 г. было принято Постановление Правительства РФ «О национальной нанотехнологической сети».
Пока Россия значительно отстает от мировых лидеров нанотехнологий как по показателям развития НИОКР, так и по коммерциализации изобретений. В настоящий момент доля России в общемировом технологическом секторе составляет около 0,3 %, а на рынке нанотехнологий — 0,04%. 

В структуре отгруженной продукции наноиндустрии нанопродукты составили 0,2%; продукты, содержащие нанокомпоненты – 4,3%; товары, работы и услуги, произведенные на базе технологических процессов с использованием нанотехнологий – 95,4%; специальное оборудование для наноиндустрии - статистически незначимая доля в 0,026%. При этом 96,6% товаров, произведенных с использованием нанотехнологий, относятся к производству кокса и нефтепродуктов.
Таким образом, российский рынок нанотехнологий находится на начальном этапе становления, коммерческие приложения нанотехнологий в промышленности незначительны. 

 

Часть II. Биотехнологии

 

1.Современное представление о биотехнологии.

Биотехноло́гия — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах — химической и информационной технологиях и робототехнике.

Под понятием “современная биотехнология” в настоящее время подразумевают чаще всего два наиболее крупных ее направления — генетическую и клеточную инженерию, которые охватывают основную часть этой сложной междисциплинарной технологии и имеют наиболее широкие потенциальные области применения. Именно здесь в последние 20 лет были достигнуты значительные успехи в разработке и производстве биологически активных веществ. Это, в первую очередь, создание промышленной технологии производства широкого ряда генно-инженерных препаратов инсулина, гормона роста человека, интерферонов, интерлейкинов, эритропоэтина, активатора тканевого плазминогена, ряда моноклональных антител и вакцин и многих других.

 

2.История развития биотехнологии  (допастеровкий и послепастеровкий периоды).

Допастеровская эра (до 1865 г.). В этот период биотехноло­гическими методами получали (путем использования спиртового и молочнокислого брожения) пиво, вино, хлебопекарные и пивные дрожжи, сыр. Получение ферментированных продуктов и уксуса.
Пастеровская эра (1866—1940 гг.). Стали известны микроор­ганизмы-продуценты, и это позволило создать производства этанола, бутанола, ацетона, глицерина, лимонной кислоты, многих вакцин, организовать процессы биологической очистки стоков аэробными микроорганизмами.

 

3.История развития биотехнологии  (эры антибиотиков и управляемого биосинтеза).

Эра антибиотиков (1941—1960 гг.). Были открыты пени­циллин, стрептомицин и многие другие антибиотики, разработа­на технология культивирования клеток животных и получение вирусных вакцин, технология биотрансформации стероидных гормонов.

Эра управляемого биосинтеза (1961—1975 гг.). Созданы техно­логии аминокислот, микробиологического белка на парафинах нефти, ферментов, используемых в стиральных порошках. Разра­ботана технология иммобилизации ферментов (закрепления их на носителях) для получения глюкозо-фруктозных сиропов. К аэроб­ной обработке стоков добавилась анаэробная обработка твердых отходов с получением биогаза. Открыт микробиологический спо­соб получения полисахаридов (начиная от ксантана для увеличе­ния вязкости раствора нефтяных скважин до жевательной резин­ки). В этот период стали серьезно говорить о газохоле и вообще о техническом спирте как топливе для автомобилей.

 

4.История развития биотехнологии (новейшая биотехнология).

С каждым днем научный мир подходит все ближе к  созданию искусственного человека. Уже сегодня есть возможность замены и восстановления большинства органов человеческого организма. Рассмотрим новейшие биотехнологии, которые в недалеком будущем будут служить на благо человека. 
-    искусственные глаза. Бионический глаз – это искусственный орган зрения, который состоит из вживленных в центр зрения электродов. Последние воспринимают на периферии импульсы от рецепторов. В качестве рецептора выступает камера, фокусирующая изображение. Она имплантирована в глаз человека. Таким образом, слепой человек сможет видеть, поскольку его мозг может обрабатывать полученную визуальную информацию. 
-    наращивание кости. Исследования методов наращивания костной ткани проводились еще в 1960-х, но лишь в 2005 году ученным удалось смоделировать белок, стимулирующий рост костной ткани в необходимых местах. 
-    искусственная поджелудочная железа. Изобретение ученых Института исследований ювенального диабета круглосуточно регулирует уровень сахара в крови, тем самым предотвращая возникновение осложнений у больных страдающих диабетом. 
-    новейшие биотехнологии помогают решить проблему почечной недостаточности. Больным этим недугом теперь не придется проводить дни напролет в больнице. Ученые разработали аппарат для гемодиализа, который в сотни раз меньше того, что установлен в больницах. Аппарат обеспечивает фильтрование круглосуточное крови.

 

5.Классификации биотехнологий.

В широком смысле биотехнология представляет собой пограничную между биологией и техникой научную дисциплину и сферу практики, изучающую пути и методы изменения окружающей человека природной среды в соответствии с его потребностями.

В узком смысле биотехнология - совокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов и явлений с помощью биологических агентов. В состав биотехнологии входят генная, клеточная и экологическая инженерии.

Поскольку биотехнология используется в различных отраслях промышленности и затрагивает многие сферы жизни человека, в мире принята следующая «цветовая» классификация биотехнологии:

* «красная» биотехнология - биотехнология, связанная с обеспечением здоровья человека и потенциальной коррекцией его генома, а также с производством биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител);

* «зеленая» биотехнология - направлена на разработку и создание генетически модифицированных (ГМ) растений, устойчивых к биотическим и абиотическим стрессам, определяет современные методы ведения сельского и лесного хозяйства;

* «белая» - промышленная биотехнология, объединяющая производство биотоплива, биотехнологии в пищевой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности;

* «серая» - связана с природоохранной деятельностью, биоремедиацией;

* «синяя» биотехнология - связана с использованием морских организмов и сырьевых ресурсов.

 

6.Основные направления развития и области применения биотехнологии.

Основными направлениями развития современных биотехнологий являются медицинские биотехнологии, агробиотехнологии и экологические биотехнологии. Новейшим и важнейшим ответвлением биотехнологии является генная инженерия.
Медицинские биотехнологии подразделяются на диагностические и лечебные. Диагностические медицинские биотехнологии в свою очередь разделяют на химические (определение диагностических веществ и параметров их обмена) и физические (определение особенностей физических процессов организма).
Химические диагностические биотехнологии используются в медицине давно. Но если раньше они сводились к определению в тканях и органах веществ, имеющих диагностическое значение (статический подход), то сейчас развивается и динамический подход, позволяющий определять скорости образования и распада представляющих интерес веществ, активность ферментов, осуществляющих синтез или деградацию этих веществ, и др. Кроме того, современная диагностика разрабатывает методы функционального подхода, с помощью которого можно оценивать влияние функциональных воздействий на изменение диагностических веществ, а следовательно, выявлять резервные возможности организма.
Биотехнологии широко используются в фармакологии. Начиная с XIX в. в фармакологии получают распространение синтетические химические препараты, а с середины XX в. и антибиотики — особые химические вещества, которые образуются микроорганизмами и способны оказывать избирательно токсическое воздействие на другие микроорганизмы. В конце XX в. фармакологи обратились к индивидуальным биологически активным соединениям и стали составлять их оптимальные композиции, а также использовать специфические активаторы и ингибиторы определенных ферментов, суть действия которых — в вытеснении патогенной микрофлоры невредной для здоровья людей микрофлорой (использование микробного антагонизма).
Биотехнологии помогают в борьбе современной медицины с сердечно-сосудистыми заболеваниями (прежде всего с атеросклерозом), с онкологическими заболеваниями, с аллергиями как патологическим нарушением иммунитета (способность организма защищать свою целостность и биологическую индивидуальность), старением и вирусными инфекциями (в том числе со СПИДом). Так, развитие иммунологии (науки, изучающей защитные свойства организма) способствует лечению аллергии. Иммунология, изучая клетки, осуществляющие иммунный ответ (иммуноциты), позволяет создавать новые подходы к лечению иммунологических, онкологических и инфекционных заболеваний.
Биотехнологическими способами производят витамины, диагностические средства для клинических исследований (тест-системы на наркотики, лекарства, гормоны и т.п.), биоразлагаемые пластмассы, антибиотики, биосовместимые материалы. Новая область биоиндустрии — производство пищевых добавок.
В XX в. произошла «зеленая революция» — за счет использования минеральных удобрений, пестицидов и инсектицидов удалось добиться резкого повышения продуктивности растениеводства. Но сейчас понятны и ее отрицательные последствия, например насыщение продуктов питания нитратами и ядохимикатами. Основная задача современных агробиотехнологий — преодоление отрицательных последствий «зеленой революции», микробиологический синтез средств защиты растений, производства кормов и ферментов для кормопроизводства и др. При этом упор делается на биологические методы восстановления плодородия почвы, биологические методы борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур, на переход от монокультур к поликультурам (что повышает выход биомассы с единицы площади сельхозугодий), выведение новых высокопродуктивных и обладающих другими полезными свойствами (например, засухоустойчивостью или устойчивостью к засолению) сортов культурных растений.
Биотехнологии используются при изготовлении пищевых продуктов из растительного и животного сырья, их хранении и кулинарной обработке, при производстве искусственной пищи (искусственной икры, искусственного мяса из сои, бобы которой богаты полноценным белком), при производстве корма для скота из продуктов, полученных из водорослей и микробной биомассы (например, получение кормовой биомассы из микробов, растущих на нефти).
Экологические биотехнологии - Биотехнологии выступают одним из важнейших способов решения экологических проблем. Они применяются для уничтожения загрязнений окружающей среды (например, очистка воды или очистка от нефтяных загрязнений), для восстановления разрушенных биоценозов (тропических лесов, северной тундры), восстановления популяций исчезающих видов или акклиматизации растений и животных в новых местах обитания.
Так, с помощью биотехнологий решается проблема освоения загрязненных территорий устойчивыми к этим загрязнениям видами растений. Выведение сортов растений с новыми свойствами — одно из направлений экологической биотехнологии.
Важные направления экологических биотехнологий — ресурсная биотехнология (использование биосистем для разработки полезных ископаемых), биотехнологическая (с использованием бактериальных штаммов) переработка промышленных и бытовых отходов, очистка сточных вод, обеззараживание воздуха, генно-инженерные экологические биотехнологии.
Биотехнологии успешно применяются в некоторых «экзотических» отраслях. Так, во многих странах микробная биотехнология используется для повышения нефтеотдачи. Микробиологические технологии исключительно эффективны и при получении цветных и благородных металлов. Если традиционная технология включает в себя обжиг, при котором в атмосферу выбрасывается большое количество вредных серосодержащих газов, то при микробной технологии руда переводится в раствор (микробное окисление), а затем путем электролиза из него получают ценные металлы.
Созданные биотехнологическими методами ферментные препараты находят широкое применение в производстве стиральных порошков, в текстильной и кожевенной промышленности.

