0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Стоп инфекция: Roswell Biotechnologies и Imec разрабатывают биосенсорные чипы нового поколения

Презентация по биотехнологии на тему «Биосенсоры и Биочипы»

Описание презентации по отдельным слайдам:

Биосенсоры и Биочипы

Биосенсоры — это аналитические устройства, в кото­рых чувствительный слой, содержащий биологический ма­териал, реагирует на присутствие определяемого компонента и генерирует электрический сигнал, функционально связан­ный с наличием и концентрацией этого вещества. Биомате­риалом могут служить ферменты, ткани, бактерии, дрож­жи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК, а также клетки, которые иммобилизованы на физи­ческих датчиках

Идея создания такого рода устройств возникла сравни­тельно недавно, в 1960-х гг. Впервые ее высказали JI. Кларк и К. Лионе в 1967 г. Идея Кларка состояла в использова­нии ферментного электрода, т. е. электрохимического дат­чика с иммобилизованным на его поверхности ферментом. Затем в обиход вошло понятие «биосенсор».

Принципы конструирования биосенсоров. Конструк­тивно биосенсор представляет собой устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, — биохими­ческого и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом

Разновидности биосенсоров и их применение. Ферментные биосенсоры могут быть представлены ферментными электродами, ферментными микрокалориметрическими датчиками, биодатчиками на основе хеми- и биолюминесценции.

Клеточные биосенсоры. Одно из достижений биотехно­логии связано с развитием методов включения живых кле­ток в полимеры и твердые носители различной природы и применением такого рода материалов для решения задач медицины и управляемого биосинтеза.

Для создания биосенсоров используют различные микро­организмы: Neigrospora еигореа — для определения аммиака, Trichosporon brassicae — для определения уксусной кислоты, Sarcina flava — для определения глутамина, Azotobacter vinelaudit — для определения нитратов и др

Биосенсоры можно использовать также для: измерения пищевой ценности, свежести и безопаснос­ти продуктов питания; экспресс-анализа крови непосредственно у кровати больного; обнаружения и измерения степени загрязнения окру­жающей среды; детекции и определения количества взрывчатых ве­ществ, токсинов и возможного биологического оружия; извлечения металлов из сточных вод; изготовления водородных солнечных элементов; очистки природных и сточных вод.

Биочипы Прообразом современных биочипов послужил Саузернблотт, изготовленный в 1975 г. Э. Саузерном. Он использо­вал меченую нуклеиновую кислоту для определения специ­фической последовательности фрагментов ДНК, зафиксиро­ванных на твердой подложке. В России ученые начали ак­тивно разрабатывать биочипы только в конце 1980-х гг. в Институте молекулярной биологии РАН под руководством А.Д. Мирзабекова.

Биочип и принцип его работы. Существует несколько разновидностей биочипов — матричные (с иммобилизован­ной ДНК), микрофлюидные (капиллярные) и биочипы с ис­пользованием микросфер с цветовой кодировкой. размеры ячеек лежат в пре­делах 50-200 микрон, Общее число ячеек на чипе составляет 103-105, а его линейные размеры со­ставляют приблизительно 1 см.

Чаще всего для изготовления чипов служат пластинки из стекла, пластика, полупроводника или металла, на кото­рые наносят биологические макромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательно связывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе.

В зависимости от того, какие макромолекулы использу­ются, выделяют различные виды биочипов, ориентирован­ные на разные цели. В настоящее время преобладает произ­водство ДНК-чипов (94 %), т. е. матриц, несущих молеку­лы ДНК. Оставшиеся 6 % составляют белковые чипы.

В основе принципа работы всех типов биочипов с иммо­билизованной ДНК лежит точное соответствие между пря­мой и комплементарной ДНК по правилу Уотсона — Крика (А/Т или G/С). Гибридизуемая ДНК обычно заранее нара­батывается в достаточных количествах с помощью полиме­разной цепной реакции (ПЦР). Далее в ходе реакции на чи­пе происходит взаимодействие комплементарных цепей ДНК: одна из них с известной последовательностью нукле­отидов зафиксирована на пластине, а другая одноцепочеч­ная ДНК-мишень, меченная флуоресцентной меткой, нано­сится на ДНК-чип.

