Spetsializatsiya_Nanobiomaterialyi_i_nanobiotehnologii

Специализация
«Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии»
Кузнецова С.А.
1
АКТУАЛЬНОСТЬ ВВЕДЕНИЯ НОВОЙ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ
«НАНОБИОМАТЕРИАЛЫ И НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ»

Актуальность введения новой специализации «Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии» для студентов химических факультетов определяется интенсивным
развитием нанобиотехнологий, их внедрением в различные отрасли промышленности,
сельского хозяйства и социальной сферы (пищевая промышленность, медицина и
практическое здравоохранение, физическая культура и др.) уже в настоящее время и
несомненным увеличением доли нанобиотехнологий в народном хозяйстве в
будущем. Знание теоретической и экспериментальной базы современных физикохимических, иммунологических и молекулярно-генетических технологий необходимо для
успешной работы специалистов в междисциплинарных областях биоорганической
химии, биологии и медицины.

Представления о современных нанобиоматериалах, их структуре, свойствах и применении
позволят студентам лучше ориентироваться в современном инновационном
пространстве. Эти знания необходимы для правильной интерпретации научной
литературы и формирования мировоззрения современного специалиста.
2
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ НОВОЙ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ
Целью введения новой специализации «Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии»
является формирование у студентов системных знаний по созданию, свойствам и
различным аспектам применения современных нанобиоматериалов и нанобиотехнологий,
приобретение умений и навыков по основным методам, применяющимся в нанобиоаналитике
и наномедицине, организация практической работы по получению и диагностике нанобиосистем и нанобиоматериалов, повышение уровня знаний и профилизации специалистов.
Задачи дисциплин специализации «Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии»:






Изучение современных направлений и перспектив развития нанобиотехнологии.
Изучение современных методов получения, структурной организации и исследования
нанобиоматериалов.
Изучение базовых положений физико-химии наночастиц, наноструктурированных
материалов, их компонентов и комплексов, применяющихся в современной нанобиотехнологии.
Изучение нанотехнологических аспектов молекулярной биологии клетки, генной, белковой
и клеточной инженерии, генотерапии, генодиагностики.
Выработка у студентов способности правильно интерпретировать данные литературы по
современным нанобиотехнологиям, оценке качества и перспектив использования
наночастиц и нанотехнологических продуктов, включая оценку возможных экологических и
биологических рисков, связанных с их применением.
Формирование представлений о биобезопасности, экологически чистых процессах и
природоохранных нанотехнологиях.
3
План обучения студентов по специализации
«Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии»
Семестр
7
Отчетность
Количество
часов
Наименование курса *
32
Введение в физику наноструктур и
наноматериалов
54
Составной курс «Нанобиоматериалы и
нанобиотехнологии»
32
Высокомолекулярные соединения
36
Коллоидная химия и коллоидные системы
36
Лабораторные работы по коллоидной химии
1
54
Кристаллохимия природных соединений
(кристаллы природных соединений и
белковых структур)
1
88
Курсы по выбору
1
36
Лабораторные работы по методам получения
нанобиоматериалов
1
Экз.
Зач.
1
1
1
1
4
План обучения студентов по специализации
«Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии»
Семестр
8
Отчетность
Количество
часов
Наименование курса *
24
Функциональные наноматериалы: получение
и свойства
56
Составной курс «Нанодиагностика и
визуализация нанобиоструктур»
20
Моделирование нанобиоструктур
1
28
Химическая технология (композиционные
материалы)
1
30
Лабораторные работы по химической
технологии
1
96
2 курса по выбору
56
Спецпрактикум «Экспериментальные
методы создания и исследования
нанобиоматериалов»
Экз.
Зач.
1
1
1
1
1
5
План обучения студентов по специализации
«Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии»
Семестр
9
10
Отчетность
Количество
часов
Наименование курса *
18
Составной курс «Нанобиотехнологии. I.
Нанобиоаналитические системы»
18
Составной курс «Нанобиотехнологии. II.
Нанотехнологии в медицине»
1
92
2 курса по выбору
1
16
Лабораторные работы по
высокомолекулярным соединениям
1
108
Работа в лаборатории по специализации
1
Работа в лаборатории по специализации,
выполнение дипломной работы
Экз.
Зач.
1
1
1
Всего на специализацию отводится 930 час (26 зач. ед.). Из них 654 час (18 зач. ед.) – обязательные
дисциплины и 276 час (8 зач. ед.)– дисциплины по выбору.
* с программами можно ознакомиться на сайте НОЦ МГУ: http://nano.msu.ru/education/biotechnology
или получить их по E-mail: nlklyachko@gmail.com (Наталья Львовна Клячко).
6
Курсы по выбору