Космическая биология и медицина изучают закономерности функционирования живых организмов, прежде всего человеческого, в условиях космоса, космического полета, пребывания на других планетах и телах Солнечной системы. Одним из важных направлений в этой области является разработка космических биотехнологий — замкнутых биосистем, предназначенных для функционирования в условиях длительного космического полета. Созданная отечественной наукой система такого рода способна обеспечить жизнедеятельность космонавтов в течение 14 лет. Этого вполне достаточно для реализации космической мечты человечества — полета к ближайшим планетам Солнечной системы, прежде всего к Марсу.
Генная инженерия открыла перспективы конструирования новых биологических организмов — трансгенных растений и животных с заранее запланированными свойствами. По сути, непреодолимых природных ограничений для синтеза генов нет (так, существуют программы по созданию трансгенной овцы, покрытой вместо шерсти шелком; трансгенной козы, молоко которой содержит ценный для человека интерферон; трансгенного шпината, который вырабатывает белок, подавляющий ВИЧ-инфекции, и др.). Возникла новая отрасль промышленности — трансгенная биотехнология, занимающаяся конструированием и применением трансгенных организмов. (Сейчас в США функционирует уже около 2500 генно-инженерных фирм.)
 

7.Технология  создания рекомбинантной ДНК.

Генетическая инженерия - конструирование in vitro функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе - создание искусственных генетических программ (Баев А.А.). По Э.С. Пирузян генетическая инженерия - система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем (в пробирке) искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных или гибридных молекул ДНК.

Генетическая инженерия - получение новых комбинаций генетического материала путем проводимых вне клетки манипуляций с молекулами нуклеиновых кислот и переноса созданных конструкций генов в живой организм, в результате которого достигается их включение и активность в этом организме и у его потомства. Речь идет о направленном, по заранее заданной программе конструировании молекулярных генетических систем вне организма с последующим введением их в живой организм. При этом рекомбинантные ДНК становятся составной частью генетического аппарата рецепиентного организма и сообщают ему новые уникальные генетические, биохимические, а затем и физиологические свойства.

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека. Например, получение «биологических реакторов» - микроорганизмов, растений и животных, продуцирующих фармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений и пород животных с определёнными ценными для человека признаками. Методы генной инженерии позволяют провести генетическую паспортизацию, диагностировать генетические заболевания, создавать ДНК-вакцины, проводить генотерапию различных заболеваний.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

• - специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;
• - быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;
• - конструирование рекомбинантной ДНК;
• - гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью, основанную на их способности связывать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот;
• - клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;
• - введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.

Конструирование рекомбинантных молекул осуществляется с помощью ряда ферментов - прежде всего ферментов рестрикции. В настоящее время используется свыше 400 различных рестриктаз. Эти ферменты синтезируют самые разнообразные микроорганизмы.

Рестриктазы узнают и расщепляют специфические нуклеотидные последовательности в двухцепочечной молекуле ДНК. Однако одних ферментов рестрикции при молекулярном клонировании недостаточно, так как водородные связи между четырьмя основаниями, которые образуют липкие концы, не столь прочны, чтобы удержать два объединившихся фрагмента ДНК.

Одна часть рекомбинантной молекулы ДНК несет нужный ген, который предполагается клонировать, другая - содержит информацию, необходимую для репликации в клетке рекомбинантной ДНК.

 

8.Ферменты, используемые в генетической инженерии.

Основные ферменты: рестриктазы, лигазы, полимеразы.

Генетическая инженерия - потомок молекулярной генетики, но своим рождением обязана успехам генетической энзимологии и химии нуклеиновых кислот, так как инструментами молекулярного манипулирования являются ферменты. Если с клетками и клеточными органеллами мы подчас можем работать микроманипуляторами, то никакие, даже самые мелкие микрохирургические инструменты не помогут при работе с макромолекулами ДНК и РНК. Что же делать? В роли "скальпеля", "ножниц" и "ниток для сшивания" выступают ферменты.

Только они могут найти определенные последовательности нуклеотидов, "разрезать" там молекулу или, наоборот, "заштопать" дырку в цепи ДНК. Эти ферменты издавна работают в клетке, выполняя работы по репликации (удвоению) ДНК при делении клетки, репарации повреждений (восстановлению целостности молекулы), в процессах считывания и переноса генетической информации из клетки в клетку или в пределах клетки. Задача генного инженера - подобрать фермент, который выполнил бы поставленные задачи, то есть смог бы работать с определенным участком нуклеиновой кислоты.

Следует отметить, что ферменты, применяемые в генной инженерии, лишены видовой специфичности, поэтому экспериментатор может сочетать в единое целое фрагменты ДНК любого происхождения в избранной им последовательности. Это позволяет генной инженерии преодолевать установленные природой видовые барьеры и осуществлять межвидовое скрещивание.

Ферменты, применяемые при конструировании рекомбинантных ДНК, можно разделить на несколько групп:

- ферменты, с помощью которых получают фрагменты ДНК (рестриктазы);

- ферменты, синтезирующие ДНК на матрице ДНК (полимеразы) или РНК (обратные транскриптазы);

- ферменты, соединяющие фрагменты ДНК (лигазы);

- ферменты, позволяющие осуществить изменение структуры концов фрагментов ДНК.

 

9.Общая характеристика векторных систем.

Биологические (биотехнологические) векторы – это биологические структуры, способные вносить чужеродный генетический материал в клетку: плазмиды, бактериофаги, вирусы. Термин "вектор" применяется в науке обычно в тех случаях, когда надо подчеркнуть существование определённого направления. Так что уже по смыслу термина можно понять, что биологические векторы направляют искуственно внедрённую в них ДНК в интактные клетки-мишени. Для введения небольшого количества ДНК в древние прокариотические безядерные клетки обычно используют плазмиды, и этот процесс совершается с помощью хлорида кальция (CaCl2). Такая плазмидная система биовекторов работает очень хорошо для небольшого количества генетического материала, т.к. сами плзмиды - это небольшие молекулы. А вот для более крупных генов уже требуются другие векторы.

Биологические (биотехнологические) векторы – это биологические структуры, способные вносить чужеродный генетический материал в клетку. К ним относятся: 1) плазмиды, 2) бактериофаги, 3) вирусы.

Эти биовекторы используются для переноса в чужую клетку искусственно изменённой ДНК, которая называется рекомбинантной.

Рекомбинантная ДНК - это модифицированная молекула ДНК, полученная за счёт объединения ин витро («в пробирке», в искусственных условиях) разнородых фрагментов ДНК, которые нигде в природе не существуют совместно.

Например, рекомбинантной ДНК называют плазмиду, в которую встроен участок ДНК, чужеродной для бактерии.

Плазмиды (эписомы) - это отдельные кольцевые молекулы ДНК у бактерий, которые определяют внехромосомную наследственность бактериальной клетки и предсталяют собой генетический элемент, способный к длительному автономному существованию и репликации. Обычно это двухцепочечная кольцевая ДНК длиной 1-200 т.п.н. (тысяч пар нуклеотидов). Количество плазмид у бактерии может быть разное, и чем больше плазмид, тем они мельче. Плазмиды передают генетическую информацию от "своих" бактерий всем другим бактериям, даже если эти бактерии относятся к другим семействам. Они содержат информацию о ферментах, обеспечивающих приспособление к использованию конкретного субстрата в качестве источника питания или о ферментах, обеспечивающих устойчивость бактерий к различным неблагоприятным факторам среды: антибиотикам, ксенобиоикам и пр. Обычно плазмиды захватываются бактериями из окружающей среды и используются ими уже в качестве своих собственных дополнительных источников генетической информации. Т.к. бактерии в норме захватывают плазмиды из окружающей среды, то плазмиды используются в биотехнологии в качестве векторов: в них встраивают нужные гены и таким образом эти гены вместе с плазмидой внедряются в бактерию и начинают в ней действовать.

В качестве векторов в биотехнологии используются не только плазмиды, но также вирусы и бактериофаги.

Бактериофаг  – вирус, способный паразитировать в бактериальных клетках.

Вирусы, вызывающие гибель (лизис) инфицированных бактерий, известны как литические бактериофаги (фаги). Так называемые умеренные бактериофаги встраивают собственную ДНК в хромосому бактерии. Синтез вирус-специфических белков и нуклеиновых кислот у таких фагов подавлен специфическим репрессором, поэтому бактерия не погибает и становится «иммунной» к повторному заражению (лизогения). Ассоциация фаговой ДНК сгеномом бактерии способна качественно изменять антигенные или морфологические свойства бактериальной клетки, обуславливать синтез факторов вирулентности (лизогенная конверсия). ДНК умеренных вирусов реплицируется синхронно с размножением лизогенной бактерии, но иногда (примерно в одной из 102–105подобных бактерий) фаг начинает спонтанно размножаться и лизировать клетку. Размножаясь в клетке, некоторые умеренные бактериофаги способны захватывать гены бактерии и, инфицируя другие клетки, передавать гены новому хозяину (трансдукция). Трансдуцирующие фаги переносят только бактериальную ДНК (общая трансдукция) или вирусную ДНК, участок которой замещен на бактериальную ДНК (специфическая трансдукция). Такие фаги не способны образовывать дочерние популяции, т. е. являются дефектными. Дефектные фаги используют в генной инженерии в качестве векторов. Исследования на бактериофагах позволили разрешить ряд важнейших проблем молекулярной биологии и молекулярной генетики. На модели бактериофагов было доказано, что материальным носителем наследственности является ДНК; были открыты феномены модификации-рестрикции, транскрипции; проведены исследования по изучению репликации, рекомбинации, морфогенезу. В основу классификации фагов положены антигенная структура, морфология фагов, спектр действия, химический состав и др. Большинство фагов относится к ДНК-содержащим вирусам с нуклео-капсидом, организованным по принципу смешанной симметрии. По спектру действия выделяют типовые фаги (Т-фаги), лизирующие бактерии отдельных типов внутри вида; моновалентные фаги, лизирующие бактерии одного вида; и поливалентные фаги, лизирующие бактерии нескольких видов.

Бактериофаг phi29 обладает сложной системой для упаковки ДНК в капсид. Этот хорошо изученный наномотор можно химически и генетически модифицировать для того, чтобы встроить его в липосомальную мембрану и использовать в системах доставки лекарственных средств для их контролируемого высвобождения в патологическом очаге. На основе массивов из модифицированных наномоторов, распознающих различные биомаркеры, разрабатываются чувствительные сенсоры для in vitro диагностики.

Бактериофаги (их капсиды), так же как и другие вирусы, могут быть использованы как строительные леса, задающие определенное пространственное расположение небиогенным наночастицам. Подобные «строительные леса» позволяют не только создавать планарные структуры определенной формы и размера, но и перейти к проектированию и созданию трехмерных наноконструкций, таких сложных, как тетраэдр или сфера. В результате могут быть получены наноструктуры или материалы с новыми полезными свойствами для применения в самых различных областях нанотехнологий.

10.Технологии получения трансгенных растений.

