Odpowiedź na pytanie, co to jest nanobiotechnologia?, nie jest prosta, dlatego, że ta gałąź nauki dopiero się tworzy i próbuje zdefiniować obszar zainteresowań. Najlepszym dowodem na to, że nie ma jej precyzyjnej definicji, jest encyklopedia internetowa „Wikipedia”. Czytamy w niej: Nanobiotechnology is the branch of nanotechnology with biological and biochemical applications or uses. Nanobiotechnology often studies existing elements of nature in order to fabricate new devices. Precyzyjne tłumaczenie tych dwóch zdań wcale nie jest proste i być może dlatego nie ma polskiej wersji tej definicji.

Najprościej można by powiedzieć, że nanobiotechnologia polega na tym, aby podpatrzyć, jak funkcjonują elementy układów biologicznych i spróbować ich użyć lub kreatywnie przekształcać wiedzę o ich funkcjonowaniu w celu skonstruowania użytecznych człowiekowi materiałów i urządzeń funkcjonujących w skali „nano” (od 1 do 100 nanometrów). Napisałem „najprościej”, a dalej i tak nie bardzo wiadomo, o co chodzi z tą nanobiotechnologią. Dlatego wydaje mi się, że naprawdę najprościej wyjaśnić będzie zakres i przedmiot nanobiotechnologii, podając kilka przykładów prowadzonych badań.

Podglądanie natury

Ważnym nurtem jest poszukiwanie nowych materiałów stymulowane podglądaniem natury. Chyba najbardziej spektakularnym osiągnięciem jest tu zrozumienie, co powoduje, że gekony mogą bez trudu wędrować po pionowych taflach szklanych. Zdolność ta związana jest ze szczególną konstrukcją stóp tych zwierząt, które pokryte są hydrofobowymi białkami o bardzo wielkiej powierzchni (ok. 5300 elementów na 1 mm2 powierzchni). Zastąpienie tych białek hydrofobowym materiałem polimerycznym i odwzorowanie ich przestrzennej struktury pozwoliło nie tylko na skonstruowanie mechanicznego gekona, ale także wyprodukowanie rękawic i butów, które pozwalają strażakom wspinać się po pionowych ścianach bez użycia lin.

Fascynującym zwierzęciem są ślimaki żyjące w podwodnych, morskich gejzerach. Produkują one specyficzny pancerz zbudowany z białka – kolchicyny mineralizowanej siarczkami żelaza (pirytem i gregeitem). Taką kombinację nazywamy biokompozytem. Pancerz ten, złożony z wielu płytek o rozmiarach 8 × 0,2 mm, jest nie tylko niezwykle odporny, ale i bardzo lekki w porównaniu z klasycznymi pancerzami stalowymi. Nietrudno zatem sobie wyobrazić, jak wielkie budzi on zainteresowanie.

Ciekawy system obronny wypracowała sobie, bytująca w płytkich wodach, mała (ok. 35 mm) kałamarnica Euprymma scolopes, która żyje w symbiozie z bioluminescencyjnymi bakteriami (Vibrio fischeri) zasiedlającymi specjalny organ, gdzie są żywione cukrami. Bioluminescencja służy kamuflażowi – świecąca kałamarnica wygląda z góry jak grudka piasku odbijająca światło księżyca. Kałamarnica ta wytwarza specyficzne białko – reflektynę, które działa jak niezwykle efektywne lustro odbijające, rozpraszające i wzmacniające świecenie. Lustro to składa się z setek tysięcy małych płytek i nazywane jest Klingon cloacking device. Struktura i konstrukcja tego lustra jest obiektem zainteresowania konstruktorów urządzeń optycznych.

komplementarność strukturalna

Kolejny nurt badań wykorzystuje fakt, że cząsteczki biologiczne specyficznie łączą się z innymi poprzez wzajemne dopasowanie przestrzenne fragmentów ich budowy. Nazywamy to komplementarnością strukturalną. Komplementarność ta polega na tym, że niektóre cząsteczki biopolimerów wpasowują się w inne, jak klucz do zamka. Zastosowanie bibliotek (dużych zestawów) takich cząsteczek pozwala na przeniesienie skomplikowanych analiz diagnostycznych z laboratoriów klinicznych w warunki nielaboratoryjne, czyli na wykonywanie ich przez zainteresowanego lekarza lub pacjenta. Rozpoznanie stanu chorobowego polega na zdefiniowaniu różnic w zachowaniu (barwie, fluorescencji, przewodnictwie elektrycznym itp.) płynu fizjologicznego (moczu, krwi, wyciągu tkankowego) wobec poszczególnych składników biblioteki. Takie urządzenia mają do spełnienia dwie funkcje: powinny ułatwić lekarzowi podjęcie decyzji co do przebiegu terapii (np. pozwalają szybko ustalić, czy nowotwór jest, czy nie jest złośliwy) oraz pozwolić pacjentowi monitorować przebieg leczenia i rozwój choroby w domu, w sposób tak prosty, jak dziś wykonuje się testy ciążowe lub testy na zawartość narkotyków w moczu.

