В рамках VI Международной программы научных грантов Института перспективных исследований (ИПИ) Московского педагогического государственного университета (МПГУ) 29 марта 2021 года состоялась он-лайн лекция “Применение достижений бионанотехнологии в медицине, экологии и сельском хозяйстве” лауреата программы профессор доктора физико-математических наук Ровшана Ибрагимхалиловича Халилова, заведующего кафедрой биофизики и биохимии Бакинского государственного университета, Республика Азербайджан. Лекция была организована для сидевших в он-лайн зале студентов и преподавателей факультета Институтом перспективных исследований, деканатом Географического факультета МПГУ, кафедрой экологии и природопользования и прошла в формате мини-конференции с участием соавтора проекта доцента кафедры биофизики и биохимии Айгюн Насибовой, ведущего научного сотрудника Института радиационных проблем Национальной академии наук Азербайджана и профессора Азиза Эфтихари из Тебризского медицинского университета, Республика Иран. Модераторами мини-конференции выступили зам. декана Географического факультета, зав. кафедрой экологии и природопользования доцент Василий Иванович Ерошенко и главный научный сотрудник ИПИ МПГУ профессор Ренад Ибрагимович Жданов. Профессор Р.И. Халилов, выпускник кафедры биофизики Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, ученый-биофизик, всемирно известный своими исследованиями в области фотореакционных центров растений. В этом году он является соавтором статьи в ведущем медицинском журнале “The Lancet” (Великобритания) (импакт фактор 60,392) с аффилиацией от Института перспективных исследований МПГУ.
Лекция была посвящена бионанотехнологиям и применению их результатов и достижений в медицине, экологии, сельском хозяйстве и других областях.
В начале лекции профессор Ровшан Халилов рассказал о своих международных научно-исследовательских проектах, получивших поддержку МПГУ, и передал слово своему сотруднику доценту Айгюн Насибовой. Она увлекательно рассказала участникам мини-конференции об общих положениях и применениях нанотехнологий. Нанобиотехнология – область нанонауки и наноинженерии, применяющей методы и подходы нанотехнологии для создания устройств и систем для изучения биологических объектов. В рамках нанобиотехнологии также изучаются возможности использования живых организмов для создания наноустройств. В результате развития нанотехнологий ученые научились перемещать отдельные молекулы и собирать из них устройства и механизмы необычайно малых размеров, невидимые глазом. Появилась целая отрасль знаний – НАНОТЕХНОЛОГИИ, впитавшая в себя новейшие достижения физики, химии и биологии. Ученые-нанотехнологи работают с ничтожно малыми объектами, размеры которых измеряются в нанометрах. Нанотехнология не просто количественный, а качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными молекулами и атомами.
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин. При размерах уровня 10-9 метра и меньше привычные, макроскопические методы исследования вещества становятся неприменимыми, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые в привычных масштабах, становятся намного значительнее и их влияние на исследуемые процессы уже нельзя игнорировать: здесь надо учитывать свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, молекулярных комплексов, а также квантовые эффекты. В прикладном аспекте нанотехнологии – это разработка устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров.
Проводимые в области нанотехнологии исследования уже дают практические результаты. Использование передовых научных разработок нанотехнологий для решения практических хозяйственных задач, например, в медицине, военной отрасли, фармацевтической промышленности, позволяет относить нанотехнологии к высоким технологиям, т.е. к наиболее новым и прогрессивным технологиям современности и самым наукоемким отраслям промышленности. Нанотехнологии – это технологии, которые манипулируют единичными объектами размером не более 100 нм и используют их уникальные свойства, возникающие вследствие того, что в наночастицах, благодаря их малым размерам, существенно меняются физико-химические свойства вещества.
В основном состоянии в макромире атомы и молекулы вещества находятся, в основном, внутри предметов, в то время как в наночастицах они располагаются на поверхности и это резко изменяет их свойства. В ХХ веке самолёты, ракеты и компьютеры изменили наш мир. Учёные утверждают, что в наступившем XXI-ом веке стержнем новой технической революции станут материалы, лекарства, устройства, средства связи и доставки, созданные с использованием нанотехнологий. Идея о том, что возможно будет собирать устройства и работать с объектами, которые имеют наноразмеры, была впервые высказана в 1959 году в лекции лауреата Нобелевской премии по физике Ричарда Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте с необычным названием: “Там, внизу, полно места!”. Слово «внизу» в названии лекции означало в «мире очень малых размеров». Ричард Фейнман сказал тогда, что когда-нибудь, например, в 2000 г., люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьёзно к исследованиям наномира. По мнению Р. Фейнмана «Человек очень долго жил, не замечая, что рядом с ним существует целый мир объектов, разглядеть которые он не в состоянии. А если мы не видим эти объекты, то мы и не можем работать с ними».
Впервые термин «нанотехнология» предложил японский физик Норио Танигучи. В 1974 году он использовал слово «нанотехнология» как научный термин на Международной конференции по промышленности в Токио. Позднее этот термин был принят учеными и технологами, занимающимися производством и исследованиями в наномасштабе. В 1981 году физики Герд Бинниг (ФРГ) и Генри Рохрер (Швеция) для исследования объектов в наномасштабе создали совершенно новый микроскоп. Они назвали этот микроскоп Сканирующим Зондовым Микроскопом (СЗМ). Создание этого микроскопа сыграло решающую роль в развитии нанотехнологий. С помощью этого микроскопа человек смог «увидеть» даже атомы. Создание СЗМ дало возможность не только получить изображения отдельных атомов, но и манипулировать ими. То есть была создана технология, о которой мечтал Ричард Фейнман. Именно тогда и наступила эра нанотехнологий.