Технология получения трансгенных растений включает 3 принципиальных момента:
Поиск и выделение чужеродной ДНК, содержащий нужный нам ген 
Создание вектора, т.е. такой конструкции, которая обеспечивает экспрессию (работу) нужного нам чужеродного гена
Наличие способа введения вектора внутрь растения-хозяина.

 

Получение трансгенных растений является на данный момент одной из перспективных и наиболее развивающихся направлений агропроизводства. Существуют проблемы, которые не могут быть решены такими традиционными направлениями как селекция, кроме того, что на подобные разработки требуются годы, а иногда и десятилетия. Создание трансгенных растений, обладающих нужными свойствами, требует гораздо меньшего времени и позволяет получать растения с заданными хозяйственно ценными признаками, а также обладающих свойствами, не имеющими аналогов в природе. Примером последнего могут служить полученные методами генной инженерии сорта растений, обладающих повышенной устойчивостью к засухе.
Создание трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям:
1. Получение сортов сельскохозяйственных культур с более высокой урожайностью
2. Получение сельскохозяйственных культур, дающих несколько урожаев в год (например, в России существуют ремантантные сорта клубники, дающие два урожая за лето)
3. Создание сортов сельскохозяйственных культур, токсичных для некоторых видов вредителей (например, в России ведутся разработки, направленные на получение сортов картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок)
4. Создание сортов сельскохозяйственных культур, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям (например, были получены устойчивые к засухе трансгенные растения, имеющие в своем геноме ген скорпиона)
5. Создание сортов растений, способных синтезировать некоторые белки животного происхождения (например, в Китае получен сорт табака, синтезирующий лактоферрин человека)
Таким образом, создание трансгенных растений позволяет решить целый комплекс проблем, как агротехнических и продовольственных, так и технологических, фармакологических и т.д. Кроме того, уходят в небытие пестициды и другие виды ядохимикатов, которые нарушали естественный баланс в локальных экосистемах и наносили невосполнимый ущерб окружающей среде.

 

11.Использование генетической инженерии в животноводстве.

Генетическую инженерию предполагают использовать с целью изменения ряда свойств организма: повышения продуктивности, резистентности к заболеваниям, увеличения скорости роста, улучшения качества продукции и других. Животных, несущих в своем геноме рекомбинантный ген, принято называть трансгенными, а ген, интегрированный в геном реципиента – трансгеном. Продукт этого гена (белок) является трасгенным.
Получение трансгенных животных предусматривает ряд этапов: приготовление раствора ДНК для микроинъекции, извлечение эмбрионов из донорных организмов, микроинъекция ДНК и пересадка инъецированных эмбрионов в яйцеводы или, после культивирования, в матку синхронизированных реципиентов. У родившегося потомства исследуют экспрессию трансгена на уровне транскрипции и трансляции.

Для трансформирования генов используют следующие приемы:

– микроинъекцию ДНК в пронуклеус зигот или в два пронуклеуса;

– введение ДНК с помощью ретровирусных векторов;

– получение трансгенных химер из генетически трансформированных клеток.

Наиболее распространена микроинъекция. Ее осуществляют с помощью специальной пипетки (внутренний диаметр около 1 мкм), количество инъецируемого раствора ДНК около 1…2 пкл (10-9). После инъекции ДНК эмбрионы культивируют до момента пересадки реципиентам. Затем хирургическим путем эмбрионы переносят в яйцеводы. Каждому реципиенту мыши, кролика и свиньи обычно пересаживают от 20 до 30 инъецированных зигот, причем у свиней все эмбрионы транс плантируют в один яйцевод, у мышей и кроликов – раздельно по яйцеводам. Реципиенту овец, коз и крупного рогатого скота пересаживают по 2…4 эмбриона раздельно по яйцеводам.
Генетический анализ родившихся трансгенных животных и полученного от них потомства показал, что, несмотря на инъекцию ДНК на ранних стадиях, в трансгенных линиях могут появляться так называемые мозаики. К мозаикам относят животных, происходящих из одной зиготы, но имеющих разные генотипы. Помимо клеточных линий, содержащих трансген, они имеют еще и нетрансгенные клеточные линии. Около 30 % первичных трансгенных животных – мозаики, что затрудняет создание чистых трансгенных линий животных. Часть мозаик вообще не может дать начало трансгенным линиям, так как у них отсутствует передача трансгена по наследству.
Одной из задач сельскохозяйственной биотехнологии является создание животных-биореакторов – продуцентов биологически активных веществ. Интерес представляют гены, кодирующие белки каскада гормона роста: непосредственно гормон роста (ГР), релизинг-фактор гормона роста (РФ), инсулиноподобный фактор гормона роста (ИФГР).

Другая задача сельскохозяйственной биотехнологии – создание трансгенных животных, устойчивых к заболеваниям. Ведутся работы в этом направлении, показано, что защитные механизмы от инфекционных заболеваний обусловлены либо препятствием вторжению возбудителя, либо изменением рецепторов.
В медицине трансгенные животные используются для получения биологически активных соединений, за счет включения в клетки организма генов, вызывающих у них синтез новых белков.
Для молочной промышленности ведется целенаправленная трансгенная экспрессия в эпителиальные клетки молочной железы с целью выхода белков с молоком. Молочная железа – хороший продуцент чужеродных белков, которые можно получать из молока и использовать в фармацевтической промышленности. Из молока трансгенных животных извлекают следующие рекомбинантные белки: человеческий белок С, антигемофильный фактор IX, α-1-антитрипсин, тканевой плазменный антиватор, лактоферрин, сывороточный альбумин, урокиназу и химозин. Исследования проводятся на мышах.

Создание клеточных культур и их выращивание в промышленных реакторах, а также выведение трансгенных животных и их обслуживание – дорогие и сложные процедуры. Однако, трансгенные животные легко размножаются, содержание их сравнительно дешево, что делает их хорошими продуцентами разнообразных белков с низкой стоимостью.

 

12.Метод культуры изолированных тканей и клеток. Общая характеристика.

Культура изолированных тканей и клеток - это метод выращивания отделенных от организма тканей и клеток на соответствующих питательных средах в условиях стерильности. Основателями этого метода являются американские ученые Р. Харрисон (1907) и А. Каррель (1912). Методы выращивания растительных тканей были разработаны значительно позже Ф. Уайтом и Р. Готра.

В культуре изолированные клетки и ткани сохраняют характерные свойства того вида, из которого они были взяты. Это обусловлено стабильностью их основных генетических характеристик, ведь соматические клетки имеют такой же генотип, как зигота, из которой они возникли. В основном клетки сохраняют способность к специфическим для определенного вида синтезов. Например, клетки почек человека ип уииго могут синтезировать урокиназу, клетки млекопитающих - противовирусный белок интерферон, а клетки женьшеня - фармакологически активные соединения, которые имеют значительный стимулирующий эффект. Кроме того, в культуре тканей адекватно отражаются также комплексные физиологические свойства вида, такие как устойчивость к низким температурам. Так, каллусных клетки лимона оказываются неустойчивыми к низким температурам, а клетки яблони сибирской и ели выдерживают промораживания до -50 ° С.

Методы культивирования клеток аналогичные методам культивирования микроорганизмов. Культура изолированных тканей приобретает все более широкое применение и дает ценные для человека продукты. Так, в Украине работают биотехнологические производства по получению женьшеня на основе культуры тканей.

 

 

 

 

13.Условия выращивания культур изолированных клеток и тканей растений.

Условия культивирования и, в частности, нарушение гормонального баланса питательной среды - одна из причин возникновения генетического разнообразия культивируемых клеток вследствие нарушения клеточного цикла, в частности митоза. От соотношения фитогормонов, входящих в состав питательных сред, во многом зависит цитогенетическая структура клеточных популяций. Однако морфологическая и цитогенетическая разнокачественность клеточных популяций может возникнуть и вследствие влияния отдельных компонентов питательной среды: некотоҏыҳ минеральных солей, сахарозы или другого источника углеродного питания, витаминов, растительных экстрактов, а также от режима выращивания. Длительное культивирование клеток in vitro также способствует повышению генетического разнообразия сомаклонов. Причем для некотоҏыҳ видов показано, что, несмотря на присутствие в культуре клеток разной плоидности, регенерировавшие растения были преимущественно диплоидными. Это явление было объяснено тем, что в процессе культивирования отбирались растения-регенеранты с более или менее нормальной морфологией, которые регенерировали, как правило, в первую очередь.

 

14.Использование каллусных и суспензионных культур для получения вторичных метаболитов.

Растения издавна используются не только для производства продуктов питания, но и как источник различных химических соединений, число которых в настоящее время достигло 2 . 104. Среди веществ, синтезируемых растением, выделяют группу так называемых "вторичных метаболитов", то есть компонентов клетки, не являющихся необходимыми для ее выживания. К их числу относятся алкалоиды, гликозиды, стероиды, терпены, флавоноиды и другие вещества. Вторичные метаболиты нашли широкое применение в народном хозяйстве в качестве лекарственных средств , природных пестицидов , пищевых добавок , красителей и отдушек. 
Химический и микробиологический синтез ряда химических соединений не всегда дает положительные результаты в сравнении с получением их из растительного сырья. Новые возможности для производства вторичных метаболитов открывает культивирование растительных клеток in vitro. Установлено, что в культуре клеток in vitro способность к синтезу вторичных метаболитов сохраняется. Преимущество этого способа в сравнении с традиционным получением из растительного сырья заключается в независимости от погодных условий, высоком выходе и качестве продукции, возможности организации промышленного производства. Конечным критерием в таком случае является рентабельность производства химических соединений.
Для культивирования суспензионной культуры с целью производства вторичных метаболитов используют закрытые или открытые системы в периодическом или проточном режимах. В закрытой системе при периодическом режиме выращивания, клеточная масса остается закрытой в определенном объеме среды до конца выращивания. В закрытой непрерывной культуре в систему периодически подается свежая питательная среда, а старая удаляется в том же объеме. Клетки при этом остаются в системе в течение всего цикла выращивания.
В открытые проточные культуры периодически (или непрерывно) поступает свежая питательная среда, однако отбирается не только старая среда, но и часть урожая клеточной массы.
Наиболее изученным и распространенным режимом культивирования клеточных суспензий является закрытая периодическая система. В этом случае для аэрации и перемешивания используют роллеры, качалки, ферментеры, где аэрация осуществляется механическими мешалками или воздушным потоком.
Для промышленного выращивания суспензионной культуры растений служат ферменты, которые обеспечивают стерильность условий культивирования, регулирование факторов среды (температура, газовый состав, освещенность и др.) на различных этапах развития суспензионной культуры и возможность контролировать путем отбора проб продуктивность биомассы и синтез вторичных метаболитов.
Деление клеток, приводящее к увеличению клеточной биомассы, и синтез вторичных метаболитов разобщены во времени. Синтез вторичных метаболитов возрастает в фазе замедленного роста клеточной популяции и достигает максимума в стационарной фазе.
Для получения вторичных метаболитов возможно культивирование не только суспензионных клеток, но и каллуса на твердой питательной среде (например, каллуса женьшеня и других лекарственных растений). Технология производства биомассы женьшеня из каллуса освоена на Бобруйском гидролизном заводе.

