Автор: Варфоломеев С.Д., Евдокимов Ю.М., Островский М.А.


Пытаясь расширить возможности человеческого организма, в конце XX в. ученые создали биосенсорные устройства. Более того, благодаря комбинации соответствующих технологий и сенсорной системы (иначе говоря, органов чувств) человек, видимо, скоро с помощью рецепторов кожи сможет визуализировать изображения в различных электромагнитных полях, а также проводить мониторинг собственного внутреннего состояния.

Наши органы чувств способны воспринимать электромагнитные поля в видимой (зрение) и инфракрасной (температурная чувствительность) областях спектра; механические возмущения - звуковые волны (слух), силу тяжести (гравитационная чувствительность), механическое давление (осязание); химические сигналы (вкус и обоняние). Но достаточно ли нам этих шести чувств или возможности нашего организма гораздо шире?

Ответ не однозначен, считают московские ученые, доктора химических наук С. Д. Варфоломеев и Ю. М. Евдокимов, а также академик М. А. Островский. С одной стороны, ученые убедились: сенсорные системы человека обладают предельно высокой чувствительностью, какую только допускают законы физики и химии. Но при этом способны регулировать степень собственного восприятия. Вместе с тем специализированные рецепторные клетки - а они "ловят" сигнал и преобразуют его в электрический ответ - как правило, лишь незначительно превышают уровень энергии тепловых шумов молекул. А ведь они непосредственно либо через промежуточные нейроны кодируют и передают сенсорную информацию электрическим способом в мозг. Лишь после обработки им полученного сообщения незамедлительно формируются выходные команды или происходит своеобразная "запись" в память для последующего использования.

Стало быть, рецепторные клетки - это высокоспециализированные "датчики", предназначенные для приема сигналов как извне, так и изнутри организма. К первым относят свет, различные механические возмущения (звук и т.д.); химическое воздействие, колебания температуры, изменение электрического и магнитного полей. Ко вторым - изменение кровяного давления, степени натяжения мышц или сухожилий, нестабильность температуры тела.

В свою очередь, сенсорные рецепторы подразделяются на статические и динамические, т.е. непрерывно, с постоянной частотой посылающие в мозг информацию о значении некой физической величины (например, кровяного давления) и реагирующие только на изменение величины сигнала (скажем, зрительные клетки - на колебания интенсивности светового потока, тактильные - на давление и на кожу).

Отмечено несколько способов, позволяющих рецепторным клеткам измерять сигнал, величина которого может разниться на много порядков. Прежде всего существует их набор с разной шкалой чувствительности (допустим, она очень повышена в колбочках сетчатки глаз). С другой стороны, нелинейность шкалы преобразования обеспечивает одну и ту же относительную чувствительность для сигналов разной величины. С третьей - чувствительность рецептора меняется в зависимости от значения измеряемой величины.

Понимание всего этого и других обстоятельств привело к тому, что последнее десятилетие XX в. стало периодом интенсивного развития сенсорных технологий. Они ориентированы на создание аналитических устройств, позволяющих получать информацию о свойствах различных сред в виде электрического сигнала. В этих случаях ученые отделяют исследуемое вещество или физическое поле от массы родственных с тем, чтобы преобразовать полученные данные в электрический ответ, фиксируемый в цифровой или аналоговой форме. Наибольшее развитие имеют аналитические устройства, используемые в качестве селектирующего элемента биомакромолекулы, - биосенсоры.

Большинство из них предназначены для анализа биологических жидкостей. Дело в том, что в крови находятся тысячи различных соединений. Значит, задача состоит в быстром и эффективном определении концентрации наиболее нужного из них. Скажем, для людей, страдающих диабетом, клинический анализ глюкозы - жизненно важная проблема.

