Нано-и биотехнологии

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ   Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение  высшего пРофессионального  образования российский государственный  аграрный университет – МСха имени К.А. Тимирязева  (ФГбОУ ВПО ргау - МСХА имени К.А. Тимирязева)

 

Направление подготовки

110100.68 – АГРОХИМИЯ И АГРОПОЧВОВЕДЕНИЕ

Магистерская программа  «Химико-токсикологический анализ объектов агросферы»

 

 

Кафедра физической и органической химии

 

 

Курсовой проект

по дисциплине:

«Нанотехнологии и материалы в контроле качества продукции растениеводства»

на тему:

«Нано-и биотехнологии»

 

 

                                                                                             Выполнила:

 

Криволапова О.А.,

студентка 214 группы

                                                                        факультета ПАЭ

 

                                                                        Проверил:

 

                                       Белопухов С.Л., профессор

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2013 г.

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………...3

 

1. Понятие «биотехнология»………………………………………………..4

2. Понятие «нанотехнология»………………………………………………5

2.1 Краткая история  развития………………………………………………5

3. Современный уровень  развития нанотехнологий………………………7

4. Нанобиотехнология……………………………………………………….8

4.1 Нанобактерии…………………………………………………………….9

5. Наномедицина……………………………………………………………11

5.1 Зачем медицине нанотехнологии?.........................................................12

6. Значение применений  нанотехнологий………………………………...14

7. Последствия применения  био- и нанотехнологий……………………..16

Заключение………………………………………………………………….20

Список литературы…………………………………………………………22

 

 

Введение

В большинстве стран, в том числе и в России, биотехнология  рассматривается как приоритетное направление, во многом определяющее технический прогресс и развитие общества.

Некоторые биотехнологические процессы, относящиеся к производству продуктов питания, были известны в  древние времена. Традиционная биотехнология  завоевала мировой рынок и  в экономическом плане вносит большой вклад в развитие, как отдельных фирм, так и стран в целом. Только сравнительно недавно традиционные биотехнологические процессы были тщательно изучены и проанализированы. Однако потребуется еще значительное время пока они будут модифицированы в современные научно-обоснованные технологии.

Таким образом, биотехнология  находит применение в решении  многих актуальных задач и позволяет  находить неожиданные решения, например, извлечение химических элементов из руд с использованием микроорганизмов – отрасль, получившая название микробиологической гидрометаллургии.

Наноинженерия с использованием молекулярного дизайна – это  высокоэффективная технология, которая  должна сыграть важную роль в будущем  биотехнологии и в ближайшие  десятилетия может изменить нашу жизнь.

Проведенные в 2002, 2003, 2005 и 2007 гг. московские международные конгрессы  «Биотехнология: состояние и перспективы  развития» и международные специализированные выставки «Мир биотехнологии» вызвали  широкий резонанс в мировом научно-техническом и деловом сообществе. Эти конгрессы убедительно доказывают, что Россия имеет хорошую фундаментальную базу во всех областях современной биотехнологии и большие перспективы дальнейшего её развития. Биотехнология в нашей стране должна стать главной технологией ХХI века. [3]

 

1. Понятие «биотехнология»

иотехнология

Биотехнология - совокупность промышленных методов, использующих живые  организмы и биологические процессы, достижения генной инженерии (отрасли  молекулярной генетики, связанной с  созданием искусственных молекул вещества, передающего наследственные признаки живого организма) и клеточной технологии. Такие методы применяются в растениеводстве, животноводстве, при изготовлении ряда ценных технических продуктов. Разрабатываются биотехнологические программы обогащения бедных руд и концентрации редких и рассеянных в земной коре элементов, а также преобразования энергии.

Под биотехнологией понимают совокупность методов и приемов  использования живых организмов, биологических продуктов и биотехнических систем в производственной сфере. Иными словами, биотехнология применяет современные знания и технологии для изменения генетического материала растений, животных и микробов, способствуя получению на этой основе новых (зачастую принципиально новых) результатов.

Биотехнология – это  биотехнические исследования, которые  развиваются в связи с усилением  взаимодействия биологии и технических  наук, особенно с материаловедением  и микроэлектроникой. В результате чего создаются биотехничесикие  системы, биоиндустрии и биотехнологии.

В узком смысле биотехнологиями  называют использование живых организмов в производстве и переработке  различных продуктов. Современные  биотехнологии основаны главным  образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток.

В широком смысле биотехнологиями  называются технологиии, использующие живые организмы или продукты их жизнедеятельности. Или так: биотехнологии  связаны с тем, что возникло биогенным  путем. [1]

 

2. Понятие «нанотехнология»

 

Любой материальный предмет - это всего лишь скопление атомов в пространстве. То, как эти атомы  собраны в структуру, определяет, что это будет за предмет (С. Лем).