 

15.Клональное микроразмножение растений.

Достижения в области культуры клеток и тканей привели к созданию принципиально нового метода вегетативного размножения - клонального микроразмножения. Клональное микроразмножение - получение in vitro, неполовым путем, генетически идентичных исходному экземпляру растений. В основе метода лежит уникальная способность растительной клетки реализовывать присущую ей тотипотентность. Термин "клон" был предложен в 1903 году Уэбстером (от греческого klon - черенок или побег, пригодный для размножения растений). В соответствии с научной терминологией клонирование подразумевает получение идентичных организмов из единичных клеток. Этот метод имеет ряд преимуществ перед существующими традиционными способами размножения:

• получение генетически однородного посадочного материала;
• освобождение растений от вирусов за счет использования меристемной культуры;
• высокий коэффициент размножения (105 - 106 - для травянистых, цветочных растений, 104 - 105 - для кустарниковых древесных растений и 104 - для хвойных);
• сокращение продолжительности селекционного процесса;
• ускорение перехода растений от ювенильной к репродуктивной фазе развития;
• размножение растений, трудно размножаемых традиционными способами;
• возможность проведения работ в течение всего года;
• возможность автоматизации процесса выращивания.

Пионером клонального микроразмножения считается французский ученый Жан Морель, который в 50-х годах двадцатого века получил первые растения - регенеранты орхидей. В это время техника культивирования апикальных меристем in vitro была уже хорошо разработана. Как правило, исследователи в качестве первичного экспланта использовали верхушечные меристемы травянистых растений: гвоздики, хризантемы, подсолнечника, гороха, кукурузы и т.д. В нашей стране работы по клональному микроразмножению были начаты в 30-х годах в лаборатории культуры тканей и морфогенеза ИФРа. Под руководством Р.Г.Бутенко были изучены условия микроразмножения картофеля, сахарной свеклы, гвоздики, герберы и др. растений и предложены промышленные технологии. В дальнейшем исследования по клональному микроразмножении охватили и древесные растения.

Первые работы по культуре тканей древесных растений были опубликованы в середине 20-х годов нашего столетия и связаны с именем Готре, который показал, что камбиальные ткани некоторых растений способны к каллусогенезу in vitro. Но первые растения - регенеранты осины, доведенные до почвенной культуры, были получены лишь в середине 60-х годов Матесом.

Процесс клонального микроразмножения можно разделить на несколько этапов:
1 Выбор растения - донора, изолирование и стерилизация эксплапта, создание условии для его роста на питательной среде ин витро.
2. Собственно размножение путем:
а) размножения чероз каллусную и суспензионную культуру;
б) индукции образования адвентивных почек тканями листа, стебля, чешуйками и донцем луковиц, корневищем, зачатками соцветий- без образования ими каллусной ткани;
в) стимуляции развития всех пазушных почек экспланта в результате подавления апикального доминирования как химическим путем, так и при микрочеренковании побегов.
3. Укоренение размножаемых побегов и адаптация пробирочных растений к условиям ин витро.
4. Выращивание извлеченных из культуральных сосудов растений в условиях теплицы в почве. Подготовка к реализации или высадке в поле.

 

Преимущества клонального микроразмножения растений: 
1. Значительно более высокие коэффициенты размножения, достигающие миллиона растений в год, по сравнению с 5-100 растениями от одного, полученными обычными способами за этот срок.
2. Миниатюризация процесса, приводящая к экономии площадей, занятых маточными и размножаемыми растениями, и позволяющая поддерживать на относительно небольшой площади в лабораторных условиях круглогодичный рост растений, что дает возможность планировать их выпуск к определенному сроку.
3. Оздоровление посадочного материала oт нематод, грибов, бактерий и вирусов, вызывающих болезни растений.
4. Возможность создания нужного для селекционера количества копий уникальных генотипов (линий, гибридов, мутантов, трансгенных растений).
5. Возможность размножить и укоренить те растения, которые совсем не размножаются или плохо размножаются обычными способами, например, быстрое клональное размножение лучших экземпляров взрослых лесных деревьев, особенно хвойных. Таким образом, имеется реальная возможность создания «банка» или коллекции ценных форм оздоровленных сортов, а также редких и исчезающих видов растении путем длительного хранения пробирочных растении при пониженной температуре.

16.Изолированные протопласты, получение и применение.

Получение

Протопласт - клетка, лишенная целлюлозной оболочки, окруженная цитоплазматической мембраной, сохраняющая все свойства, присущие растительной клетке. Впервые протопласты в 1892 г. выделил Дж. Клеркер, который использовал механический способ. При этом способе у плазмолированных клеток разрезают клеточную стенку, протопласты выходят в среду. В настоящее время метод претерпел модификации, улучшен, но имеет ряд ограничений:

• невысокая производительность,
• можно использовать ткани только с экстенсивным плазмолизом,
• трудоемкость и длительность.

Другой метод выделения протопластов - энзиматический, с использованием ферментов. В 1952 году Салтон с помощью фермента лизоцима впервые разрушил клеточную стенку бактерий. В 1960 году Коккинг обработал кончики корней томата гидролитическим ферментом из культуральной жидкости плесневых грибов (Myrothecium verrucaria) и впервые получил изолированные протопласты высших растений энзиматическим способом.

Преимущества энзиматического метода по сравнению с механическим:

• одновременно выделяется большое количество протопластов (до 10 млн. из грамма ткани или клеток),
• клетки не подвергаются сильному осмотическому стрессу,
• клетки не повреждаются,
• метод сравнительно быстрый.

Для удаления клеточной стенки используют ферменты трех типов: целлюлазы, гемицеллюлазы и пектиназы. Комбинация ферментов и их соотношение специфично для каждого типа клеток.

Выделение протопластов проводят в три этапа:

1. обработка ферментами,
2. выделение протопластов из клеточных стенок,
3. отделение интактных протопластов от клеточных осколков.

Метод флотации предложен О. Гамборгом с сотрудниками в 1981 году, и предназначается для ослабленных протопластов. Он основан на том, что протопласты имеют более низкую плотность, чем органеллы или остатки клеточных стенок. К исходной смеси добавляют раствор сахарозы и центрифугируют при скорости от 40 – 80 до 350 g. Чистые протопласты плавают, осколки оседают на дно.

Протопласты можно выделять также из суспензионных и клеточных культур. Лучше всего - в поздней стадии логарифмического роста, когда клеточные стенки легче поддаются разрушению, протопласты наиболее жизнеспособны.

Далее протопласты культивируют в тех же условиях, что и клетки. Состав солей может быть несколько изменен. Среда состоит из осмотического стабилизатора, неорганических соединений, источника углерода, азота, витаминов, фитогормонов. Условия культивирования: рН среды 5,4 - 5,8, температура 22 - 28оС, невысокая освещенность (не более 2000 лк).

Применение изолированных протопластов

Протопласты являются уникальной моделью для изучения фундаментальных физиологических проблем у растений. Они незаменимы при изучении состава, структуры и функционирования плазмалеммы в норме и при воздействии на нее гормонами, ингибиторами, фитототоксинами, а также при взаимодействии самих протопластов в популяции. Кроме того, протопласты могут использоваться для определения состава и архитектоники первичной клеточной стенки и изучения механизма ее репарации после разрушения.

И протопласты имеют ряд областей применения, как теоретического, так и прикладного характера:

1. Изучение химии и структуры клеточной стенки (и при разрушении, и при синтезе «de novo»).

2. Изучение свойств плазмалеммы, трансмембранных перемещений.

3. «Мягкое» выделение органелл.

4. Наблюдение за закономерностями дифференцировки клеток при слиянии протопластов, отслеживание взаимодействия ядра и цитоплазмы в полученной гибридной клетке, изучение соматических гибридов.

5. Введение чужих органелл.

6. Введение чужеродных генов в растительную клетку (трансгенез).

 

17.Основные понятия инженерной  энзимологии (ферменты, их источники и применение).

Инженерная энзимология - это новое научнотехническое направление, появление которого связано с необходимостью интенсификации биотехнологических процессов.
Задачи инженерной энзимологии - конструирование органических катализаторов (энзимов) с заданными свойствами на основе ферментов и полиферментных систем, выделенных из клеток или находящихся в них.
Термин "заданные свойства" имеет в виду, что эти свойства задаются практическими потребностями в данном катализаторе, условиями проведения ферментативного процесса, специфичностью, необходимой производительностью и т.д.
Инженерная энзимология основана на принципах органического и ферментативного катализа, химической технологии, биотехнологии и биохимии и со времени своего зарождения целиком обращена к практике.
Хотя основная направленность современной инженерной энзимологии - использование каталитической активности иммобилизованных (см. ниже) ферментов и клеток, ее рамки гораздо шире. Цель этой дисциплины - разработка научных основ применения ферментных катализаторов для создания новых биотехнологических производств, новых методов в диагностике и терапии, органическом синтезе и др., а также решение фундаментальных проблем энзимологии при помощи иммобилизованных ферментов.

Практические разработки в области инженерной энзимологии связаны с решением следующих задач:
· получением нового продукта;
· улучшением качества известного продукта;
· повышением экономичности биотехнологического процесса.

Иммобилизованные ферменты.

Ферменты в качестве биологических катализаторов применяются в различных отраслях промышленности - пищевой, текстильной, фармацевтической, кожевенной, в медицине, сельском хозяйстве, в тонком органическом синтезе и т.д. Более широкое использование ферментов в биотехнологии до последнего времени сдерживалось вследствие ряда причин, а именно:
· трудоемкости отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции;
· нестабильности ферментов при хранении и при действии различных факторов;
· высокой стоимости чистых ферментных препаратов.

Иммобилизация фермента - это методический прием, при котором молекулу биокатализатора включают в какую-либо фазу, отделенную от фазы свободного раствора, но способную обмениваться с ней молекулами субстрата, эффектора или ингибитора. В качестве такой фазы может применяться, например, уголь (это установлено еще в 1916 г. Дж. Нельсоном и Е. Гриффином). В 1959 г. был применен принципиально новый методический прием - ковалентное связывание. С этого времени и ведется целенаправленная разработка гетерогенных катализаторов на основе ферментов.
Иммобилизованные ферменты имеют существенные преимущества. Так, например, они легко отделимы от реакционной среды. Это дает возможность остановить реакцию в любой момент, получить продукт, незагрязненный катализатором, и использовать ферментный препарат многократно. Иммобилизованные ферменты технологичны, что определяется возможностью вести биотехнологический процесс непрерывно и регулировать скорость катализируемой реакции и выход продукта путем изменения скорости протока. Подбором соответствующих носителей и методов иммобилизации можно целенаправленно модифицировать такие свойства ферментов, как специфичность, рН- температурозависимость, а также стабильность фермента при денатурирующих воздействиях.
Успешное использование иммобилизованных ферментов в значительной мере определяется выбором подходящего сочетания носителя и метода иммобилизации, а также знанием кинетики реакций с участием таких катализаторов.