Особенностью российских гелевых биочипов является то, что такие гели удерживают большее количество пробы, неже­ли двухмерные, и потому чувствительность отечественных биочипов выше, а следовательно, ниже требования к реги­стрирующей аппаратуре. Немаловажно и то, что реакции в объемном геле протекают так же, как и в жидкостях, т. е. как в живом организме. Это позволяет получить результат, максимально приближенный к реальности.

ДНК микрочипы применяют с целью практического ис­пользования информации, полученной в результате секвенирования геномов человека и других живых организмов, а именно для: идентификации мутаций в генах, связанных с раз­личными заболеваниями; наблюдений за активностью генов; диагностики инфекционных заболеваний и определе­ния наиболее эффективного метода терапии; идентификации генов, важных для продуктивности сельскохозяйственных культур; скрининга микроорганизмов, как патогенных, так и полезных, например используемых для восстановления за­раженных органическими отходами почв.

Чтобы использовать известные последовательности ге­нов и геномных карт, необходимо определить функции вхо­дящих в их состав генов. Без белковых микрочипов эта ра­бота очень трудоемка. Белковые биочипы, несущие молекулы, «чувствительные» к различным низкомолекулярным соединениям, уже в скором будущем позволят определять наличие широкого спектра лекарственных веществ, гормонов, наркотиков, ядов.

Белковые микрочипы предполагается использовать для: — обнаружения белковых биомаркеров, характерных для различных заболеваний и даже разных их стадий; — оценки потенциальной эффективности и токсичности препаратов в доклинических испытаниях; — измерения различий в синтезе белков отдельными типами клеток; клетками, находящимися на разных стадиях развития; здоровыми и патологически измененными клетками; — изучения взаимосвязи между структурой и функциями белков; — оценки экспрессии белков с целью выявления мишеней для новых лекарственных препаратов; — изучения взаимодействий между белками и другими молекулами.

Применение биочипов. Биочипы применяют как для исследовательских целей, так и в практической медицине. Они помогают в поиске и установлении функций различ­ных генов. Используя биочипы, можно диагностировать не только наследственные заболевания, но и болезни, являющиеся ре­зультатом прижизненных мутаций в генетическом коде. Микрочипы помогают изучать молекулярные механизмы и осуществлять проверку действия различных лекарств, причем показания и противопоказания по применению пре­паратов можно выявлять на индивидуальном уровне.

Разрабатываются также биочипы для диагностирования различных форм туберкулеза. Биочипы можно применять для контроля за некоторыми смертельно опасными бактериями (так, есть биочипы, позво¬ляющие определять возбудителей сибирской язвы, оспы, чу¬мы и бруцеллеза). Российские ученые получили грант Американского центра по контролю заболеваний (CDC) для совместной работы по выявлению штаммов вирусов гриппа.

  • Беспалова Виктория Владимировна
  • Написать
  • 4466
  • 07.04.2017

Номер материала: ДБ-336444

Добавляйте авторские материалы и получите призы от Инфоурок

Еженедельный призовой фонд 100 000 Р

  • 07.04.2017
  • 359
  • 07.04.2017
  • 391
  • 07.04.2017
  • 461
  • 07.04.2017
  • 2390
  • 07.04.2017
  • 1053
  • 07.04.2017
  • 1213
  • 07.04.2017
  • 1001

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения авторов.

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако редакция сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Биосенсорные чипы и 3D-печатные зубы: топ-5 перспективных биотехнологий

Современные открытия в области биотехнологий впечатляют и пугают одновременно. Трудно поверить: то, что еще вчера было сюжетом для фантастических фильмов, сегодня является частью нашей жизни. Разница в том, что реальные супергерои не носят плащи, они носят белые халаты и зовутся гордо — учеными.

Читать еще:  Cerca Trova, или Возвращение Леонардо

О пяти перспективных биотехнологиях «Робохантеру» рассказал Юрген Кениг — генеральный директор и президент компании Merck в России и СНГ.

Полный контроль

Анализируя и идентифицируя гены, можно изучать происхождение заболеваний и находить способы их лечения. Один из приборов для такой идентификации разработан научно-технологической компанией Merck. Прибор SmartFlare RNA позволяет в режиме реального времени распознавать гены, которые контролируют деятельность живых клеток.

Зонды SmartFlare на основе наночастиц вводятся в клетку и циркулируют внутри, связываясь с последовательностями РНК. Процесс придает клетке флуоресцентное свечение, с помощью чего возможно провести анализ.