Konstrukcja nanourządzenia diagnostycznego nie jest jednak prosta. Np. chip diagnostyczny firmy Invitrogen, The ProtoArray™ Human Protein Microarray, to wysoko sfunkcjonalizowana matryca proteinowa, dająca możliwość szybkiego skryningu (przeskalowania) tysięcy interakcji białko−białko w jeden dzień. Jedna z wersji tego urządzenia diagnostycznego zawiera więcej niż 5000 unikatowych białek, specjalnie wyselekcjonowanych z wielu rodzin genetycznych, które są naniesione na powierzchnię nitrocelulozy o wymiarach 1 na 3 cale. Daje to możliwość identyfikacji biomarkerów (białek charakterystycznych dla chorób zakaźnych, chorób nowotworowych czy autoimmunologicznych), a tym samym dokonania prawidłowej diagnozy. Mówiąc inaczej, barwny wzór otrzymany na prostokącie bibuły pozwala na diagnozę stanu pacjenta i dość precyzyjną identyfikację stanu patologicznego. Jak ważna jest to dziedzina badań może świadczyć fakt, że ponad 500 światowych firm zajmuje się wytwarzaniem substratów i elementów do różnego typu modułów diagnostycznych, a 70 bezpośrednio produkcją biochipów.

Transport leków

Innym kierunkiem badań nanobiotechnologii jest konstrukcja układów pozwalających selektywnie transportować leki do tych miejsc organizmu, w których stwierdzono stan patologiczny. Np. można osadzić lek przeciwnowotworowy na nanocząsteczkach żelaza, podać taką kompozycję dożylnie i za pomocą magnesu skoncentrować te nanocząsteczki w miejscu zaatakowanym przez nowotwór. W ten sposób cała dawka leku dostarczana jest do miejsca choroby i unika się jego równomiernej dystrybucji w organizmie, a tym samym unika się ubocznych efektów jego działania. Innym sposobem jest zastosowanie tzw. duchów bakteryjnych. Są to bakterie, z wnętrza których usunięto płyn komórkowy i zastąpiono go roztworem leku. „Duchy” te przemieszczają się w organizmie do organów, które zwykły atakować macierzyste bakterie, a tym samym dostarczają lek selektywnie do określonych miejsc organizmu.

Motory molekularne

Ostatnim przykładem, jaki chciałbym podać, jest badanie mechanizmów funkcjonowania i wykorzystanie motorów molekularnych. Wiele białek ma zdolność ruchu – nazywamy je molekularnymi motorami. Należą do nich, m.in., miozyna i aktyna powodujące ruch mięśni czy kinezyna i dyneina przenoszące po komórkowych autostradach (mikrotubulach) organelle i pęcherzyki oraz segregujące chromosomy. Przykładem praktycznego zastosowania molekularnych motorów może być układ wprowadzany w armii Stanów Zjednoczonych do stwierdzania obecności bakterii Bacillus anthracis, producenta silnej białkowej toksyny – antraksu. Wykorzystano w tym celu molekularną zasadę funkcjonowania mięśni. Na podłożu wyścielonym jednym z białek tego systemu – miozyną, wytworzono ścieżki z drugiego białka – aktyny. Do aktyny przyłączono przeciwciało selektywnie rozpoznające Bacillus anthracis. Gdy w środowisku znajduje się ta bakteria, jej kontakt z przeciwciałem powoduje wędrówkę aktyny wzdłuż wytworzonych ścieżek, a osiągnięcie przez nią krańca ścieżki powoduje fluorescencję tarczy zegarka i wskazuje na niebezpieczeństwo. Oczywiście nieznane są szczegóły konstrukcji tego układu.

Nanobiotechnolodzy marzą o doścignięciu natury i chcą zbudować molekularne maszyny będące granicą miniaturyzacji narzuconej przez prawa fizyki kwantowej. Jednak badania nad ich konstrukcją bądź też wykorzystaniem naturalnych molekularnych motorów są w początkowej fazie i zazwyczaj nie mają jeszcze znaczenia praktycznego. Przykładem takiego urządzenia może być „molekularny pociąg” wykorzystujący zdolność transportu organelli wzdłuż mikrotubul. Pociąg taki przenosi organelle z jednego z czterech „peronów” na pozostałe.

Mam nadzieję, że na wybranych przykładach udało mi się nieco przybliżyć pojęcie nanobiotechnologii. Czy przykłady te pasują do podanej na wstępie definicji, czytelnik musi osądzić sam.