Применение иммобилизованных ферментов.

Иммобилизованные ферменты можно использовать, главным образом, в трех направлениях:

1. Анализ различных веществ, в качестве лечебных средств и биокатализаторов для использования в биотехнологических производствах.

2. Лечебные средства. Такие средства применяются либо в том случае, когда необходимый фермент отсутствует в тканях, вследствие генетических или других нарушений, либо в качестве агентов, разрушающих нежелательные компоненты, например, мочевину. Использование чужеродных (бактериальных) ферментов зачастую нежелательно, вследствие того, что они могут стать причиной аллергических реакций и, кроме того, они крайне неустойчивы. Иммобилизация позволяет обойти эти барьеры, так как она повышает стабильность фермента и препятствует его взаимодействию с иммунной системой макроорганизма. Например, в аппарате "искусственная почка", предназначенном для освобождения крови от различных шлаков, в том числе и мочевины, путем ультрафильтрации, используется колонка с иммобилизованной уреазой. Ферменты применяют в лечебных целях и тогда, когда они необходимы, но по причине различных патологических процессов отсутствуют, например, для растворения кровяных тромбов.

3. Применение в различных производствах. Иммобилизованные ферменты широко используются в бумажной, текстильной, химической и фармацевтической промышленности, а также для обработки сточных вод.

 

18.Иммобилизованные ферменты,  технологии получения и применение.

Иммобилизованные ферменты.

Ферменты в качестве биологических катализаторов применяются в различных отраслях промышленности - пищевой, текстильной, фармацевтической, кожевенной, в медицине, сельском хозяйстве, в тонком органическом синтезе и т.д. Более широкое использование ферментов в биотехнологии до последнего времени сдерживалось вследствие ряда причин, а именно:
· трудоемкости отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции;
· нестабильности ферментов при хранении и при действии различных факторов;
· высокой стоимости чистых ферментных препаратов.

Иммобилизация фермента - это методический прием, при котором молекулу биокатализатора включают в какую-либо фазу, отделенную от фазы свободного раствора, но способную обмениваться с ней молекулами субстрата, эффектора или ингибитора. В качестве такой фазы может применяться, например, уголь (это установлено еще в 1916 г. Дж. Нельсоном и Е. Гриффином). В 1959 г. был применен принципиально новый методический прием - ковалентное связывание. С этого времени и ведется целенаправленная разработка гетерогенных катализаторов на основе ферментов.
Иммобилизованные ферменты имеют существенные преимущества. Так, например, они легко отделимы от реакционной среды. Это дает возможность остановить реакцию в любой момент, получить продукт, незагрязненный катализатором, и использовать ферментный препарат многократно. Иммобилизованные ферменты технологичны, что определяется возможностью вести биотехнологический процесс непрерывно и регулировать скорость катализируемой реакции и выход продукта путем изменения скорости протока. Подбором соответствующих носителей и методов иммобилизации можно целенаправленно модифицировать такие свойства ферментов, как специфичность, рН- температурозависимость, а также стабильность фермента при денатурирующих воздействиях.
Успешное использование иммобилизованных ферментов в значительной мере определяется выбором подходящего сочетания носителя и метода иммобилизации, а также знанием кинетики реакций с участием таких катализаторов.

 

Применение иммобилизованных ферментов.

Иммобилизованные ферменты можно использовать, главным образом, в трех направлениях:

1. Анализ различных веществ, в качестве лечебных средств и биокатализаторов для использования в биотехнологических производствах.

2. Лечебные средства. Такие средства применяются либо в том случае, когда необходимый фермент отсутствует в тканях, вследствие генетических или других нарушений, либо в качестве агентов, разрушающих нежелательные компоненты, например, мочевину. Использование чужеродных (бактериальных) ферментов зачастую нежелательно, вследствие того, что они могут стать причиной аллергических реакций и, кроме того, они крайне неустойчивы. Иммобилизация позволяет обойти эти барьеры, так как она повышает стабильность фермента и препятствует его взаимодействию с иммунной системой макроорганизма. Например, в аппарате "искусственная почка", предназначенном для освобождения крови от различных шлаков, в том числе и мочевины, путем ультрафильтрации, используется колонка с иммобилизованной уреазой. Ферменты применяют в лечебных целях и тогда, когда они необходимы, но по причине различных патологических процессов отсутствуют, например, для растворения кровяных тромбов.

3. Применение в различных производствах. Иммобилизованные ферменты широко используются в бумажной, текстильной, химической и фармацевтической промышленности, а также для обработки сточных вод.

Для получения иммобилизованных ферментов используется ограниченное число как органических, так и неорганических носителей. К носителям предъявляются следующие требования (Дж.Порат, 1974):

• высокая химическая и биологическая стойкость;
• высокая химическая прочность;
• достаточная проницаемость для фермента и субстратов, пористость, большая удельная поверхность;
• возможность получения в виде удобных в технологическом отношении форм (гранул, мембран);
• легкая активация;
• высокая гидрофильность;
• невысокая стоимость.

 

19.Биосенсоры и их использование.

Биосе́нсор — это аналитический прибор, в котором для определения химических соединений используются реакции этих соединений, катализируемые ферментами, иммунохимические реакции или реакции, проходящие в органеллах, клетках или тканях. В биосенсорах биологический компонент сочетается с физико-химическим преобразователем.

Биосенсоры состоят из трёх частей:

·         биоселективного элемента (биологический материал, например ткани, микроорганизмы, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты, и т. д.), материал биологического происхождения или биомимик). Чувствительный элемент может быть создан с помощью биоинженерии.

·         преобразователя (работает на физико-химических принципах; оптический, пьезоэлектрический, электрохимический, и т. д.), который преобразует сигнал, появляющийся в результате взаимодействия аналита с биоселективным элементом, в другой сигнал, который проще измерить;

·         связанная электроника, которая отвечает в первую очередь за отображение результатов в удобном для пользователя виде.

Биосенсор - это устройство, включающее биологический чувствительный элемент, тесно связанный с преобразователем либо интегрированный с ним. Обычно биосенсор предназначен для формирования цифрового электрического сигнала, пропорционального концентрации определенного химического соединения или ряда соединений.
Развитие биосенсоров обусловлено усилием исследователей в нескольких направлений. Весьма перспективно е направление исследований - создание новых материалов для конструирования преобразователей или более эффективной связи между компонентами сенсора. Движущей силой в исследовании сенсоров было ярко выраженное инстинктивное понимание возможности их широких практических приложений. Эти исследования стимулировались прежде всего потребностями медицины. Возможность немедленного анализа клинических препаратов, очевидно, одинаково привлекает и врачей, и пациентов, хотя некоторые национальные службы здравоохранения испытывают трудности с внедрением этой философии. Более привлекательной является возможность непрерывного in vivo мониторинга метаболитов, лекарственных препаратов и белков с помощью миниатюрных и портативных систем. Отличным примером клинического приложения является сенсор глюкозы для больных диабетом, ставший классическим объектом исследований в области биосенсоров.
В последние годы возрастает интерес к другим возможным использованиям биосенсоров. Клинические исследования повернулись в сторону ветеринарии и животноводства. Все больше внимания придается качеству продуктов в пищевой промышленности. В этой области давно признано значение быстрых методов оценки сроков хранения, порчи и загрязнения продуктов. Развитие биотехнологии стимулирует разработку методов мониторинга процессов ферментации, что также расширяет возможности непрерывного контроля этих процессов. Проблемы охраны окружающей и промышленной среды стимулировали разработку сенсоров для определения таких вредных веществ, как оксид углерода и гербициды. В то же время интересы военных неизменно сосредоточены на специальных требованиях биологической и химической защиты.

 

20.Использование биотехнологии для получения белков животных и человека.

Промышленное получение чистых белков животных и человека для медицинских целей - первое (и по времени возникновения и по значимости) направление новейшей биотехнологии. Эти белки представляют собой новое поколение лекарств и средств диагностики, они произвели переворот в современной биофармацевтической промышленности. Сейчас годовое производство этих средств в мире оценивается примерно в 20 млрд.дол.
Белки – основа жизни. Различные белки (гормоны, ферменты и пр.), вырабатываемые клетками животных, играют большую роль в обмене веществ и их недостаток в организме вызывает серьезные болезни. Известно около 200 наследственных заболеваний, обусловленных дефицитом какого-либо белкового фактора.
В медицине для коррекции дефицита эндогенных молекул, повышения иммунитета использовали белки, полученные из тканей различных животных, например инсулин получали из поджелудочной железы свиней или коров. Такие белки достаточно дороги и слегка отличаются по строению от белка человека, что снижает их эффективность, может вызвать аллергическую реакцию у пациента. Путем химической модификации инсулин животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это удорожало готовый продукт. Многие белки животного происхождения вообще неприменимы в медицине, так как организм использует механизм защиты от чужих белков. В таком случае пытались использовать белки, получаемые из тканей человека (донорской крови, удаленных при операциях органов, трупного материала), которые еще дороже и дефицитнее. Так, для лечения и профилактики вирусных заболеваний и рака использовали интерферон, полученный из донорской крови. При этом на получение 0,1 грамма препарата требовалась кровь 90000. Химический синтез белков животных и человека также очень дорог. Поэтому перед учеными стала задача получить в промышленных условиях биотехнологическими методами белки, синтезируемые клетками животных и человека.
В 70-х годах методами генной инженерии удалось получить клетки микробов - продуцентов различных белков животного происхождения, вводя гены, отвечающие за синтез этих белков, в геном микроорганизма. Это открыло возможность организовать в промышленности микробиологический синтез белков животных и человека, опираясь на все достижения традиционной биотехнологии. 
Первым продуктом, полученным методом генной инженерии, был человеческий инсулин. В 1978 году в США были проведены работы по раздельному синтезу А- и В-цепей человеческого инсулина с помощью сконструированного методами генной инженерии штамма кишечной палочки. В 1982 г. ФДА (орган, уполномоченный давать разрешение на коммерческое использование в США лекарств, пищевых продуктов и косметики) после долгих дискуссий одобрила и разрешила применение генно-инженерного инсулина (это был первый из полученных методами генной инженерии продуктов, получивший такое одобрение), и компания Eli Lilly выпустила его на рынок. Он оказался значительно дешевле свиного и бычьего инсулина и был идентичен человеческому белку по составу. Позднее производство генно-инженерного инсулина осуществили и в других странах, в том числе и в СССР.
Наиболее важная задача медицины конца ХХ века - борьба с вирусными инфекциями и раком, поэтому интерферон - белок, вырабатываемый для борьбы с этими болезнями самим организмом, привлекал пристальное внимание исследователей. В 1980 году произвели интерферон с помощью рекомбинантных ДНК. Позднее клинические испытания показали, что интерферон не так эффективен, как ожидалось и не решает полностью проблемы рака и вирусных инфекций, иногда он дает побочные эффекты. Однако он также разрешен к применению и используется в качестве лекарства от рака и вирусов и производится в коммерческих масштабах. В нашей стране конструирование микроорганизмов - продуцентов интерферона проводилось в рамках комплексной целевой программы “Биотехнология”.
После первых успехов с интерфероном и инсулином стал очевиден коммерческий потенциал генной инженерии, она стала крайне привлекательной для инвесторов.