Таблетка-робот

Ученые по всему миру разрабатывают биосенсорные чипы, которые вводятся под кожу и анализируют состояние организма.

Швейцарские исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны создали чип, который проводит анализ крови — сообщает о содержании в ней глюкозы, холестерина, а также определенных лекарственных препаратов.

В MIT разрабатывают подобный чип, но с другими функциями. В зависимости от химического состава крови устройство может выбрасывать в нее определенные вещества. Например, при выявлении низкого уровня содержания глюкозы капсула впрыснет инсулин. Это помогает надолго забыть о неприятных процедурах приема лекарств.

Подкожный чип для анализа крови — разработка Федеральной политехнической школы Лозанны

Время вспять

Сколько существует человечество, столько оно и борется со старостью. Если посмотреть на среднюю продолжительность жизни сегодня, можно заметить успех в этой области. Однако вместе с долголетием приходят и различные расстройства (например, деменция), а также такие заболевания, как сахарный диабет и некоторые виды рака.

В Merck решением этих проблем занимаются более 5000 ученых. Так, линейка продуктов компании для исследования стволовых клеток позволяет выяснить, почему взрослые стволовые клетки прекращают самообновление и почему у нас появляются седые волосы. Специалисты используют платформы Merck для клеточного анализа, чтобы понять, как среда, окружающая клетки, может влиять на их старение.

Зубная ферма

Биоинженерная технология создания полноценных коренных зубов развивается во многих странах, среди них — Япония, США и Великобритания. В России над этим работает Московский государственный медико-стоматологический университет совместно с Московским университетом «Станкин» и лабораторией «3Д Биопринтинг Солюшенс». По словам ученых, зубы можно вырастить из зачатка, взяв его у эмбриона (пока это самая большая проблема) или сконструировав из стволовых клеток. Имплантаты и пломбы – не самое надежное решение «зубных проблем», а вот выращенные зубы смогли бы стать хорошей альтернативой. Еще один перспективный вариант – 3D-печать зубов.

Операция на генах

Ученые всех передовых стран занимаются решением вопроса лечения таких заболеваний, как рак и СПИД. Ведущие мировые умы научились не только читать геном, но и воздействовать на него. Проще говоря, вредоносный ген удаляется из организма и заменяется здоровым. В будущем такая технология может совершить настоящий прорыв в лечении заболеваний.

Прогресс уже есть: в 2017 году прошла первая в мире операция по редактированию генома человека прямо в теле. Пациентом стал мужчина с синдромом Хантера — генетическим заболеванием, при котором сложные углеводы накапливаются в клетках и вызывают патологии органов. Ученым удалось доставить в организм пациента «правильные» копии гена, которые стали частью его ДНК и сохранились в ней навсегда.

Пациент, которому провели операцию по редактированияю генома

Технологии биотехнологии: белковая инженерия, нанобиотехнология, биосенсоры и биочипы

Начало брошюры см. здесь.

Белковая инженерия

Технология белковой инженерии используется (часто – в сочетании с методом рекомбинантных ДНК) для улучшения свойств существующих белков (ферментов, антител, клеточных рецепторов) и создания новых, не существующих в природе протеинов. Такие белки применяются для создания лекарственных препаратов, при обработке пищевых продуктов и в промышленном производстве.

В настоящее время наиболее популярной областью применения белковой инженерии является изменение каталитических свойств ферментов для разработки «экологически дружественных» промышленных процессов. С точки зрения охраны окружающей среды ферменты являются наиболее приемлемыми из всех катализаторов, используемых в промышленности. Это обеспечивается способностью биокатализаторов растворяться в воде и полноценно функционировать в среде с нейтральным рН и при сравнительно низких температурах. Кроме того, благодаря их высокой специфичности, в результате применения биокатализаторов образуется совсем немного нежелательных побочных продуктов производства. Экологически чистые и энергосберегающие промышленные процессы, использующие биокатализаторы, уже давно активно внедряются химической, текстильной, фармацевтической, целлюлозно-бумажной, пищевой, энергетической и других областях современной промышленности.

Однако некоторые характеристики биокатализаторов делают их использование в ряде случаев неприемлемым. Например, большинство ферментов распадается при повышении температуры. Ученые пытаются преодолеть подобные препятствия и увеличить стабильность ферментов в суровых условиях производства с помощью методов белковой инженерии.

