Считается, что нанотехнологии — это начало третьей научно-технической революции (НТР-3) — появления новой реальности, которая меняет облик мира уже в начале XXI века.К миру наноструктур (наномиру) относятся объекты или связанные структуры, имеющие характерные размеры от долей нанометpa до сотен нанометров. Приставка «нано» означает десять в минус девятой степени, то есть миллиардные доли метра — размеры нанообъектов. Нижняя граница определяется классическим радиусом атома порядка 0,1 нанометра, верхняя — размерами до 0,1 микрометра(100 нм), т.е. размеров биомолекул, при которых утрачивается специфика поведения и свойств наночастиц.
Термин нанотехнология (nanotechnology), впервые ввел Эрик Дрекслер, напечатав в 1986 г. книгу «Машины созидания. Грядущая эра нанотехнологии». Нанотехнология обещает проникнуть во все сферы деятельности человека, кардинально изменить производство, экономику и жизнь в целом, подобно тому, как это случилось в результате компьютерной революции в конце XX века. Отчетливо видны перспективы использования нанотехнологий в медицине, биологии, химии и многих других отраслях. С помощью нанотехнологий уже созданы уникальные материалы, разработаны невозможные ранее методы исследований.
Так, получены материалы с наночастицами серебра, обладающие антибактериальными свойствами. Белье из такого материала может носиться в течение длительного времени без стирки. Такие материалы используют в сельском хозяйстве, например в доильных аппаратах, решают проблему загрязнения фильтров любых кондиционеров. Разрабатываются материалы для клеточных технологий; создаются биосовместимые полимеры, как синтетические (лавсан, тефлон), так и биодеградируемые — природные (хитозаны, ацетилцеллюлоза и др.) и бактериального (полиоксиалканоаты) происхождения. Например, если тефлон, подвергнуть ионно-плазменной обработке и на его поверхности создать рельеф с заданной шероховатостью, то этот полимер приобретает абсолютно новые, уникальные свойства, например, антибактериальную активность. Это значит, что можно обеспечить уменьшение в воздухе и различных средах концентрацию патогенных бактерий и грибов при контакте их с пленкой, обработанной таким образом. Зависимость антибактериальной активности от геометрических и энергетических параметров поверхности имеет пороговый характер. В России уже сделан научно-практический задел в направлении использования наноматериалов для восстановления механических свойств зубной эмали. Ведутся разработки и в области технологии обработки поверхностей методом нанонапыления с целью придания им антибактериальных свойств.
Другое направление связано с созданием полифункциональных композитных материалов на базе интеграции синтетических и природных наноструктурированных полимеров, например, хитозана, и наноматериала в виде фуллерена. Такой нанокомпозитный биоматериал обладает противоопухолевыми, антибактериальными и иммуномодулирующими свойствами.
Сейчас на основе нанопор создаются молекулярные детекторы, которые позволяют решить задачу прочтения индивидуальных геномов. Регистрации чувствительности детектирования достаточно для того, чтобы различать различные типы нуклеотидов в составе цепочки ДНК. При этом чтение последовательности нуклеотидов происходит со скоростью в сотни тысяч раз большей, чем при использовании стандартных методов последовательности нуклеотидов ДНК.
В настоящее время наиболее развитые разделы нанобиотехнологии — это расшифровка геномов различных организмов, в том числе и человека, генная инженерия, использование органических молекул в электронных чипах, внутриклеточные манипуляции и многое другое.
Наиболее безопасные, практически важные направления, которые развиваются в области нанобиотехнологий в последнее время, относятся к разработкам методов последовательности нуклеотидов в ДНК и выявления полиморфизма геномов. Это позволяет вести поиск белков-маркеров патологических состояний, разрабатывать новые технологии повышения концентрационной чувствительности и производительности молекулярной диагностики. Нанобиотехнологии вносят существенный вклад в развитие методов оценки биобезопасности генетически модифицированных продуктов, а также оптимизации методов генной терапии.