Были достигнуты определенные успехи - получены генно-инженерный гормон роста соматотропин и его антагонист соматостатин и некоторые другие гормоны, интерлейкины, фактор свертывания крови для лечения гемофилии, белковые вакцины.
Однако развитие отрасли шло медленнее и стоило много дороже, чем первоначально ожидалось. Оказалось, что бактерии не могут воспроизвести аутентично многие белки, так как в животных клетках они преобразуются после трансляции (пострансляционная модификация), а в бактериях этого не происходит. Эта модификация может сильно влиять на активность белка, его стабильность и т.д., поэтому полученный с помощью бактерий белок может оказаться не пригоден для употребления в медицине. Кроме этого, нередко возникают проблемы и с культивированием бактерий, несущих ген чужеродного белка (белок может быть токсичен для бактерии, бактерии могут его разлагать и т.д.), с выделением готового продукта.
Поэтому для производства ряда белков применение клеточных культур оказалось более рациональным. Клетки животных и человека - очевидно идеальный продуцент для производства различных белков животного происхождения. Успехи клеточной биотехнологии позволили преодолеть в 80-х- 90-х годах большинство из препятствий и начать выпускать ряд белков с помощью клеточных культур. 
Этим методом производят целый ряд препаратов, разрешенных к применению в качестве лекарств: интерфероны (применяются для лечения и профилактики рака и вирусных инфекций), эритропоэтин (препарат от анемии), гормон роста человека (лечение карликовости), фактор VIII (для лечения гемофилии), фактор, стимулирующий колонии гранулоцитов, активатор тканевого плазминогена (ТРА) для лечения тромбоза коронарных сосудов, вакцины (поверхностный антиген вируса гепатита В) и пр.
 

21. Генная терапия.

Генная терапия  — лечение наследственных и приобретенных заболеваний путем введения в соматические клетки пациента генетических элементов для восстановления или подавления функций генов и придания клеткам заданных свойств.

В широком понимании генная терапия включает в себя:

1) введение в клетки гена для восстановления недостаточной функции собственного гена, приводящей к развитию заболевания;

2) подавление с помощью молекулярно-генетических технологий избыточной функции собственного гена, вызывающей заболевание;

3) введение генов, усиливающих иммуногенность и гибель патологических клеток, а также повышающих иммунный ответ организма.

Генетические манипуляции с половыми клетками человека в настоящее время не являются предметом генной терапии.

Помимо генов, кодирующих белки, в генной терапии могут применяться гены, кодирующие РНК, комплементарные мРНК целевого гена (антисмысловые РНК или антисенс-РНК), РНК предшественники, из которых в клетке образуются короткие интерферирующие РНК, а также сами короткие синтетические нуклеотидные последовательности (антисенс-олигонуклеотиды и siRNA). Эти генетические элементы избирательно подавляют активность генов, блокируя синтез белка с соответствующей мРНК или стимулируя ее ферментативное расщепление. Подходы с использованием перечисленных генетических конструкций в медицине называют антисенс-терапией и РНК интерференцией.

В зависимости от конкретных задач, генетические элементы могут вводиться в клетку на постоянной основе и встраиваться в ее геном, либо существовать вне генома и экспрессироваться временно. Введение генов может осуществляться вне организма. Для этого клетки-мишени получают от пациента, вводят в них нужный ген и возвращают клетки пациенту. Альтернативно, гены вводят непосредственно в организм. Для эффективного введения генетических элементов в клетки применяют специальные системы адресной доставки.

 

22.Моноклональные антитела – средства диагностики и лечения.

Моноклональные антитела — антитела, вырабатываемые иммунными клетками, принадлежащими к одному клеточному клону, то есть произошедшими из однойплазматической клетки-предшественницы. Моноклональные антитела могут быть выработаны против почти любого природного антигена (в основном белки иполисахариды), который антитело будет специфически связывать. Они могут быть далее использованы для детекции (обнаружения) этого вещества или его очистки. Моноклональные антитела широко используются в биохимии, молекулярной биологии имедицине. В случае их использования в качестве лекарства его название оканчивается на -mab (от английского «monoclonal antibody»). Примерами лекарственных средств на основе моноклональных антител являются ипилимумаб (Ервой), использующийся для лечения меланомы, трастузумаб (Герцептин), применяющийся в лечении рака молочной железы и ритуксимаб, показавший свою эффективность против хронического лимфолейкоза.

В продолжение открытий мировых ученых Г.Колера и Грам. Милштейна, НИИ клинической онкологии им. Н.Блохина разработал технологию получения специальных антител, которые помогают иммунной системе находить опухолевые клетки и уничтожать их. Данные  моноклональные антитела, которые получили свое название от того, что из одной клетки, производящей антитела к необходимому антигену, получают целую колонии анологичных клеток. В научно-исследовательском центре Н.Блохина создан ряд моноклональных антител, которые уже сегодня включают в состав комплексной химиотерапии. Одним из ключевых направлений работы центра считается проектирование «иммунотоксинов» - иммунных комплексов. Моноклональные антителас токсинами растительного или животного происхождения, губительны только для злокачественных клеток.

Один из новых препаратов моноклональных антител, созданный в НИИ клинической онкологии им.Н.Блохина, называется Имутеран, он избирательно воздействует на клетки, находит у уничтожает только злокачественные. Препарат в данное время находится в процессе регистрации. Моноклональные антитела в лечении онкологических заболеваний, это новый успешный и безопасный метод. Исследование новейших моноклональных антител и совершенствование схем терапии злокачественных опухолей при помощи МКА считается одним из наиболее перспективных направлений в онкологии.

В настоящее время проходят испытания более десятка биопрепаратов, способных целенаправленно воздействовать на обменные процессы в раковых клетках и блокировать появление новых сосудов, питающих опухоль. Такими являются, например, Erlotinib, назначаемый при раке толстой кишки, и препарат SU11248 применяемый при лечении рака желудка. Ученые надеются, что со временем можно будет отказаться от лучевой и химиотерапии, и сосредоточить усилия в развитии данного напраления. Уже сейчас имеются изученные и разрешенные к применению препараты, как природного так и синтетического происхождения. В комплекс лечебных мероприятий включают препараты микробного происхождения (нуклеинат натрия, рибомунил, имудон и др.), синтетические (полиоксидоний, ликопид и др.), пептидные (Т-активин, миелопид, тимоген и др.), цитотоксины (интерфероны, интерлейкины). Опыт применения моноклональных антител показывает, что для их назначения должны быть определенные показания, а сам процесс иммунологической коррекции должен сопровождаться постоянным контролем.
Новейшие биотехнологии уже сейчас предоставляют больше шансов на продление активных лет жизни онкологическим пациентам, а в будущем такие препараты как моноклональные антитела приведут к победе над онкологическими заболеваниями.

 

23.Стволовые клетки – возможности использования в медицине.

Стволовые клетки — это иерархия особых клеток живых организмов, каждая из которых способна впоследствии изменяться (дифференцироваться) особым образом (то есть получать специализацию и далее развиваться как обычная клетка).3

Т.е. стволовыми называют клетки, не имеющие специализации и способные делиться и развиться в любой вид ткани. Это значит, что в организме взрослого человека существуют клетки, прошедшие все положенные этапы эмбрионального развития, но сохранившие способность при определенных условиях превращаться практически во все виды взрослых тканей - к примеру, в скелетные мышцы, костную ткань, клетки нервной ткани - нейроны, ткань печени, поджелудочной железы и так далее. Сейчас уже стало ясно и практически доказано, что такие клетки - это универсальные «запасные» части, которые используются организмом для восстановления или «починки» разных тканей. «Центральным складом» этих клеток является костный мозг.

Стволовые клетки уже давно привлекают к себе повышенное внимание и экспериментальных исследователей и практических врачей. Это связано с уникальной способностью стволовых клеток дифференцироваться (созревать) в экспериментальных и клинических условиях в компоненты самых разнообразных тканей и органов разнообразной специфичности.

Так, гемопоэтические (кроветворные) стволовые клетки способны давать все разнообразие клеток, циркулирующих в крови: эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Именно эти клетки определяют перенос питательных веществ к органам и тканям, борьбу организма с инфекционными и другими патологическими процессами, функционирование системы иммунитета и т.д.

Отдельную группу составляют, так называемые, мезенхимальные (стромальные) стволовые клетки, способные формировать клеточные компоненты практически всех известных "твердых" органов и систем (сердца и легких, печени и почек, сосудов и нервной системы, и т.д.)

Удивительная способность стволовых клеток "превращаться" в ткани любой специфичности порождает серьезные надежды на возникновение принципиально новых подходов к лечению многих заболеваний. С помощью стволовых клеток будет возможно лечение последствий инфарктов и инсультов, болезней Паркинсона и Альцгеймера, а также диабета. Необратимые (с точки зрения сегодняшних возможностей) повреждения нервной, мышечной, железистой и других тканей, возникающие в процессе развития того или иного патологического процесса, представляется возможным "реставрировать", заместив их массой новообразованных тканевых "заплат", состоящих из соответствующим образом дифференцированных стволовых клеток. Именно этим объясняется стремление многих научно-исследовательских коллективов и врачей заниматься проблемой использования стволовых клеток для лечения серьезных недугов.

 

24.Производство макронутриентов  и микронутриентов.

Макронутриенты — белки, жиры и углеводы (основные питательные вещества). Потребность в них выражается в десятках граммов, в процессе ассимиляции выделяют энергию для выполнения всех функций организма. В меньшем количестве они принимают участие в процессах построения клеток, тканей, для синтеза ферментов и других физиологически активных соединений.

Микронутриенты — минорные физиологически активные вещества, необходимы организму в малых количествах. Они принимают участие в процессах усвоения энергии, регуляции функций, без них невозможно осуществление процессов роста и развития организма. К микронутриентам относятся отдельные аминокислоты пищевого происхождения, которые принимают участие в регуляции функций органов и систем (это доказано большим количеством исследований); эссенциальные жирные кислоты, витамины и провитамины, минеральные вещества, пищевые волокна, а также различные органические соединения, характерные для натурального продовольственного сырья растительного и животного происхождения.

25.Использование биотехнологии для получения веществ, регулирующих вкус и аромат пищевых продуктов.

Пищевая биотехнология является одним из важнейших разделов биотехнологии. В течение тысячелетий люди успешно получали сыр, уксус, спиртные напитки и другие продукты, не зная о том, что в основе лежит метод микробиологической ферментации. С помощью пищевой биотехнологии в настоящее время получают такие пищевые продукты, как пиво, вино, спирт, хлеб, уксус, кисломолочные продукты, сырокопченые и сыровяленые мясные продукты и многие другие. Кроме того, пищевая биотехнология используется для получения веществ и соединений, используемых в пищевой промышленности: это лимонная, молочная и другие органические кислоты; ферментные препараты различного действия – протеолитические, амилолитические, целлюлолитические; аминокислоты и другие пищевые и биологически активные добавки.