Почему маленькие объекты приобретают столь специфические свойства на уровне наномасштаба? Например, небольшие кластеры атомов золота и серебра демонстрируют уникальные каталитические свойства, в то время как большие по размеру образцы обычно инертны. А наночастицы серебра демонстрируют отчетливо выраженные антибактериальные свойства и потому их используют в новых типах перевязочных материалов. При уменьшении размера частиц возрастает отношение поверхности к объему. По этой причине наночастицы значительно легче вступают в химические реакции. В дополнение к этому на уровне менее ~100 нм проявляются эффекты квантовой физики. Квантовые эффекты могут влиять на оптические, электрические или магнитные свойства материалов непредсказуемым ранее образом. Маленькие кристаллические образцы некоторых веществ становятся прочнее, поскольку они достигают состояния, при котором не могут раскалываться, как это происходит у больших кристаллов, когда на них воздействуют с усилием.
В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера «Машины созидания: наступление эры нанотехнологий». В ней автор изложил идею молекулярных машин, способных к воспроизводству. Он полагал, что эти машины – нанороботы, выйдя из-под контроля, смогут размножаться, из «машин созидания» превратятся в «машины уничтожения» и могут поглотить биомассу Земли. Эта книга и последовавшая за ней дискуссия, в которой приняли участие крупнейшие ученые, буквально ошеломила общество. Благодаря этому нанотехнологии оказались в центре всеобщего внимания.
В настоящее время нанотехнологии используются при производстве жестких дисков персональных компьютеров, каталитических конвертеров – элементов двигателей внутреннего сгорания, инструментов для резки металлов, антистатических покрытий для чувствительной электронной аппаратуры, специальных покрытий для окон, обеспечивающих их самоочистку, а также теннисных мячей с длительным сроком службы и высокопрочных и одновременно легких теннисных ракеток. Сфера применения нанотехнологий широка и многообразна: это компьютерная индустрия, авиационная и космическая промышленность; невозможно представить без нанотехнологий и современную медицину. В настоящее время уникальные физические свойства наночастиц интенсивно изучаются. Особое место среди них занимают магнитные свойства, в реализации которых наиболее отчетливо проявляются различия между объемным материалом и наноматериалом. В частности, показано, что намагниченность (в расчете на один атом) и магнитная анизотропия наночастиц могут быть значительно выше, чем у массивного образца. Магнитные свойства наночастиц определяются многими факторами, среди которых важнейшие – это химический состав, тип кристаллической решетки, степень ее дефектности, размер и форма частиц, взаимодействие частиц с окружающей их матрицей и соседними частицами. Изменяя размеры, форму, состав и строение наночастиц, можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками материалов на их основе.
Несмотря на широкий арсенал лекарств, применяемых в медицине, одной из важнейших проблем остается их адресная доставка с целью повышения эффективности лечения. Обычно, лекарственная субстанция после адсорбции распределяется по тканям организма относительно равномерно. В частности, противоопухолевые препараты не только подавляют деление трансформированных клеток, но и активно делящихся нормальных клеток. С этим связаны побочные эффекты многих цитостатиков. Внедрение новых подходов для решения проблемы адресной доставки лекарств позволит значительно улучшить не только качество жизни пациентов за счет снижения побочных эффектов, но и повышает избирательность доставки и эффективность лечения.
Адресная доставка лекарств при противоопухолевой терапии позволит решить несколько проблем: защитить лекарства от деградации и нежелательных взаимодействий с биологическими молекулами; увеличить селективную сорбцию лекарств опухолевыми клетками; контролировать фармакокинетику; увеличить биодоступность лекарств в опухоли. Направленный транспорт лекарств в очаг развития патологического процесса позволяет добиться повышения эффективности уже существующей лекарственной терапии с помощью нанокапсул и векторов для генной терапии, в частности, дендримеров. В данный момент некоторые нанопрепараты получили одобрение при лечении различных заболеваний, в первую очередь онкологических. На рисунке наноробот «делает укол» эритроциту:
В настоящее время нанотехнологии находят применение практически во всех областях, в том числе и в сельском хозяйстве: растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии, перерабатывающей промышленности, производстве сельхозтехники и т.д. В растениеводстве применение нанопрепаратов в качестве микроудобрений обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности почти всех продовольственных. Эффект достигается благодаря более активному проникновению капсул в растение за счет наноразмера и их нейтрального статуса. Далее профессор А. Эфтихари рассказал на английском языке о совместных с профессором Р.Халиловым и его сотрудниками научно-исследовательских работах, проектах и совместных статьях в области бионанотехнологии. В заключение профессор Р. Халилов рассказал о проведенных ими экспериментальных работах, полученных фундаментальных результатах в области бионанотехнологии. Лекция продолжилась длительной дискуссией. Участники конференции, длившейся 2,5 часа, студенты и преподаватели задали много вопросов о природе наноявлений и критических технологиях на их основе, о феномене адресной доставки лекарств, на которых лекторы дали подробные ответы.