Фундаментальные основы нанотехнологий (36 час)
http://nano.msu.ru/education/courses/basics2009

Инновационный бизнес, менеджмент и охрана интеллектуальной собственности в
области нанобиотехнологий (20 час)

Структура и основы взаимодействия биомолекул. Введение в молекулярную
биологию. (36 час)

Основы молекулярной биологии и генетической инженерии (60 час)

Основы клеточной биологии (54 час)

Основы биотехнологии (72 час)

Структурная и функциональная биохимия (72 час)

Физическая химия ферментов (кинетика и механизмы) (72 час)

Основы микробиологии и генетики микроорганизмов (20 час)

Иммунология и основы иммуноферментного анализа (20 час)

Иммобилизация ферментов (12 час)

Химия моно- и дисахаридов (54 час)

Химия белка (64 час)

Химия нуклеиновых кислот (32 час)

Методы исследования белков и нуклеиновых кислот (64 час)
Всего: 688 час (276 час)
7
Спецпрактикум «Экспериментальные методы создания и
исследования нанобиоматериалов»
Спецпрактикум входит в программу обучения по специализации
«Нанобиотехнологии и нанобиоматериалы» как обязательный курс 8 семестра.
Цель спецпрактикума — освоение методов синтеза и исследования свойств
широкого спектра наноматериалов. Основной акцент делается на освоение
методов функционализации наночастиц молекулами биополимеров и
применение современных физико-химических методов исследования
наноматериалов. В разных задачах представлены материалы в различных
физико-химических состояниях – коллоидные наночастицы, углеродные трубки,
пленки и др.
Примеры задач
1. Формирование коллоидных растворов наночастиц фосфата кальция с
иммобилизованными олигонуклеотидами и изучение их взаимодействия с
комплементарными последовательностями ДНК и РНК.
2. Получение и исследование коллоидных наночастиц золота.
3. Выделение рибонуклеопротеидов с помощью аффинной хроматографии.
4. Гель-электрофорез комплексов углеродных трубок с ДНК.
5. Синтез (амплификация) ДНК методом полимеразной цепной реакции.
8
Задача «Формирование коллоидных наночастиц фосфата кальция с
иммобилизованными олигонуклеотидами и изучение их взаимодействия с
комплементарными последовательностями ДНК и РНК».
Введение. Фосфаты кальция являются важнейшим неорганическим компонентом биологических твердых тканей. Они присутствуют в костях, зубах и сухожилиях млекопитающих в форме гидроксилапатита, придают им твердость, стабильность и
определяют функции этих органов. Фосфаты кальция представляют огромный интерес для медицины и биологии благодаря
их биологической совместимости с тканями организма. Наночастицы фосфата кальция обладают хорошей способностью
к биодеградации и низкой токсичностью, благодаря чему привлекают внимание многих исследователей в области конструирования средств доставки экзогенного генетического материала в клетки.

Цель задачи – синтезировать наночастицы фосфата кальция, стабилизированные одноцепочечными олигонуклеотидами и
дуплексами, и оценить размер полученных наночастиц методом динамического светорассеяния. Для наночастиц, содержащих
РНК-дуплекс (siРНК), исследовать способность олигорибонуклеотида гибридизоваться с модельной мишенью РНК, содержащей комплементарную ему последовательность, используя флюоресцентные метки.

Реактивы: Нитрат кальция Ca(NO3)2, гидрофосфат аммония (NH4)2HPO4, NaOH, MgCl2, KCl, Tris-HCl.
Олигонуклеотиды:








