;
Кейсы 8 февраля 2021

Нанокристаллы, особые белки растений и лечение опухолей: разработки молодых ученых

Далее

Объявлены лауреаты премии в области науки и инноваций для молодых ученых за 2020 год. Премии президента РФ выиграли за разработку интерфейса «мозг — компьютер», платформу для воспроизведения синтеза нанокристаллов, а также открытие особого типа белков растений.

Методологическая платформа для воспроизводимого синтеза нанокристаллов

Нитевидный нанокристалл (ННК), часто называемый также нановискер (от англ. nanowhisker) или нанонить, нанопроволока, а также наностержень  — это одномерный наноматериал, длина которого значительно превосходит остальные измерения, которые, в свою очередь, не превышают нескольких десятков нанометров.

Существуют различные виды ННК, среди которых металлические, полупроводниковые (например, из Si, InP, GaN и другие), молекулярные (состоящие из молекулярных единиц органического либо неорганического происхождения) и другие.

Существует несколько принципиально различных механизмов получения одномерных наноструктур, которые можно поделить на методы для получения свободных структур (например, механизм роста «пар — жидкость — кристалл») и использующие методы планарной технологии, а также некоторые другие.

  • Механизм роста «пар — жидкость — кристалл»

Наиболее распространенным механизмом роста полупроводниковых ННК является механизм «пар — жидкость — кристалл», который был продемонстрирован еще в 1964 году. В данном методе осуществляется эпитаксиальный рост ННК методами химического осаждения из газовой фазы или молекулярно-пучковой эпитаксии.

Для этого на поверхность подложки сначала осаждается тонкая пленка золота, играющего роль катализатора, после чего в камере повышается температура, и золото образует массив капель.

Далее подаются компоненты для роста полупроводникового материала, например элементы In и P для роста InP ННК. Эффект активации частицами катализатора заключается в том, что рост на поверхности под каплей происходит во много раз быстрее, чем на неактивированной поверхности, таким образом, капля катализатора поднимается над поверхностью, наращивая под собой нитевидный кристалл.

  • Методы планарной технологии

Иногда для создания одномерных нанообъектов, которые также называют ННК или нанонитями, используют методы планарной технологии. Например, на поверхности методами фотолитографии и травления создаются вертикальные пазы или V-образные канавки, в которые осаждается материал. Собираясь в данных пазах или канавках, материал образует как бы одномерные наноструктуры в вертикальном или горизонтальном направлениях соответственно.

Другой метод получения одномерных наноструктур заключается в том, что на SOI-подложке методами фото— и электронной литографии создается масочный слой с рисунком желаемого ННК. Далее через этот слой поверхностный слой кремния стравливается, оставляя лишь ННК кремния на изоляторе. В некоторых случаях изолятор также вытравливают из-под ННК, оставляя свободные наноструктуры.

  • Спонтанный рост

Самый простой метод для получения ННК оксида металла это обычный нагрев металлов на воздухе может быть легко сделать в домашних условиях. Механизмы роста известны с 1950-х годов. Спонтанное образование ННК происходит с помощью дефектов кристаллической решетки: дислокаций, присутствующих в определенных направлениях или анизотропии роста различных граней кристалла.

После продвижения в микроскопии, продемонстрирован рост ННК при помощи винтовых дислокаций или границ двойников.

Хайдуков разработал методологическую платформу для воспроизводимого синтеза нанокристаллов, которые, будучи облученными электромагнитными волнами низкой энергии, после ряда электронных переходов в атомах переиспускают фотоны уже более высокой энергии. При этом спектр такого излучения можно настраивать.

  • Открытие

Одна из премий присуждена заведующему лабораторией Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН Евгению Хайдукову за разработку передовых технологий на платформе антистоксовых нанокристаллов.

Синтезированные таким образом нанокристаллы имеют перспективы применения в целом ряде областей. Например, для зондирования биологических процессов в клетках и практического применения в медицинской диагностике и терапии. В частности разработка послужила основой нового метода фотодинамической терапии меланомы с использованием витамина B2.

Особые белки растений

Одна из премий присуждена коллективу петербургских ученых за открытие амилоидных белков у растений, которые отвечают за накопление питательных веществ внутри семян. 

  • Амилоид

Архитектурно амилоид — это неветвящиеся белковые фибриллы, состоящие из мономеров, связанных преимущественно за счет водородных связей между β-цепями межмолекулярных β-слоев, расположенных перпендикулярно к латеральной оси фибриллы.

Данный вариант структуры фибриллы называют «кросс-β», и он является наиболее универсальным. β-слои в амилоидной фибрилле могут располагаться параллельно друг другу и в регистре (сходные аминокислоты соседних β-цепей находятся друг над другом и соединены водородными связями).

Реже встречаются амилоиды с антипараллельной ориентацией β-цепей. Также интересный вариант укладки имеют фибриллы приона (инфекционного амилоидного белка) HET-s аскомицета Podospora anserina в виде β-спиралей.