Кроме промышленного применения, белковая инженерия нашла себе достойное место и в медицинских разработках. Исследователи синтезируют белки, способные связываться с вирусами и мутантными генами, вызывающими опухоли, и обезвреживать их; создают высокоэффективные вакцины и изучают белки-рецепторы клеточной поверхности, которые часто являются мишенями для фармацевтических препаратов. Ученые, занимающиеся усовершенствованием продуктов питания, используют белковую инженерию для улучшения качеств белков, обеспечивающих сохранность продуктов растительного происхождения, а также желирующих веществ или загустителей.

Еще одной областью применения белковой инженерии является создание белков, способных нейтрализовать вещества и микроорганизмы, которые могут быть использованы для химических и биологических атак. Например, ферменты гидролазы способны обезвреживать как нервнопаралитические газы, так и используемые в сельском хозяйстве пестициды. При этом производство, хранение и использование ферментов не опасно для окружающей среды и здоровья людей.

Биосенсоры

Биосенсорная технология сочетает в себе достижения биологии и современной микроэлектроники. Биосенсор обычно состоит из биологического компонента (клетки, фермента или антитела), соединенного с крошечным преобразователем – прибором, приводимым в действие одной системой и передающим энергию (обычно в другой форме) другой системе. Бисенсоры являются детекторами, действие которых основано на специфичности клеток и молекул и используется для идентификации и измерения количества малейших концентраций различных веществ.

При связывании искомого вещества с биологическим компонентом биосенсора преобразователь генерирует электрический или оптический сигнал, мощность которого пропорциональна концентрации вещества. Биосенсоры могут быть использованы для:

– измерения пищевой ценности, свежести и безопасности продуктов питания;
– экспресс-анализа крови непосредственно у кровати больного;
– обнаружения и измерения степени загрязнения окружающей среды;
– детекции и определения количества взрывчатых веществ, токсинов и возможного биологического оружия.

Нанобиотехнология

Нанотехнология, появившаяся в 2000 году одновременно с возникновением Национальной нанотехнологической инициативы (оставим этот америкоцентризм на совести авторов – КБ), является следующим шагом на пути человечества к минимизации, которая уже дала нам микроэлектронику, микрочипы и микросхемы. Слово нанотехнология произошло от единицы измерения нанометр, составляющей одну тысячную микрометра (микрона), что является приблизительным размером молекулы. Нанотехнология – изучение, производство и манипуляции над сверхмалыми структурами и приспособлениями, состоящими из одной молекулы, – возникла благодаря созданию микроскопических приборов, обеспечивающих возможность визуализации отдельных молекул, манипулирования ими и измерения возникающих между ними электромагнитных взаимодействий.

Нанобиотехнология объединяет в себе достижения нанотехнологии и молекулярной биологии. Молекулярные биологи помогают нанотехнологам научиться понять и использовать наноструктуры и наномеханизмы, созданные в результате процесса эволюции, длившегося 4 миллиарда лет, – клеточные структуры и биологические молекулы. Использование особых свойств биологических молекул и клеточных процессов помогает биотехнологам в достижении целей, перед которыми бессильны другие методы.

Нанотехнологи также пользуются способностью биомолекул к самосборке в наноструктуры. Так, например, липиды способны спонтанно объединяться и формировать жидкие кристаллы.

ДНК используется не только для создания наноструктур, но и в качестве важного компонента наномеханизмов. Вполне вероятно, что ДНК, представляющая собой молекулу, хранящую информацию, может стать основным компонентов компьютеров следующего поколения. Вместо того, чтобы создавать кремниевую основу микросхемы, нанотехнологи смогут использовать двухцепочечную молекулу ДНК, которая представляет собой натуральный каркас для создания наноструктур, а ее способность к высокоспецифичному связыванию позволяет объединять атомы в предсказуемой последовательности, необходимой для создания наноструктуры.

Читать еще:  Осторожно, горячо: продажи VR-версии Superhot превысили 2 млн копий

К тому времени, как микропроцессоры и микросхемы превратятся в нанопроцессоры и наносхемы, молекулы ДНК могут заменить используемые в настоящее время неорганические полупроводники. Такие биочипы будут представлять собой ДНК-процессоры, использующие исключительную способность ДНК к хранению информации. Концептуально они будут очень отличаться от биочипов, описанных в одном из следующих разделов. По расчетам, процессор, содержащий 1000 молекул ДНК, в течение четырех месяцев сможет справиться с задачей, для решения которой современному компьютеру требуется не менее ста лет.