Важность пищевой биотехнологии для специалистов в области товароведения и экспертизы определяется тем, что использование микроорганизмов или ферментных препаратов, биотехнологических процессов при производстве пищевых продуктов оказывает существенное влияние на потребительские свойства и показатели качества продовольственных товаров. Знание о биотехнологических процессах позволит товароведу-эксперту определить причины порчи продовольственных товаров и возникновения дефектов, приводящих к существенным количественным потерям товаров. Например, неправильное применение заквасок может привести к ухудшению качества и возникновению дефектов кисломолочной продукции. С другой стороны, использование новых штаммов микроорганизмов может придать продукту – пиву, вину и другим пищевым продуктам, – новые оригинальные оттенки вкуса и аромата. Применение ферментных препаратов и других соединений, полученных биотехнологическим способом, будет способствовать оптимизации и интенсификации технологических процессов производства пищевых продуктов, улучшению их свойств и продлению сроков хранения.

 

26.Производство стабилизаторов консистенции пищевых продуктов; пищевых красителей, консервантов.

Стабилизатор консистенции (пищевого продукта) - пищевая добавка, предназначенная для обеспечения агрегативной устойчивости и/или поддержания однородной дисперсии двух и более несмешивающихся ингредиентов пищевого продукта. Благодаря своим антимикробным свойствам стабилизаторы обеспечивают сохранность и неизменность пищевых и вкусовых качеств продуктов питания. К стабилизаторам относятся нитриты и нитраты.Стабилизаторы широко применяются в производстве колбасных изделий и других мясных продуктов для поддержания устойчивости цвета.Однако уже в самих продуктах, а также в желудочно-кишечном тракте человека нитраты и нитриты образуют новые соеденения, называемые нитрозаминами, которые вызывают рак. Установлены также другие побочные действия стабилизаторов, например они нарушают переваривание пищи и снижают сопротиваляемость к инфекциям. Стабилизаторам присвоевны литеры Е с 249 по 252, с 461 по 476, с 575 по 585 и с 1404 по 1450.

Красители - Для придания продуктам питания цвета и улучшения их вида в пищевой промышленности используются натуральные и синтетические красители. Главная цель в данном случае заключается в стремлении повысить продажи. Красители совершенно не влияют на вкусовые качества пищи и процесс ее усвоения организмом человека. Красители добавляют в лимонад, кока-колу и ей подобные напитки, сладости, пудинги, мороженое, алкоголь, маргарин и сыры. Натуральные красители вырабатываются методом экстрагирования из целого ряда фруктов и овощей, например из красной столовой свеклы, сладкого перца, апельсинов или шпината. Искусственные красители синтезируются химическим путем. Пищевые продукты, содержащие натуральные красители, считаются, в целом, неопасными для здоровья. По отношению к искусственным красителям следует проявлять осторожность. Они могут быть причиной аллергии и при определенных условиях даже вызывать рак. Следует особенно предупредить об опасности азокрасителей (содержащих ализарин). Красители обозначаются литерами Е с 100 по 180, 579, 585.

Консерванты используются для удлинения сроков годности пищевых продуктов. Среди них также различаются натуральные и синтетические субстанции. Натуральные консерванты, к которым относятся, например, уксусная или молочная кислота, в целом считаются безопасными. Синтетические консерванты иногда вызывают аллергию, вплоть до приступов астмы, головные боли и тошноту и способны даже повлиять на наследственность. Особенно важно избегать пищевых продуктов, содержащих нитраты. В промышленном производстве продуктов питания добавка нитратов в соленые продукты ( соленую рыбу, мясо ) призвана подавлять жизнедеятельность бактерий. В организме человека нитраты превращаются в нитраты, которые препятствуют усвоению кислорода, т.е. ведут к кислородному голоданию организма. Консервантам присвоены литеры Е с 200 по 290, 1125.

 

27.Использование биотехнологии для получения пребиотиков, пробиотиков, синбиотиков и ферментных препаратов.

Пробиотики - Апатогенные для человека бактерии, обладающие антагонистической активностью в отношении патогенных и условно патогенных бактерий и обеспечивающие восстановление нормальной микрофлоры.

Новым этапом осмысления наработок по вопросам применения пробиотиков явился Всемирный конгресс по гастроэнтерологии в Монреале, состоявшийся в 2005 году. Первым из ученых провел исследования по возможности восстановления кишечной миклофлоры с помощью молочнокислой палочки (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus) знаменитый русский ученый и Лауреат Нобелевской премии Илья Мечников. Пробиотики являются важным лечебным средством натуральной медицины.

Пробиотики делятся на две группы - жидкие и сухие. Существуют строгие нормы и правила производства пробиотиков, которые должен выполнять производитель. В компетенции лечащего врача рекомендовать соответствующий пробиотик.

Сухие пробиотики - это лиофилизированные (высушенные) микроорганизмы, которые могут находиться в порошке, капсулах, таблетках. Связующим веществом для возможности производства капсул или таблеток может служить, например, желатин. После употребления сухого пробиотика необходимо от 1 до 4 часов для выхода бактерий из анабиоза (спящего состояния) после чего препарат начинает проявлять своё действие (адгезию, антагонизм и т.д.).

Жидкие пробиотики - это первоначальная, не подвергшаяся лиофилизации (сушке) форма бактерий.

Жидкие пробиотики состоят из:

• бактерий (эти бактерии находятся в физиологически активном состоянии, и при попадании в организм действуют немедленно);
• специальной питательной среды (питательная среда служит источником питания физиологически активных бактерий, которые находятся во флаконе).
• тех или иных дополнительно введённых ингредиентов, усиливающих эффективность препарата - водорастворимые витамины, микро- и макроэлементы, аминокислоты и т.д.
• метаболитов - это продукты жизнедеятельности бактерий, находящихся во флаконе (бактерии, находясь в физиологически активном состоянии, поедают спецсреду во флаконе, в результате чего, функционируя, выделяют метаболиты, необходимые организму).

Жидкая форма позволяет одновременно применять пробиотик на все слизистые и кожу (вагинально, перорально, закапывать в нос, полоскать ротовую полость и глотку, ректально (в задний проход), наносить на кожу и на волосистую часть головы, закапывать в уши).

Биологическое действие пробиотиков: восстанавливающее микрофлору кишечника, предупреждающее запоры, поносы, чрезмерное газообразование, нормализующее пищеварение; адаптогенное, детоксикационное, иммуномодулирующее, нормализующее гормональный баланс, противоаллергическое и др.

Пробиотики получают на основе штаммов микроорганизмов, выделенных из нормальной микробиоты здоровых людей. Чаще всего этими микроорганизмами являются лактобациллы, бифидобактерии и энтерококки.

Пребиотик - физиологически функциональный пищевой ингредиент в виде вещества или комплекса веществ, обеспечивающий при систематическом употреблении в пищу человеком в составе пищевых продуктов благоприятное воздействие на организм человека в результате избирательной стимуляции роста и/или повышения биологической активности нормальной микрофлоры кишечника.

Основными видами пребиотиков являются: ди- и трисахариды; олиго- и полисахариды; пищевые волокна; многоатомные спирты; аминокислоты и пептиды; ферменты; органические низкомолекулярные и ненасыщенные высшие жирные кислоты; антиоксиданты; полезные для человека растительные и микробные экстракты и др.

Основным свойством пребиотиков является их избирательное стимулирование полезной для человеческого организма кишечной микрофлоры, к которой в первую очередь относятся бифидобактерии и лактобациллы.

Пребиотики находятся в молочных продуктах, кукурузных хлопьях, крупах, хлебе, луке репчатом, цикории полевом, чесноке, фасоли, горохе, артишоке, аспарагусе, бананах, плодах баобаба и многих других продуктах.

Кроме этого, существуют пребиотические комплексы в виде БАДов, не являющиеся лекарствами: Лактусан, Прелакс, Лактофильтрум, Эубикор и проч.

Синбиотики - это препараты, полученные в результате рациональной комбинации пробиотиков и пребиотиков. Часто это биологически активные добавки, входящие в состав функционального питания, обогащенные одним или несколькими штаммами представителей родов Lactobacillus и Bifidobacterium. В РФ известны несколько препаратов:

• Биовестин-лакто, сордержащий бифидогенные факторы и биомассу B.bifidum, B.adolescentis, L.plantarum;
• Мальтидофилюс, содержащий мальтодекстрин и биомассу B.bifidum, L.acidоphilus, L.bulgaricus;
• Бифидо-бак, включающий фруктоолигосахариды из топинамбура и комплекс из бифидобактерий и лактобацилл;
• Бифидумбактерин-мульти и Бифистим, содержащие набор различных видов бифидобактерий (B.bifidum, B.longum, B.adolescentis), наиболее характерных определенному возрасту ребенка, подростка и взрослых лиц;
• Ламинолакт, содержащий аминокислоты, пектины, морскую капусту и энтерококки.

Пробиотики, пребиотики и синбиотики занимают определённое место в базисной терапии заболеваний. Их использование подкрепляется нашим постоянно растущим пониманием механизма действия этих веществ и разработкой молекулярных методов анализа и выявления сложных сообществ бактерий в кишечнике млекопитающих.

 

28.Биоремедиация  загрязнений in situ и ex situ.

Биоремедиация загрязнённых почв и грунтов представляет собой набор техник, основанных на применении биологических агентов для очистки почв и грунтов от поллютантов. Чаще всего для биоремедиации почв используются микроорганизмы, обычно бактерии и грибы; реже – растения.

Выбор определенной технологии биоремедиации основывается на основе таких критериев как природные условия места очистки, свойства почвы, концентрация и уровень токсичности поллютанта и т.д. Применяемые в биоремедиации почв технологии можно объединить в две группы: методы in situ и методы ex situ.

Биоремедиация in situ основана на очистке среды от поллютанта без удаления загрязнённой почвы из района загрязнения. Поскольку технологии этого типа не требуют проведения землеройных работ, они являются более дешёвыми, создают меньше запыления воздуха и высвобождают меньше летучих поллютантов, чем технологии ex situ.

Один из подходов биоремедиации in situ  заключается во введении в загрязнённую почву кислорода с помощью специального оборудования, с тем, чтобы стимулировать рост микроорганизмов и аэробную биодеградацию поллютантов. Данная техника чаще всего применяется для очистки от различных нефтепродуктов.

Помимо кислорода стимуляция биодеградации может осуществляться путём введение в почву питательных веществ для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих деградацию поллютанта. Чаще всего для этих целей используют азот- и фосфорсодержащие удобрения.

Другим распространённым подходом является введение в почву микроорганизмов (в том числе генетически модифицированных) или ферментов для ускорения деградации органических поллютантов, присутствующих в почве.