Любой биосенсор состоит из двух функциональных элементов: "датчика", содержащего селектирующий материал, и физического преобразователя, трансформирующего генерируемый сигнал в электрический. В качестве первых выступают все типы биологических структур - ферменты, антитела, рецепторные нуклеиновые кислоты и даже живые клетки. В биосенсорах применяют электрохимические, оптические преобразователи, гравитационные, калориметрические, резонансные системы. И сопряжение ферментивно-каталитических, электрохимических реакций позволило разработать такие из них, которые пригодны для определения глюкозы, аминокислот, молочного сахара, мочевины и других метаболитов.

Простейшая конструкция ферментного биосенсора реализуется при условии, если субстрат либо продукт ферментативной реакции электрохимически активен, т.е. способен быстро окисляться или восстанавливаться на электроде при наложении на него соответствующего потенциала. Например, для определения глюкозы используется реакция окисления ее кислородом с образованием пероксида водорода. Ну а поскольку физическая химия различных состояний нуклеиновых кислот (изотропного, кристаллического и жидкокристаллического) достаточно хорошо изучена, то конструируя биосенсоры на основе жидких кристаллов двухцепочной ДНК, утверждают С. Д. Варфоломеев, Ю. М. Евдокимов и М. А. Островский, необходимо учитывать свойства, присущие только этим молекулам.

По мнению авторов публикации, здесь прослеживается ряд действий, определяющих создание биосенсоров. Во-первых, при формировании холестерических жидких кристаллов из молекул ДНК в спектре кругового дихроизма в полосе поглощения азотистых оснований появляется интенсивная линия. Во-вторых, после обработки жидких кристаллов окрашенными биологически активными соединениями в том же спектре выявляются уже две линии: одна из них расположена в области поглощения азотистых оснований. При неизменной вторичной структуре ДНК представляет собой как бы "внутренний стандарт", отражающий качество сформированного жидкого кристалла. Другая линия находится в области поглощения биологически активного соединения, образующего комплекс с парами оснований ДНК, причем ее амплитуда пропорциональна концентрации самого соединения. В-третьих, названные соединения, реагируя с парами оснований и располагаясь по- разному относительно длинной оси спиральной молекулы ДНК, генерируют оптические сигналы в различных областях спектра кругового дихроизма. Наконец, оптический сигнал, в отличие от электрического, генерируемый при взаимодействии биологически активного вещества, можно без помех передать приемнику.

В последнее время начата разработка принципиально нового типа биодатчиков на основе ДНК, чей чувствительный элемент вводится в состав полимерной цепочки, "сшивающей" соседние молекулы. Этот прием, названный "молекулярным конструированием", позволяет создавать полифункциональные жидкокристаллические датчики, содержащие чувствительные элементы разной химической природы. Они способны определять группы соединений, нарушающих свойства находящихся между молекулами ДНК "чувствительных" элементов.

Одно из достижений биотехнологии и биоинженерии связано с развитием методов иммобилизации живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы. Это позволяет получить клетки, сохраняющие около 100 % активности ферментов и способные функционировать длительное время. Они сохраняют все наиболее важные структуры и проявляют большую стабильность, в некоторых случаях обеспечивая жизнеспособность и активность ферментных систем несколько лет.

Сфера применения клеточных биосенсоров достаточно обширна. Они пригодны для селективного измерения содержания фенолов, пролина, глутамина, тирозина, молочной и аскорбиновой кислоты, глюкозы, для экспресс-анализа качества воды. С их помощью определяют биологическое потребление кислорода, анализируя совокупные органические соединения, которые могут быть использованы микроорганизмами. На все это уходит всего несколько минут.

Биосенсоры и биосенсорные технологии уже обеспечивают определение и анализ сигналов, далеко выходящих за рамки возможностей органов чувств человека. Таковы реалии начала XXI в.

Сенсорная биология, сенсорные технологии и создание новых органов чувств человека. - Вестник Российской академии наук, т. 70, N 2, 2000.

Материал подготовил С. Н. ПШИРКОВ