Другие биологические молекулы тоже помогают нам в постоянной гонке за созданием способов передачи как можно большего количества информации в как можно меньших объемах. Например, некоторые исследователи используют поглощающие свет молекулы, такие же, как содержатся в сетчатке, для тысячекратного увеличения способности компакт-дисков к хранению информации.

К практическим применениям нанобиотехнологии относятся:

– увеличение скорости и точности диагностики заболеваний;
– создание наноструктур для доставки функциональных молекул в клетки-мишени;
– повышение специфичности и скорости доставки лекарств;
– миниатюризация биосенсоров путем объединения биологического и электронного компонентов в один мельчайший прибор;
– способствование развитию экологически чистых производственных процессов.

Микрочипы

Технология микрочипов – это принципиално новый уровень лабораторных исследований, так как она позволяет проводить одновременное тестирование тысяч образцов. Тысячи молекул ДНК или белков помещаются на стеклянные пластинки для создания ДНК- и белковых чипов соответственно. В последних разработках стеклянные пластинки заменяются особым образом изготовленными стеклянными шариками.

ДНК-микрочипы

ДНК-микрочипы используются для:
– идентификации мутаций в генах, связанных с различными заболеваниями;
– наблюдения за активностью генов;
– диагностики инфекционных заболеваний и определения наиболее эффективного метода антибиотикотерапии;
– идентификации генов, важных для продуктивности сельскохозяйственных культур;
– скрининга микроорганизмов, как патогенных, так и полезных, например, используемых для восстановления зараженных органическими отходами почв.

ДНК-микрочипы необходимы для практического использования информации, полученной в результате секвенирования геномов человека и других живых организмов. Известные последовательности генов и геномные карты значат не так уж много до тех пор, пока не определены функции входящих в их состав генов. Без белковых микрочипов эта работа является настолько же трудоемкой, какой была расшифровка геномов до появления современных секвенаторов.

Белковые микрочипы

Переход от ДНК-микрочипов к белковым микрочипам выглядит вполне логичным шагом, однако его осуществление достаточно проблематично. Структура и функции белковых молекул намного сложнее, чем у молекул ДНК. К тому же белки намного менее стабильны. Каждый тип клеток содержит тысячи различных белков, некоторые из которых обладают уникальными, характерными только для определенного типа клеток, функциями. Кроме того, белковый состав клетки меняется в зависимости от состояния здоровья, возраста и влияния окружающей среды.

Белковые микрочипы будут использоваться для:

– обнаружения белковых биомаркеров, характерных для различных заболеваний и даже разных их стадий;
– оценки потенциальной эффективности и токсичности препаратов в доклинических испытаниях;
– измерения различий в синтезе белков различными типами клеток, клетками, находящимися на разных стадиях развития, а также здоровыми и патологически измененными клетками;
– изучения взаимосвязи между структурой и функциями белков;
– оценки различий в экспрессии белков с целью выявления мишеней для новых лекарственных препаратов;
– изучения взаимодействий между белками и другими молекулами.

Фундаментальный принцип, лежащий в основе технологии микрочипов, вдохновил исследователей на создание большого количества устройств для решения широкого спектра научных задач и создания новых продуктов.

Тканевые микрочипы,

позволяющие проводить анализ тысяч образцов тканей на одном предметном стекле, используются для определения содержания белков в здоровых и патологически измененных тканях и оценки потенциальных мишеней для лекарственных препаратов. Образцы ткани мозга, размещенные на предметных стеклах, позволяют исследователям измерять изменение электрической активности нервных клеток при различных воздействиях.

Клеточные микрочипы

позволяют избежать проблемы нестабильности белков в белковых микрочипах и производить более точный анализ взаимодействий белков внутри клетки.

Микрочипы на основе малых молекул

позволяют фармакологическим компаниям производить одновременный скрининг тысяч потенциальных лекарственных средств.