Большое значение для определения нуклеотидной последовательности и изучения полиморфизма геномов получило развитие методов использования ДНК-микроматриц (ДНК-чипов). Микроматрицы ДНК — техническое достижение в цепочке методов нанобиотехнологий, использующих принципиальное свойство двойной спирали ДНК — комплементарность последовательностей двух цепочек.
Микроматрицы (микрочипы), содержащие тысячи иммобилизованных фрагментов нуклеиновых кислот, доступных для исследований, являются основой развития новой области молекулярной генетики — геномики (науки о геноме). Очевидно, что фундамент этой новой науки составляют определение первичных последовательностей ДНК, их физическая упорядоченность в геномах, размах и закономерности их полиморфизма, скорость эволюции. Использование микроматриц позволяет создавать ДНК-диагностикумы для выявления мутаций в структурных генах.
Технология микрочипов ДНК дает возможность осуществлять мониторинг экспрессии большого количества генов и изучать профили генной экспрессии различных клеточных популяций на разных стадиях развития, цитодифференицировки и органогенеза Изучение изменений профилей генной экспрессии широко используется для выявления генных ансамблей, транскрипция которых меняется в ответ на различные регуляторные воздействия, в частности, при индукции клеточного деления и прохождении различных стадий клеточного цикла, на регуляторы клеточной дифференцировки, индукторы запрограммированной клеточной гибели. Возможность одновременного наблюдения за изменением экспрессии очень большого числа генов в строго контролируемых условиях открывает новые перспективы функционального исследования генома как единого целого.
Несмотря на большие методические трудности и дороговизну, микроматрицы ДНК находят свое применение как в фундаментальных исследованиях, так и в решении прикладных задач. Основные проблемы при использовании этих методов в ограничении по чувствительности обнаружения гибридизационных сигналов и по специфичности гибридизации, трудности в количественной оценке сигналов и обработке большого количества получаемых данных с целью их интерпретации, а также высокая стоимость микрочипов ДНК.
Предполагается, что объем рынка нанотехнологий через 10—12 лет сравняется с рынком информационных технологий, а потом и обгонит его. Нанотехнологии признаны основной движущей силой науки и техники XXI века. К 2015 г. мировой рынок продукции нанотехнологий составит по оценкам экспертов триллион долларов, а потребность в специалистах — два миллиона человек.
Под эгидой организации ФАО создана база данных о 160 проектах использования нанотехнологий в сельском хозяйстве, которые финансировались и разрабатывались в 2006 г. Большинство из них связано с пищевой промышленностью, использованием наноматериалов для упаковки пищевых продуктов или определения и, в отдельных случаях, нейтрализации опасных токсинов, аллергенов или патогенов.
Развиваются проекты по созданию и улучшению пищевых добавок. Например, разрабатывается технология получения растительного масла с нанодобавками, которые вызывают кластеризацию жирных кислот и препятствуют поступлению холестерина в кровь млекопитающих. Создаются добавки, которые делают шоколад более мелкодисперсным.
Другая группа проектов направлена на развитие более эффективных и средосберегающих агротехнологий. Это, например, использование наноматериалов для очистки вод в агроэкосистемах, или их применение для переработки отходов растениеводства в этанол. Проводится разработка проектов с использованием наноматериалов для более точной и безопасной доставки пестицидов к биологическим мишеням, питательных веществ — к растениям.