5’-CGGTAGAGGGGACTTTCCGAGTGGC-3’
5’- FAM-GCAAGCUGACCCUGAAGUUCAU-3’
5’-AUGAACUUCAGGGUCAGCUUGC-Dabsyl -3’
5’- CGUUACUAGGCAAGCUGACCCUGAAGUUCAUCUAGGACUG-3’
где FAM – карбоксифлуоресцеин (поглощение: lмакс. 492нм, Флуоресценция: lмакс. 520нм); Dabsyl - 4-((4-(диметиламино)-фенил)азо)бензолсульфоновая кислота (поглощение: lмакс. 492нм, Флуоресценция: нет).
Оборудование:
Прибор для измерения динамического рассеяния света Zetasizer NanoZS (Malvern, Southborough, MA).
Спектрофлюориметр Cary Eclipse (Varian).
9
Задача «Формирование коллоидных наночастиц фосфата кальция с
иммобилизованными олигонуклеотидами и изучение их взаимодействия с
комплементарными последовательностями ДНК и РНК».
Выполнение работы:
 Приготовление коллоидных наночастиц фосфат кальция/олигонуклеотид.
Используется стехиометрическое соотношение концентраций, соответствующее 6.25 мМ раствора нитрата кальция и 3.74 мМ раствора гидрофосфата аммония. К полученной дисперсии добавляются одноцепочечные олигонуклеотиды или дуплексы, которые покрывают неорганические
наночастицы и препятствуют их агрегации. Монодисперсный коллоидный раствор может быть получен при использовании 9 мкМ раствора одноцепочечного олигонуклеотида или 45мкМ раствора дуплекса.
Оценка размера наночастиц методом динамического рассеяния света
 Коэффициент диффузии измеряется методом динамического светорассеяния с использованием прибора Zetasizer NanoZS. Прибор оснащен HeNe лазером с длиной волны 633 нм и мощностью 4 мВт. Измерения интенсивности рассеянного света проводить под углом 173° при 25°С.
 1) Дисперсию наночастиц, стабилизированных ДНК, поместить в кювету и измерять значение коэффициента диффузии.
 2) По формуле Стокса-Энштейна определить радиус полученных наночастиц.
Изучение гибридизации олигонуклеотида с комплементарной мишенью
 Измерить флуоресценцию раствора наночастиц, стабилизированных дуплексом (II)/(III) Fmin. Использовать длины волн возбуждения и
испускания для флуоресцеина 491 нм и 515 нм соответственно.
 K 450 мкл раствора наночастиц добавить 50 мкл 50 мкM раствора олигонуклеотида (IV) в буфере А и снимать изменение сигнала флуоресценции
через 5, 10 и 20 минут достижения постоянного значения интенсивности флуоресценции Fmax.
 Степень гибридизации олигонуклеотида с мишенью определить по формуле: (F-Fmin/Fmax-Fmin)·100%,
 где F – значение флуоресценции в данный момент времени, Fmax – максимальное значение флуоресценции, Fmin – значение флуоресценции в
отсутствие мишени. Построить зависимость степени гибридизации от времени.
Рисунок 1. Схематическое изображение системы для получения
наночастиц
фосфата
кальция
с
иммобилизованными
олигонуклеотидами. Растворы нитрата кальция и гидрофосфата
аммония смешивались. Часть полученной дисперсии отбиралась
шприцом и смешивалась в пробирке с раствором ДНК.
Литература
1. Sokolova V., Epple M. Inorganic Nanoparticles as Carriers of Nucleic
Acids into Cells. Angew. Chem. Int. Ed. (2008) 47, 1382 – 1395.
2. Maitra A. Calcium phosphate nanoparticles: second-generation nonviral
vectors in gene therapy. Expert. Rev. Mol. Diagn. (2005) 5(6), 893-905.
10
КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В
РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ПРОГРАММЫ СПЕЦИАЛИЗАИИ
В результате освоения программы специализации «Нанобиоматериалы и
нанобиотехнологии» студент должен:
Знать:






теоретические основы нанобиотехнологий;
принципиальное значение наноразмерности как фактора, радикально меняющего физикохимические свойства;
основные методы, применяющиеся в нанобиотехнологических экспериментах (структурные,
аналитические, препаративные);
базисные физико-химические свойства наноструктурированных материалов и их практическое
значение в медицине, сельском хозяйстве и социальной сфере;
принципы организации и возможности биоаналитических систем (биосенсоры, микрочипы,
квантовые точки, молекулярные «пружины», углеродные и кремниевые нанотрубки) и их
применение для целей экологического мониторинга и медико-биологических исследований;
основы биобезопасности.
Уметь:


интерпретировать данные литературы по нанобиоматериалам и нанобиотехнологиям;
применять на практике базовые методы нанобиотехнологий.
Владеть:




базовой терминологией, применяющейся в нанотехнологиях;
экспериментальными методами создания и исследования нанобиоматериалов;
базовыми биотехнологическими навыками;
навыками публичного выступления по нанобиотехнологической тематике.
11
Спасибо за внимание !
Материалы:
• http://nano.msu.ru/education/biotechnology
• nlklyachko@gmail.com (Наталья Львовна Клячко)
12