Биологические микрочипы: будущее медицины

Исследователи в университетах и в фармакологических фирмах проводят на чипах одновременный анализ работы тысяч и десятков тысяч генов и сравнивают экспрессию этих генов в здоровых и в раковых клетках. Такие исследования помогают создавать новые лекарственные препараты и быстро выяснять, на какие гены и каким образом эти новые лекарства действуют. Биочипы являются также незаменимым инструментом для биологов, которые могут сразу, за один эксперимент, увидеть влияние различных факторов (лекарств, белков, питания) на работу десятков тысяч генов.

Что же это такое — биочипы? Точнее всего их описывает английское название DNA-microarrays, т.е. это организованное размещение молекул ДНК на специальном носителе. Профессионалы называют этот носитель «платформой». Платформа — это чаще всего пластинка из стекла или пластика (иногда используют и другие материалы, например кремний). В этом смысле чипы биологические близки к чипам электронным, которые и базируются на кремниевых пластинах. Это организованное размещение занимает на платформе очень небольшой участок размером от почтовой марки до визитной карточки, поэтому в названии биочипов присутствует слово micro. Микроскопический размер биочипа позволяет размещать на небольшой площади огромное количество разных молекул ДНК и считывать с этой площади информация с помощью флуоресцентного микроскопа или специального лазерного устройства для чтения.

Способы изготовления биочипов тоже бывают разными. Одна из крупнейших фирм по производству биочипов — Affymetrix — изготовляет биочипы таким же способом, каким изготовляют электронные чипы (и расположена эта фирма в Силиконовой долине, в Калифорнии). Чипы Affymetrix наращиваются прямо из стеклянной пластинки методом фотолитографии с использованием специальных микромасок. Применение отработанных методов электронной промышленности позволило добиться впечатляющих результатов. На одном таком чипе расположены десятки (а иногда и сотни) тысяч пятен размером в несколько микрон. Каждое пятно — это один уникальный фрагмент ДНК длиной в десятки нуклеотидов.

Изготовленный таким образом биочип в дальнейшем гибридизуют с молекулами ДНК, мечеными красителем. Сравнивают, например, ДНК, выделенную из здоровых клеток, и ДНК, выделенную из раковых клеток. Часто сравнивают ДНК, выделенную из разных больных. После гибридизации на биочипе возникают причудливые узоры. Эти узоры бывают разными у нормальных и у раковых клеток или сильно различаются при различных видах лейкозов. Излечимые виды лейкозов дают одни узоры (паттерны), неизлечимые дают совсем другие паттерны. На рисунке 1 можно видеть, как окрашенная ДНК от разных больных образует различные паттерны на биочипе. Болезнь одна и таже, паттерны — разные. По виду паттернов можно с большой вероятностью предсказать течение болезни на самой ранней ее стадии. В данном случае при паттерне типа 1 верятность метастаз равна нулю, при паттерне типа 2 — уже 29%, при паттернах типа 3 и 4 соответственно 75% и 77%.

Биочипы изготавливают не только методом фотолитографии. Другой подход — это когда олигонуклеотиды (относительно короткие фрагменты однонитевой ДНК) синтезируют отдельно, а затем уже пришивают к биочипу. Чипы такого типа изготавливают в разных фирмах, в частности, в Москве, в Институте молекулярной биологии. Биочипы, изготовленные в ИМБ, позволяют различать у больных туберкулезом штаммы, отличные от штаммов устойчивых к антибиотикам. Проблема состоит в том, что у некоторых больных бактерии туберкулеза имеют устойчивость к антибиотику рифампицину и антибиотик не помогает при лечении болезни. У большей части больных бактерии обычные (т.н. дикие штаммы бактерий) и антибиотик помогает. Необходимо знать устойчивость бактерий к антибиотику в самом начале лечения. Если врачи определят устойчивость бактерий через 2–3 месяца после начала лечения, то легкие больного будут уже изрядно повреждены. Традиционные методы определения устойчивости бактерий туберкулеза могут отнять несколько недель. Биочипы позволяют решить эту задачу за 1–2 дня. На рисунке 2 видны различные узоры паттерны гибридизации на российском биочипе двух штаммов туберкулеза: дикого и устойчивого к рифампицину.

Читать еще:  Злобные герои и героические злодеи: оттенки серого в видеоиграх

На рисунке представлены гибридизационные картины (A, B) и соответствующие им диаграммы интенсивности флуоресцентных сигналов (C, D). A и C — прогибридизована последовательность дикого типа, B и D — последовательность содержит мутацию, приводящую к замене His526>Tyr (показана стрелкой).