В этих проектах используются следующие технологии: транспортные процессы (наноматериалы, как агенты транспорта химических соединений, молекул и т.д.), биоселектирующие поверхности (наноматериалы с увеличенной или сниженной способностью связываться со специфическими молекулами или организмами), биоразделение (наноматериалы или нанопроцессы, которые способствуют разделению молекул, биомолекул или организмов), микропотоки (потоки в наношкале, которые используются для разделения, контроля или анализа состава, состояния свойств исследуемых объектов) и миикроэлектромеханические системы (позволяют исследовать каналы и поверхности, потоки вещества через них), нанобиопроцессинг (использование нанотехнологий или биотехнологических процессов для создания веществ с желательными свойствами), биоинженерия нуклеиновых кислот (использование ДНК в качестве блоков для формирования наночастиц или использования наночастиц для генной инженерии), адресовка веществ (использование наноматериалов для адресной доставки веществ к клеткам-мишеням у животных), моделирование (использование нанотехнологий для построения моделей наноматериалов и их применения в сложных системах).
По направлению исследований выделяются следующие проекты использования нанотехнологий:
биосенсоры — контроль биологических процессов или биомолекул, или определение биомолекул, биохимических процессов, или организмов;
— защита окружающей среды («зеленая» инженерия) — изучение состояния окружающей среды, удаление загрязнителей или уменьшение отходов, включает также изучение средовых эффектов наноматериалов;
— устойчивое сельское хозяйство — уменьшение его разрушающего действия на окружающую среду, качество питьевой воды, а также для получения конечной продукции менее энергоемким путем;
— определение патогенов — определение патогенов в окружающей среде, организмах животных и растений, кормах, конечной сельскохозяйственной продукции;
— растениеводств и животноводство — селекционная работа, включая методы трансгеноза или клонирования, повышение устойчивости растений к биотическим (сорняки, болезни, вредители, высокие температуры, заморозки, засухи и т.д.) и абиотическим (обработки пестицидами) стрессорам, а также использование растений (рапс, кукуруза, подсолнечник, сахарный тростник и других) для получения биотоплива;
— низкотемпературная досушка с обеззараживанием зерна и плодов;
— ветеринария — улучшение здоровья животных, повышение безопасности пищевой животноводческой продукции, формирование оптимального микроклимата;
— пищевая промышленность — повышение питательной ценности продуктов, совершенствование технологий переработки пищевого сырья и улучшение качества пищевых продуктов, обеспечение потребностей диетического питания, а также методы ультрафильтрации, позволяющие управлять цветом, ароматом и другими свойствами конечной продукции;
— нанобиопромышленные продукты — получения продуктов, необходимых промышленности (например, энергоисточники) из сельскохозяйственного сырья или отходов сельского хозяйства;
— сельскохозяйственная техника — нанопорошковые материалы, повышающие ресурсы машин (увеличение стойкости к температуре, влаге, износу и т.д.); упрочнение режущих элементов; нанодобавки к шинам, маслам; уменьшение вредных выбросов;
— наноэлектробиотехника — модификация биологических и физиологических процессов на уровне клетки с помощью наночастиц за счет воздействия электронов, протонов, ионов, фотонов; направленное влияние оптического излучения (УФ) на сельскохозяйственные объекты;
— наномембраны и пленки — светотрансформирующие пленки, мембраны для очистки воздуха и воды, опреснения морской воды; пленки с наночастицами серебра для бактерицидных фильтров, в том числе для молочной промышленности, а также как элемент упаковочного материала; использование силатранов, кремнийорганических биостимуляторов; разработка самоочищающихся кремниевых мембран.
Объем современных ежегодных инвестиций в реализацию третьей научно-технической революции можно оценить в 20—50 млрд долл. Ожидается, что именно ее достижения и будут лежать в основе устойчивого развития, декларировавшегося на Всемирной встречи на высшем уровне, проведенной под эгидой ООН в Иоганнесбурге (ЮАР) 26 августа — 4 сентября 2002 г. Принятая на этом саммите Декларация глав государств заканчивается словами: «Мы торжественно обязуемся перед народами мира и перед поколениями, которые неизбежно унаследуют нашу Землю, решительно действовать для обеспечения того, чтобы наша общая надежда на устойчивое развитие сбылась».
В.И. Глазко, доктор сельскохозяйственных наук, специально для газеты "Защита растений"