Биоремедиация ex situ основана на снятие слоя загрязнённой почвы и очистке её от поллютантов за пределами места загрязнения, что делает этот подход более дорогостоящим, чем биоремедиация in situ. Тем не менее, у технологий данного типа есть ряд преимуществ: они требуют меньше времени и обеспечивают полный контроль процесса очистки.

Одним из типов применяемых при биоремедиация in situ технологий является использование биореакторов. Перед помещением в биореактор из почвы удаляются крупные камни, грунт подвергается перемешиванию, что делает его более однородным; после добавления воды образуется глинистая суспензия. В данную суспензию вносятся проводящие очистку от поллютанта почвы микроорганизмы, для которых в реакторе создаются оптимальные условия. После завершения процесса очистки почва высушивается и возвращается в окружающую среду.

Другой подход биоремедиации in situ заключается в том, что удалённая с места загрязнения почва размещается на определённой территории, её обеспечивают аэрацией, питательными веществами и водой для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих биоремедиацию. По сравнению с очисткой с помощью биореакторов, данная технология требует много места и занимает дольше времени. Можно выделить несколько различных вариантов такого подхода.

В одном из вариантов загрязнённую почву удаляют с места загрязнения и распределяют тонким слоем на площади, специально огороженной по периметру для предотвращения распространения загрязнения за её пределы. Почву вспахивают для обеспечения доступа кислорода почвенным микроорганизмам и добавляют стимулирующие их рост вещества. Также над почвой разбрызгивают воду, что позволяет поддерживать оптимальную влажность и понижает запыленность воздуха.

Загрязнённую почву можно также складывать толстым слоем высотой 1-3 метра. При этом аэрация путём вспахивания заменяется аэрацией с помощью системы труб, доставляющих в почву воздух для стимуляции биодеградации. В данном случае почву обычно смешивают с каким-нибудь рыхлым веществом (например, соломой), чтобы облегчить аэрацию. В процессе ремедиации из-за продувки воздуха происходит испарение из грунта различных веществ, в том числе самого поллютанта, поэтому система обязательно снабжается датчиком состава почвенных испарений. Также в грунт добавляют удобрения и поддерживают на определённом уровне влажность.

При смешивании грунта с большим количеством разрыхлителей (сена, кукурузных кочерыжек, соломы) аэрацию можно осуществлять с помощью вакуумных насосов или вентиляторов. Такую смесь также можно аэрировать путём перемешивания в специальных резервуарах. Ещё один вариант – размещение загрязнённой почвы с разрыхлителем в длинные кучи, регулярно перемешиваемые тракторами. Во всех этих трёх случаях соотношение разрыхлитель/почва составляет примерно 1/3. После каждого перемешивания почва укрывается, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность. Очистка таким способом занимает недели вместо обычных для биоремедиации почв месяцев.

 

29.Использование фиторемедиации для очистки окружающей среды.

Фиторемедиация - комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений. В этой технологии используются природные процессы, с помощью которых растения и ризосферные микроорганизмы деградируют и накапливают различные поллютанты. Фиторемедиация является высокоэффективной технологией очистки от ряда органических и неорганических поллютантов.

Фиторемедиация стала эффективным и экономически выгодным методом очистки окружающей среды только после того, как обнаружили растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов, способные накапливать в своих листьях до 5% никеля, цинка или меди в пересчете на сухой вес - то есть в десятки раз больше, чем обычные растения. Биологическое значение этого феномена еще до конца не раскрыто: можно, например, предположить, что высокое содержание токсичных элементов защищает растения от вредителей и делает их более устойчивыми к болезням.

Фиторемедиацию можно использовать для очистки твёрдых, жидких и воздушных субстратов. Фиторемедиация загрязнённых почв и осадочных пород уже применяется для очистки военных полигонов (от ТНТ, металлов, органических поллютантов), сельскохозяйственных угодий (пестициды, металлы, селен), промышленных зон (органика, металлы, мышьяк), мест деревообработки (ПХБ). Фиторемедиации могут быть подвергнуты загрязнённые водные источники: городские сточные воды (органические поллютанты, металлы), сточные воды сельского хозяйства (удобрения, металлы, пестициды, бор, селен, мышьяк) и промышленности (металлы, селен), грунтовые воды (органические поллютанты, металлы). Растения также могут быть использованы для очистки воздуха, как в помещениях, так и вне их; например, от оксидов азота, серы и углерода, озона, нервно-паралитических газов, пыли, копоти, летучих галогенированных углеводородов.

За последние десять лет фиторемедиация приобрела большую популярность, что отчасти связано с её низкой стоимостью. Т.к. в процессе фиторемедиации используется только энергия солнца, данная технология на порядок дешевле методов основанных на применении техники (таких как промывка и сжигание почвы). То, что данная технология применяется прямо в районе загрязнения способствует снижению затрат и уменьшению контакта загрязнённого субстрата с людьми и окружающей средой. Фиторемедиация также получила одобрение у широкой общественности как экологически чистая технология, альтернативная химическим предприятиям и бульдозерам. Поэтому различные организации склонны включать фиторемедиацию в программу мероприятий по очистке среды и всячески рекламировать свою причастность к этой экологически чистой технологии.

 

30.Биодеградация нефтяных загрязнений.

Рассмотрим процессы биодеградации сложных смесей углеводородов и их производных в средах, загрязненных нефтью. Речь пойдет как о сточных водах нефтяной промышленности, так и о загрязнении нефтью окружающей среды. Источники таких загрязнений могут быть самые разнообразные: промывка корабельных бункеров для горючего, аварии на танкерах в открытом море (основная причина нефтяных загрязнений окружающей среды), утечки в нефтехранилищах и сброс отработанных нефтепродуктов.

Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом после удаления большей части нефти физическими способами или с помощью коагулянтов. Токсическое воздействие компонентов таких сточных вод на системы активного ила можно свести к минимуму путем постепенной «акклиматизации» очистной системы к повышенной скорости поступления стоков и последующего поддержания скорости потока и его состава на одном уровне. Однако загрузка этих систем может значительно варьировать и, видимо, лучше использовать более совершенные технологии, например системы с илом, аэрированным чистым кислородом, или же колонные биореакторы.

Самые большие утечки нефти в окружающую среду происходят в море, где она затем подвергается различным физическим превращениям, известным как выветривание. В ходе этих абиотических процессов, включающих растворение, испарение и фотоокисление, разлагается (в зависимости от качества нефти и от метеорологических условий) 25 - 40% нефти. На этой стадии разрушаются многие низкомолекулярные алканы. Степень микробиологической деградации выветрившихся нефтяных разливов определяется рядом факторов. Весьма важен состав нефти: относительное содержание насыщенных, ароматических, содержащих азот, серу и кислород соединений, а также асфальтенов в различных типах нефти различно. Определенную устойчивость нефти придают разветвленные алканы, серосодержащие ароматические соединения и асфальтены. Кроме того, скорость роста бактерий, а, следовательно, и скорость биодеградации определяются доступностью питательных веществ, в частности азота и фосфора. Оказалось, что добавление таких веществ увеличивает скорость биодеградации. Количество разных организмов, способных расти на компонентах нефти, зависит от степени загрязненности углеводородами. Например, больше всего их находят поблизости от крупных портов или нефтяных платформ, где среда постоянно загрязнена нефтью. Полная деградация нефти зачастую не происходит даже при участии богатых по видовому составу микробных сообществ. Наиболее биологически инертные компоненты, например асфальтены, содержатся в осадочных породах и нефтяных залежах. Основные физические факторы, влияющие на скорость разложения нефти, - это температура, концентрация кислорода, гидростатическое давление и степень дисперсности нефти. Наиболее эффективная биодеградация осуществляется тогда, когда нефть эмульгирована в воде.

Особую проблему представляют выбросы или случайные разливы нефти на поверхности почвы, поскольку они могут привести к загрязнению почвенных вод и источников питьевой воды. В почве содержится очень много микроорганизмов, способных разрушать углеводороды. Однако даже их активность не всегда достаточна, если образуются растворимые производные или поверхностно-активные соединения, увеличивающие распространение остаточной нефти.

 

31.Получение биоэтанола и биодизеля.

Биоэтанол — обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Производство этанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы.

В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы (США) и сахарного тростника (Бразилия). Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные с/х культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т. д.
Производство этанола. - Этанол может быть произведен разными путями с использованием разного сырья. Бразилия использует сахарный тростник как первичное сырье, но возможны и другие компоненты. Более, чем 90% этанола изготовленного в США производится из зерна.

Основные этапы производства для сухого способа производства этанола: очистка и подготовка содержащего крахмал сырья, сжижение и осахаривание (гидролиз крахмала в глюкозу), брожение, дистилляция, обезвоживание, и денатурирование (при необходимости). Углекислый газ, получаемый в процессе брожения, это потенциально вредный тепличный газ (создающий тепличный эффект в атмосфере Земли и вызывающий глобальное потепление на планете).

Этанол производился в результате брожения. В течение спиртового брожения, глюкоза превращается в этанол и углекислый газ по уравнению:

C6H12O6 > 2 CH3CH2OH + 2 CO2

Чтобы сделать спирт пригодным в качестве топлива его обезвоживают (абсолютируют). Основной метод - это дистилляция, но концентрация этанола в этом случае ограничивается содержанием этанола в смеси этанол-вода 95-96%. Дальнейшее увеличение доли спирта в смеси этанол-вода экономически не целесообразно, так как требует больших расходов энергии. Смесь 96% этанола + 4% Воды может быть использована как топливо, и называется очищенным топливом этилового спирта (alcool etilico hidratado combustivel, или AEHC в Португальском). В 2002, почти 5 миллиардов литров (1,3 миллиардов галлонов) очищенного топлива этилового спирта были произведены в Бразилии для использования в машинах использующих этанол [ссылка].

К настоящему времени, широко используемым методом обезвоживания является физический процесс адсорбции, использующий молекулярные сита. Другой метод - это азеотропная дистилляция, достигаемая введением в смесь этанол + вода углеводородного бензола. Тем не менее, бензол является мощным канцерогеном и вероятно будет скоро запрещен к использованию.

Для получения биодизеля используют любые виды растительных масел — подсолнечное, рапсовое, льняное и т.д. При этом биодизель полученный из разных масел имеет некоторые отличия. Так, например пальмовый биодизель имеет наибольшую калорийность, но и самую высокую температуру фильтруемости и застывания. Рапсовый биодизель несколько уступает пальмовому по калорийности, но лучше переносит холод, потому более всего подходит для дизельных двигателей, эксплаутирующихся в европейских стран и России. 

Сам процесс получения биотоплива, в принципе, достаточно прост. Нужно уменьшить вязкость растительного масла, чего можно достичь различными способами. Любое растительное масло — это смесь триглицеридов, т. е. эфиров, соединенных с молекулой глицерина с- трехатомным спиртом (C3H8O3). Именно глицерин придает вязкость и плотность растительному маслу. Задача при приготовлении биодизеля - удалить глицерин, заместив его на спирт. Этот процесс называется трансэтерификацией.

Реакция в целом выглядит так:
CH2OC=OR1