Теперь приведем пример новейших специальных разработок в области биочипов. Специалисты из Нортвестернского университета в США разработали для американской армии биочип, обладающий совершенно неожиданными свойствами. Если на этот биочип попадает ДНК от патогенных микробов, то фрагменты ДНК зондов с прикрепленными к ним микроскопическими частицами золота выстраиваются в ряд. Между электродами идет ток и биочип сигнализирует об угрозе. Схема такого биочипа приведена на рисунке. Специальный биочип сигнализирует о наличии бактериальной угрозы после того, как золотые микрочастицы замыкают два электрода.

Сейчас также разрабатывают белковые микрочипы. Но это уже отрасль большой новой науки — протеомики.

Биочипы сегодня — это быстро развивающийся рынок, где работают десятки фирм. Биочипы будут составлять основу биомедицины 21 века.

Стоп инфекция: Roswell Biotechnologies и Imec разрабатывают биосенсорные чипы нового поколения — «Новости сети»

Пандемия коронавирусной инфекции COVID-19 показала, как важна оперативная диагностика вирусных заболеваний. Как только появился вирус более заразный, чем вирус гриппа, мир оказался не готов оказать ему достойное сопротивление. Повысить точность диагностики и поднять эпидемиологический надзор на совершенно новый уровень поможет электроника. Уже через год обещают появиться биосенсоры нового поколения, которые вместе разрабатывают Imec и Roswell Biotechnologies.

Информация размещенная на сайте — «hs-design.ru»

Компания Roswell Biotechnologies специализируется на разработке сенсорных чипов для молекулярной электроники. Такие решения используются для секвенирования ДНК и выявления целого спектра биологических маркеров. Например, биосенсоры способны обнаруживать нуклеиновые кислоты, антигены и антитела. Пандемия SARS-CoV-2 может дать сильнейший толчок в развитии подобных решений. В то же время биосенсоры способны обнаруживать множество инфекционных заболеваний и служить основой для «точной медицины», когда диагностика и подбор лекарств осуществляются исключительно под конкретного пациента.

Бельгийский исследовательский центр Imec неслучайно стал партнёром Roswell Biotechnologies. Imec специализируется на разработке полупроводниковых техпроцессов. Центр имеет собственное опытное полупроводниковое производство и может не только помочь знаниями, но также наладить выпуск инженерных образцов продукции. Иными словами, довести дело до выпуска рабочего кремния. Компания Roswell Biotechnologies как бесфабричный разработчик такой возможности не имеет.

Информация размещенная на сайте — «hs-design.ru»

Согласно планам компаний, биосенсорные чипы нового поколения станут коммерчески доступными в 2021 году. На основе новых датчиков будут созданы портативные и ручные приборы для быстрой молекулярной диагностики. Это те приборы, которых сегодня не хватает в больницах для более эффективной борьбы с SARS-CoV-2.
Перейти обратно к новости

Стоп инфекция: Roswell Biotechnologies и Imec разрабатывают биосенсорные чипы нового поколения

БИОЧИП КАК РЕВОЛЮЦИОННЫЙ ПРОРЫВ В БИОТЕХНОЛОГИИ

Язкова Алёна Сергеевна

студент 3 курса, кафедра генетики, микробиологии и биотехнологии КГУ, РФ, г. Краснодар

В конце прошлого столетия в России и США было разработано высокочувствительное миниатюрное устройство — биочип. Ему нашли широкое применение в области ветеринарии, криминалистики; в медико-биологических исследованиях; в биотехнологии, а также для идентификации вирусов и микроорганизмов и определения биоактивных веществ в небольших концентрациях.

Биочип — матрица с встроенными биологическими макромолекулами, которые способны избирательно связывать вещества в исследуемом растворе. Это мини-устройство представляет собой обычно стеклянную или пластиковую пластину с микротестами на основе ДНК или белков.

Технология микрочипов нашла широкое применение в связи с высокой чувствительностью, специфичностью, простотой выполнения и широким спектром анализа, и, конечно, низкой стоимостью проведения процедуры.