  • Строение

Амилоид имеет сложное строение. Основным компонентом его являются белки, среди которых обнаружены как фибриллярные (тканевые) белки типа коллагена, так и плазменные белки — α- и γ-глобулины, фибриноген.

Полисахариды амилоида представлены хондроитинсерной и гиалуроновой кислотами, гепарином, нейраминовой кислотой, причем преобладают хондроитинсульфаты. Амилоид обладает антигенными свойствами; устойчив к действию многих ферментов, кислот, щелочей благодаря прочности связей между белковыми и полисахаридным компонентами. 

  • Открытие

Лауреаты впервые в мире обнаружили у растений и симбиотических бактерий специфические функциональные белки — амилоиды, обладающие уникальной устойчивостью к действию пищеварительных ферментов и способные годами сохраняться во внешней среде. Их раньше встречали у бактерий, архей, животных и грибов, но впервые нашли у растений.

Особая фибриллярная форма белков — амилоиды — стала известна благодаря своей связи с рядом заболеваний, вызванных аномальной агрегацией белка (амилоидоз). Всего существует более 40 болезней человека, связанных с амилоидами, причем они с большим трудом поддаются лечению или являются вовсе неизлечимыми (диабет, рак, Альцгеймер и так далее).

Открытие амилоидных белков у растений стало возможным благодаря разработанному авторами биоинформатическому алгоритму, наиболее производительному по сравнению с аналогами.

С его помощью впервые в мире была исследована вся совокупность белков и с высокой точностью определено, что склонностью к формированию амилоидов обладают запасные белки семян растений, являющиеся важнейшим компонентом рациона питания человека. А также белки симбиотических бактерий, отвечающие за их взаимодействия с растениями.

Злокачественные опухоли

Евгению Долгову, Екатерину Поттер и Анастасию Проскурину из Федерального исследовательского центра «Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук» наградили премией «за формирование новой идеологии в лечении пациентов со злокачественными опухолями, основанной на скоординированном по времени действии инновационных препаратов нуклеиновых кислот и кросс-линкирующих цитостатиков». 

Лауреаты создали и апробировали две уникальные технологии лечения опухолей различной этиологии, основанные на ранее неизвестных принципах.

  • Панаген

Первая технология представляет собой скоординированное с химиотерапией применение препарата «Панаген» на основе фрагментированной двуцепочечной ДНК.

Ученые успешно провели доклинические исследования, I и II фазы клинических исследований «Панагена» при лечении рака молочной железы. Они доказали, что препарат не только снижает негативные последствия химиотерапии, но и способствует активации противоопухолевого иммунитета.

  • Каранахан

Вторая технология — «Каранахан» — представляет собой уникальный метод подбора режима инъекций цитостатика, блокирующего деление клеток, и препарата на основе ДНК индивидуально для каждой опухоли.

В результате совместного действия двух активных субстанций происходит уничтожение опухолевых клеток, включая стволовые опухолевые клетки. Технология была успешно апробирована на экспериментальных опухолях мыши и человека.

Она может быть как самостоятельным вариантом лечения, так и являться своеобразной платформой для более эффективного использования любых противоопухолевых средств и технологий.

Интерфейс «мозг — компьютер»

Владимиру Максименко из «Университета Иннополис» (Татарстан) награду присудили за разработку инвазивных и неинвазивных интерфейсов «мозг — компьютер» для контроля нормальной и патологической активности мозга.

  • НКИ

Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) (называемый также прямой нейронный интерфейс, мозговой интерфейс, интерфейс «мозг — компьютер») — система, созданная для обмена информацией между мозгом и электронным устройством (например, компьютером).

В однонаправленных интерфейсах внешние устройства могут либо принимать сигналы от мозга, либо посылать ему сигналы (например, имитируя сетчатку глаза при восстановлении зрения электронным имплантатом).

Двунаправленные интерфейсы позволяют мозгу и внешним устройствам обмениваться информацией в обоих направлениях. В основе нейрокомпьютерного интерфейса часто используется метод биологической обратной связи.

  • Опыты животных

Нескольким лабораториям удалось записать сигналы от коры головного мозга обезьяны и крысы для управления НКИ при движении. Обезьяны управляли курсором на экране компьютера и давали команды на выполнения простейших действий роботам, имитирующим руку, мысленно и без каких-либо движений. Другие исследования с участием кошек были посвящены расшифровке визуальных сигналов.

  • Открытие

В результате ученый разработал ряд математических моделей нейронных сетей, а также три нейрокомпьютерных интерфейса («мозг — компьютер»). Созданные интерфейсы позволяют инвазивно, то есть путем электрической стимуляции предотвращать и блокировать приступы у больных эпилепсией.

Например, этот способ можно применять, когда медикаментозное воздействие для снятия приступа оказывается неэффективным.

Кроме того, интерфейсы позволяют неинвазивно, то есть без проникновения через внешние покровы организма, моделировать воображаемую двигательную активность и определять концентрацию внимания, что актуально для реабилитации больных после инсульта, при обучении школьников и так далее.

Читать далее

Посмотрите на изображение Марса из 8 триллионов пикселей

Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят

Загрузка...