Биотехнология главным  образом известна своим применением  в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве, но в последние годы все большее внимание уделяется созданию новых биологических материалов и машин с самыми разнообразными структурами, функциями и назначением. Эта тенденция усилилась с приходом нанотехнологий.

Слово нанотехнология произошло от единицы измерения нанометр (10-9 метра), составляющей одну тысячную микрометра (микрона), что является приблизительным размером молекулы.

Нанотехнология –  изучение, производство и работа со сверхмалыми структурами и приспособлениями возникла благодаря созданию микроскопических приборов. Сегодня много молодых компаний работает в направлении развития нанотехнологий.

Наиболее многообещающими  могут быть исследования компаний в  области нанобиотехнологии, наноэлектроники  и в создании новых материалов.

Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Вывод: нанотехнологии - это принципиально новый, наноотраслевой приоритет, он един для всех отраслей науки и промышленности.

Фактически, переход к  нанотехнологиям знаменует движение цивилизации в ближайшие 10-20 лет  к принципиально новому экономическому укладу. Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

- изготовление электронных  схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами  сравнимыми с размерами молекул  и атомов;

- разработка и изготовление  наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;

- непосредственная манипуляция  атомами и молекулами и сборка  из них всего существующего.

 

2.1 Краткая  история развития

 

Отцом нанотехнологии можно  считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «нераскалываемый», для описания самой малой частицы вещества.

Примером первого использования нанотехнологий можно назвать изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.

Один нанометр (от греческого «нано» - карлик) равен одной миллиардной  части метра. На этом расстоянии можно  вплотную расположить примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру. [2]

 

 

3. Современный уровень  развития нанотехнологий

 

В настоящее время  наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды.

Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в  дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов.

Общемировые затраты  на нанотехнологические проекты  превышают $9 млрд. в год. На долю США  приходится примерно треть всех мировых  инвестиций в нанотехнологии. Другие главные игроки на этом поле - Европейский Союз и Япония. Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре, Бразилии и Тайване. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 2 млн. человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов, составит, как минимум, несколько сотен миллиардов долларов и, возможно, приблизится к $1 трлн.

 

 

4. Нанобиотехнология

 

Нанобиотехнология –  область нанонауки и наноинженерии, применяющей методы и подходы  нанотехнологии для создания биоструктур  и изучения биологических систем. Нанотехнологи также используют способность биомолекул к самосборке в наноструктуры. Так, например, липиды способны спонтанно объединяться и формировать жидкие кристаллы. Молекулы пептидов в воде формируют правильные нановолокна, которые, в свою очередь, связываются и образуют каркасы.

“ПюраМатрикс” – это коммерчески реализованный каркасный материал из нановолокон, который получил свое название благодаря идеальности в качестве биотехнологически разработанного биологического каркаса. Ученые-биомедики во всем мире сейчас используют его для изучения раковых и стволовых клеток и для воссоздания костной ткани. Наличие в каркасах из нановолокон пор размером от 5 до 200 нанометров и чрезвычайно высокое содержание воды обусловливают возможность их использования при трехмерном выращивании клеток и тканей в восстановительной медицине.

Помимо этого благодаря  малым размерам пор этих каркасов, очевидно, их можно будет использовать для постепенного выделения медикаментов для пролонгирования их действия. Устройство с нанокаркасом для медленного выделения может имплантироваться в кожу с запасом лекарства на месяцы, и даже годы.

ДНК используется не только для создания наноструктур, но и  в качестве важного компонента наноустройств. Вполне вероятно, что ДНК, представляющая собой молекулу, хранящую информацию, может стать основным компонентом компьютеров следующего поколения. Вместо того чтобы создавать кремниевую основу микросхемы, нанотехнологии 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.

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.

Другие биологические  молекулы также используются для  создания способов передачи как можно большего количества информации. Например, некоторые исследователи изучают возможность использования поглощающих свет молекул подобных тем, что содержатся в сетчатке глаза, для тысячекратного увеличения объема хранящейся на компакт-дисках информации. Применение нанобиотехнологии будет способствовать развитию экологически чистых производственных процессов.

Исследования по практическому  применению нанобиотехнологии в  медицине направлены на совершенствование  средств и методов диагностики, профилактики и лечения. К ним можно отнести:

– повышение чувствительности и экспрессности анализа, что  позволит осуществлять раннюю диагностику  заболеваний и уже в ближайшее  время может быть использовано для  обнаружения онкологических, эндокринных  и сердечно-сосудистых заболеваний, вирусных и бактериальных инфекций. Особым типом наноустройств являются биочипы, основанные на применении полимеразной цепной реакции. Они позволяют оценить генетический статус обследуемого пациента и/или патогенного микроорганизма и спланировать мероприятия по профилактике и лечению;