ДНК-чипы представляют собой твердую платформу, на которой сгруппировано в виде точек большое число дезоксиолигонуклеотидов. Материал подложки может состоять из стекла, кремния, гидрогеля, мембранных фильтров и различных полимеров. ДНК-чипы способны распознавать последовательности ДНК с заданными свойствами. Принцип работы биологических чипов основан на взаимодействии комплементарных цепей ДНК. Посредством гибридизации происходит процесс узнавания ДНК-мишеней с ДНК-пробами. Биочип, с которым проведена гибридизация, представляет собой скопление светящихся точек. Рассмотреть их можно только при помощи специальных сканеров, отличающихся спектральной чувствительностью и диапазоном.

Белковые и пептидные чипы.

Для изучения взаимодействия между белками используют белковые чипы. Технология белковых чипов основа на специфическом узнавании антигена и антитела. Чипы нашли большое применение в медицине для выявления скрытого периода аллергии и определения аллергенов, а также для анализа таких жидкостей, как плазма крови, ликвор, амниотическая жидкость, моча, слюна и т. д. Биочипы также используют при диагностике физиологических либо патологических изменений, основываясь на модификации белков. Поскольку белковые чипы включают в себя основные антигены патогенных организмов, то при помощи данных чипов можно проводить анализ крови на присутствие одновременно сотен, и даже тысяч антител и быстро идентифицировать инфекции [3].

Примером углеводного микрочипа может служить комплекс гликолипидов с нитроцеллюлозой или поливинилиденфторидом. Благодаря данным чипам можно без особо труда определить последовательность неизвестных олигосахаридов, опираясь на структуру вступивших с ними в связь белков. И, наоборот, по взаимодействию сахаров с мембраной можно идентифицировать неизвестные белки [4].

В практическом отношении применение микрочипов позволяет:

· ставить точный диагноз болезни: до ее начала или на начальной стадии её развития

· прогнозировать развитие болезни, ее исход;

· находить вирусы или бактерии;

· определять нахождение в организме раковых клеток;

· проводить изучение химических соединений для исследования их лекарственных свойств;

Существует несколько способов изготовления биочипов.

Таким способом чипы наращивают из стеклянных пластинок с использованием микромасок. Причем на каждом таком чипе расположено до нескольких десятков тысяч уникальных фрагментов ДНК. Затем полученный биочип гибридизуют с ДНК.

Есть и другой подход к изготовлению микрочипов, когда готовые последовательности однонитевой ДНК пришивают к чипу.

Наличие в устройстве биоматериала позволяет без труда определять нужные соединения в смеси, не прибегая к дополнительным операциям, поэтому в настоящее время процесс определения качества донорской крови, обнаружения спор сибирской язвы, проведения криминалистических анализов, выявления начальной стадии онкологических заболеваний менее трудоемок и занимает считанные часы.

В биотехнологии можно встретить такое понятие, как биосенсор.

Биосенсор — аналитическое устройство, в преобразователь которого встроен биоматериал, находящийся в непосредственном с ним контакте.

Биосенсор состоит из 5 основных компонентов:

· биохимического преобразователя — превращает информацию о физических/химических связях в сигнал;

· физического преобразователя — фиксирует сигнал от биологической системы распознавания;

· электроники, отвечающей за отображение результатов в доступной форме.

Выделяют два вида биосенсоров:

1. Биоафинные-свойства молекул биодатчика меняются вследствие взаимодействия молекул биоселективного элемента с молекулами исследуемого раствора. Изменения свойств датчика представляют собой «сигнал», пропорциональный концентрации анализируемой смеси.

2. Фермент-метаболические БС — образование сигнала обусловлено результатом взаимодействия фермента с субстратом.

Выделяют оптические, акустические, электрохимические и термические биосенсоры. Основным критерием данной классификации является тип преобразователя.

Оптические биосенсоры – устройства, основанные на явлениях люминесценции, поглощения, рассеивания, поляризации или преломления света [2].

По оптическим каналам и светодиодам передается порождаемый биохимическим преобразователем первичный сигнал в виде света. Оптические биосенсоры помехоустойчивы к электромагнитному фону, однако они подвержены фотовыцветанию и вымыванию индикатора. Большим достоинством данного типа биосенсоров является то, что их можно устанавливать в опасных и вредных для здоровья условиях [1]. Фитохром, зрительный родопсин, бактериородопсин используются в качестве светочувствительных БС.

Интерес к биосенсорам растет. Они получили большое распространение в биотехнологии. В настоящее время ведется разработка по увеличению срока службы термически неустойчивых биосенсоров.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector