Nanobiotechnologia zastosowanie w przemyśle spożywczym



Podobne dokumenty
Jakie są dotychczasowe efekty prac Komisji Kodeksu Żywnościowego FAO/WHO w zakresie Genetycznie Modyfikowanych Organizmów (GMO)?

NANOBIOROBOTY: PERSPEKTYWY ZASTOSOWANIA W DIAGNOSTYCE

Biotechnologia farmaceutyczna

Nanobiotechnologia zastosowanie w przemyśle spożywczym. Cz. 2. Mikro- i nanodiagnostyka w biotechnologii

Biotechnologia jest dyscypliną nauk technicznych, która wykorzystuje procesy biologiczne na skalę przemysłową. Inaczej są to wszelkie działania na

UNIWERSYTET ROLNICZY IM. HUGONA KOŁŁĄTAJA W KRAKOWIE WYDZIAŁ BIOTECHNOLOGII I OGRODNICTWA

Kierunek Międzywydziałowy - Inżynieria Biomedyczna. Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna. Specjalność:

MAKROKIERUNEK NANOTECHNOLOGIE i NANOMATERIAŁY

EFEKTY KSZTAŁCENIA DLA KIERUNKU STUDIÓW BIOTECHNOLOGIA

UNIWERSYTET ROLNICZY IM. HUGONA KOŁŁĄTAJA W KRAKOWIE WYDZIAŁ BIOTECHNOLOGII I OGRODNICTWA

Nanotechnologia aktualnie jest najbardziej fascynującym

BIOTECHNOLOGIA STUDIA I STOPNIA

Specjalność (studia II stopnia) Oczyszczanie i analiza produktów biotechnologicznych

SYSTEM HACCP W GASTRONOMII HOTELOWEJ. Opracował: mgr Jakub Pleskacz

1. Biotechnologia i inżynieria genetyczna zagadnienia wstępne 13

Biochemia Stosowana. Specjalność kierunku Biotechnologia Studia I stopnia

Efekty kształcenia dla kierunku studiów technologia żywności i żywienie człowieka i ich odniesienie do efektów obszarowych

Dofinansowanie prac badawczo-rozwojowych w ramach aktualnych programów wsparcia dla przedsiębiorców

TOWAROZNAWSTWO SPOŻYWCZE. Praca zbiorowa pod red. Ewy Czarnieckiej-Skubina SPIS TREŚCI. Rozdział 1. Wiadomości wstępne

Metody pozyskiwania podstawowych surowców i produktów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego oraz ogólne zagadnienia dotyczące towaroznawstwa.

Efekty kształcenia dla kierunku studiów biotechnologia i ich odniesienie do efektów obszarowych

Sesja prezentacji Wydziału Chemicznego

Program studiów II stopnia dla studentów kierunku chemia od roku akademickiego 2015/16

Opis zakładanych efektów kształcenia dla kierunku bezpieczeństwo i certyfikacja żywności

Kierunek: Biotechnologia, rok I

BIOPOLIMERY. Rodzaj zajęć: Grupa: WIMiC I-III r. Termin: poniedziałek Sala: Prowadzący: KONSULTACJE. POK. 106a A3. seminarium 105 A3/A4

EFEKTY KSZTAŁCENIA DLA KIERUNKU STUDIÓW BIOTECHNOLOGIA STUDIA DRUGIEGO STOPNIA - PROFIL OGÓLNOAKADEMICKI

Opis efektów uczenia się dla kierunku studiów

Noblista (1960), Richard Feynman s, wydając w 1997 roku książkę pt.: Nanosystem, zapoczątkował rewolucję XXI w. m.in. w biotechnologii.

Technologia Chemiczna II st. od roku akad. 2015/2016

KIERUNKOWE EFEKTY KSZTAŁCENIA Efekty przewidziane do realizacji od semestru zimowego roku akademickiego

Zakładane efekty kształcenia dla kierunku. Tabela odniesień efektów kierunkowych do efektów obszarowych

PLAN STUDIÓW NR I. STUDIA PIERWSZEGO STOPNIA (3,5-letnie inżynierskie) ANALITYKA CHEMICZNA I SPOŻYWCZA. 2. Analityka żywności GODZINY. sem.

ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE Specjalność: Biofizyka molekularna. 3-letnie studia I stopnia (licencjackie)

Kierunek: Biotechnologia, rok I specjalność:browarnictwo i napoje fermentowane

Potencjał naukowo badawczy Wydziału Technologii Żywności, Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie

Metody przechowywania i utrwalania bioproduktów KOLEKCJE SZCZEPÓW

Czy żywność GMO jest bezpieczna?

Kierunek: Biotechnologia, rok I Rok akademicki 2016/2017

Kierunki na stacjonarnych i niestacjonarnych studiach I i II stopnia stanowiące ofertę edukacyjną w roku akademickim 2019/20. studia stacjonarne

Laboratorium Wirusologiczne

BT_1A_W03 posiada elementarną wiedzę w zakresie prawa, zarządzania i ekonomii R1A_W02

STUDIA I STOPNIA NA KIERUNKU ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE. specjalność Biofizyka molekularna

Biotechnologia w Polsce w 2013 r.

Do uzyskania kwalifikacji pierwszego stopnia (studia inżynierskie) na kierunku BIOTECHNOLOGIA wymagane są wszystkie poniższe efekty kształcenia

Wzorcowe efekty kształcenia dla kierunku studiów biotechnologia studia pierwszego stopnia profil ogólnoakademicki

Efekty kształcenia dla kierunku studiów dietetyka i ich odniesienie do efektów obszarowych

Jerzy Majchrzak, Dyrektor Departamentu Innowacji i Przemysłu Ministerstwo Gospodarki , Płock

Wspieranie kontroli rynku w zakresie genetycznie zmodyfikowanych organizmów

Przedmioty specjalnościowe (570 godz.)

PLAN STUDIÓW. efekty kształcenia K6_U12 K6_W12 A Z O PG_ PODSTAWY BIOLOGII K6_W06 A Z K6_W01 K6_U01

PLAN STUDIÓW. efekty kształcenia K6_W01 K6_U02 K6_W01 K6_U02 K6_U05 K6_K02 K6_K03 K6_W05 K6_K02 K6_K01 K6_W02 K6_U03 K6_K01 K6_W03 K6_U05 K6_K02

Zakładane efekty kształcenia dla kierunku

Metrologia wymiarowa dużych odległości oraz dla potrzeb mikro- i nanotechnologii

Efekty kształcenia dla kierunku studiów Dietetyka studia pierwszego stopnia profil praktyczny

Rozwój metod dozymetrii biologicznej oraz biofizycznych markerów i indykatorów wpływu promieniowania na organizmy żywe

Opis efektów kształcenia na kierunku BIOTECHNOLOGIA

Kolory biotechnologii

ZAKŁADANE EFEKTY UCZENIA SIĘ Efekty przewidziane do realizacji od semestru zimowego roku akademickiego

CZYM JEST NANOSREBRO?

Klub Młodego Wynalazcy - Laboratoria i wyposażenie. Pracownia genetyki

Biotechnologia farmaceutyczna

Biotechnologia Studia Międzywydziałowe Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie

PLAN STUDIÓW NR VI. STUDIA PIERWSZEGO STOPNIA (3,5-letnie inżynierskie)

Efekty kształcenia dla kierunku Biologia

Efekty kształcenia dla kierunku Biotechnologia

Nowe technologie w produkcji płynnych mieszanek paszowych uzupełniających

PLAN STUDIÓW NR IVa. STUDIA PIERWSZEGO STOPNIA (3,5-letnie) TECHNOLOGIA ŻYWNOŚCI I ŻYWIENIE CZŁOWIEKA GODZINY. sem. VII NAZWA PRZEDMIOTU

UNIWERSYTET ROLNICZY IM. HUGONA KOŁŁĄTAJA W KRAKOWIE WYDZIAŁ BIOTECHNOLOGII I OGRODNICTWA

Kierunek: Biotechnologia, rok I Rok akademicki 2015/2016

STACJONARNE STUDIA I STOPNIA (INŻYNIERSKIE) - kierunek: TOWAROZNAWSTWO Załącznik 1: Plan studiów

Opis zakładanych efektów kształcenia OPIS ZAKŁADANYCH EFEKTÓW KSZTAŁCENIA

BIOTECHNOLOGIA MEDYCZNA

PLAN STUDIÓW NR II PROFIL OGÓLNOAKADEMICKI POZIOM STUDIÓW: STUDIA DRUGIEGO STOPNIA (1,5-roczne magisterskie) FORMA STUDIÓW:

PLAN STUDIÓW NR IV. STUDIA PIERWSZEGO STOPNIA (3,5-letnie) TECHNOLOGIA ŻYWNOŚCI I ŻYWIENIE CZŁOWIEKA GODZINY

II.1. Tabela odniesień kierunkowych efektów kształcenia do efektów obszarowych:

Kierunki i specjalności na stacjonarnych i niestacjonarnych studiach I i II stopnia stanowiące ofertę edukacyjną w roku akademickim 2019/20

Biogazownie w Polsce i UE technologie, opłacalność, realizacje. Anna Kamińska-Bisior

Kierunki na stacjonarnych i niestacjonarnych studiach I i II stopnia stanowiące ofertę edukacyjną w roku akademickim 2019/20. studia stacjonarne

InzP_W05 przemysłu spożywczego. R1P_W11 K _W04 Wykazuje znajomość zasad rachunkowości i dokumentowania procesów gospodarczych R1P_W02 InzP_W05

Exemplis discimus. Uczymy się na przykładach

Program studiów na kierunku BIOTECHNOLOGIA - studia stacjonarne II stopnia ANALITYKA BIOTECHNOLOGICZNA

PLAN STUDIÓW NR IV PROFIL OGÓLNOAKADEMICKI POZIOM STUDIÓW: STUDIA DRUGIEGO STOPNIA (1,5-roczne magisterskie) FORMA STUDIÓW:

CEZAMAT nowe miejsce współpracy nauki i biznesu na mapie polskiej infrastruktury laboratoryjnej. Piotr Wiśniewski

Ocena ryzyka stosowania GMO w środowisku jako element autoryzacji roślin GM do uprawy. Ewelina Żmijewska Laboratorium Kontroli GMO IHAR-PIB Radzików

PLAN STUDIÓW NR III. STUDIA PIERWSZEGO STOPNIA (3,5-letnie) TECHNOLOGIA ŻYWNOŚCI I ŻYWIENIE CZŁOWIEKA GODZINY. sem. V NAZWA PRZEDMIOTU

Nowy kierunek studiów na Wydziale Nauk Biologicznych Uniwersytetu Wrocławskiego. Studia licencjackie i magisterskie

E f e k t y k s z t a ł c e n i a

Plan studiów na kierunku studiów wyższych: BIOCHEMIA studia pierwszego stopnia, profil ogólnoakademicki

profil ogólnoakademicki studia I stopnia

Moduły kształcenia. Efekty kształcenia dla programu kształcenia (kierunku) MK_06 Krystalochemia. MK_01 Chemia fizyczna i jądrowa

There is plenty of room at the bottom. Richard Feynman (laureat nagrody Nobla z fizyki)

Zdobycze biotechnologii w medycynie i ochronie środowiska

Minister van Sociale Zaken en Volksgezondheid

KARTA KURSU. Biotechnology in Environmental Protection. Kod Punktacja ECTS* 1

Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej w obszarze biotechnologii

Plan studiów na kierunku studiów wyższych: BIOCHEMIA studia pierwszego stopnia, profil ogólnoakademicki

Kierunki na stacjonarnych i niestacjonarnych studiach I i II stopnia stanowiące ofertę edukacyjną w roku akademickim 2019/20. studia stacjonarne

Program studiów II stopnia dla studentów kierunku chemia od roku akademickiego 2016/2017. Semestr 1M

Transkrypt:

Nanobiotechnologia zastosowanie w przemyśle spożywczym Cz. 1. Trendy nanotechnologii w białej biotechnologii Dr. hab. Anna Sałek International Bio-Consulting, Germany 1. Wstęp Mikrodiagnostyka żywności w Polsce, w rankingu marketingowym jest stosunkowo nową dziedziną, wciąż na etapie rozwoju, m.in. z powodu niezdefiniowanego ostatecznie rynku odbiorców. Oczekuje się, że analityka żywności w zakresie szybkich i zautomatyzowanych metod, jako szczególny obiekt zainteresowania biznesu, gwałtownie wzrośnie z chwilą egzekwowania (zgodnie z Rozporządzeniem 178/2002 Unii Europejskiej, Kodeksem Jakości oraz Białą Księgą) obligatoryjnych badań w kierunku sprawnego monitoringu higieny w przemyśle spożywczym, połączonych z traceability łańcucha produkcyjnego oraz kontroli bezpieczeństwa żywności i analizy ryzyka zagrożenia, tj. oceny ryzyka, zarządzanie ryzykiem oraz stworzenie systemu komunikacyjnoinformacyjnego. Najbardziej obiecujące w diagnostyce nauk biologicznych, w tym nauk rolniczych, technologii żywności i ochronie środowiska - są rewolucyjne niemalże rozwiązania techniczne w sferze nanobiotechnologii z mikro- i nanoanalityką oraz komputerową interpretacją wyników w tzw. real time [1g]. Nanobiotechnologia obejmuje dziedziny wiedzy badające i kontrolujące struktury, procesy oraz funkcje systemów biologicznych w nanoskali (obiekty ponizej 100 nm). W celu porównania, np. średnica włosa wynosi 8x10 4 nm, cząsteczki wody prawie 0.3 nm, a atomu ok. 0.2 nm. Możliwości nanotechnologii w sferze rolnictwa, ochrony środowiska i technologii żywności, czyli w obszarze tzw. białej biotechnologii, są ogromne i obejmują przede wszystkim wykorzystanie nanobiosensorów i tzw. nanobiomaszyn przy: Monitorowaniu żywności i systemów dostawy wody, tj.: - podczas wykrywania obecności pozostałości związków szkodliwych dla zdrowia, np. metali ciężkich, antybiotyków, toksyn, gazów trujących, czy mikoorganizmów patogennych; 1

- do szybkiej identyfikacji różnych wariantów GMO, zafałszowań żywności obcym białkiem oraz badania ekspresji genów i sekwencjonowania określonego DNA; Przy monitorowaniu zdrowia ludzi i zwierząt, z użyciem np. biosensorów nowej generacji (nanobiosensorów i różnego rodzaju chipów) przeznaczonych do diagnostyki biologicznej; Przy monitorowaniu ochrony środowiska i rolnictwa (down on the farm) [8] oraz ich bezpieczeństwa, np. w wyniku zastosowania enzymów degradujących polisacharydy, czy poprzez wprowadzanie mikroorganizmów (w mikrocząstkach) [7], korzystnych dla molekularnej ekologii, jak również podczas kontroli przepływu metali ciężkich w roślinach. Powyższe zadania mogą być realizowane w wyniku zastosowania różnego typu konstrukcji i procesów nanotechnologicznych, deklarowanych jako techniki przyszłościowe. Naleza do nich np.: współdziałające ze sobą na poziomie molekularnym sensory i markery, które zbudowane z biologicznych elementów, zwane są biosensorami i biomarkerami [3, 4, 7]; bioinżynieria DNA (tzw. genomika), tj. hybrydyzacja komplementarnego DNA oraz segregacja, reperowanie i sekwencjonowanie genów na lab-on-a-chip [1e, 1g, 7]; nanomateriały, jako kompozycje biopolimerowe, stosowane w rolnictwie i technologii żywności oraz nanomembrany o nanoporach (channels) i bioselektywnej powierzchni, przewidziane do kontroli procesów w przemyśle fermentacyjnym oraz podczas produkcji napojów oraz do oznaczeń zanieczyszczeń środowiska, stężenia gazów trujących, obecności mikroflory patogennej (wirusy, bakterie, drożdże i pleśnie) oraz do identyfikacji toksyn pochodzenia mikrobiologicznego [3, 7]; nanoprocesy regulowane na poziomie molekularnym za pomocą nanobiorobotów jako nanomaszyn (otrzymanych w wyniku manipulacji komórkowych, czy tkankowych), do konstrukcji których, m.in. wykorzystano nano-włókna / nano-cylindry, np. węglowe/grafitowe [3, 6, 7, 10]; bionems (bio-nano-elektro-mechaniczne systemy), stosowane w postaci nanopomp, rotorów, motorów wewnątrzkomórkowych, czyli ogólnie 2

nanomaszyn (nanobiobotów = nanobiorobotów) na poziomie komórkowym [1f, 4, 7]; technika mikrofluidyzacyjna oraz fotolitografii wykorzystana do konstrukcji biochipów oraz zespołu zwanego lab-on-a-chip z różnego typu rozwiązaniami mikro- i nanomacierzy (jak cdna, homologiczne na pewnym odcinku do DNA badanej próbki, polipeptydy lub białka oraz antyciała znakowane markerem świetlnym, np. fluorescencyjnym, czy też z wykorzystaniem magnetycznych cząstek) [1a, 7]; systemy dostawy różnych związków do komórek organizmu (drug delivery), np. w postaci nanokapsułek czy nanoliposomów, z uwięzionymi lekami, bądź polimerami specyficznego, hybrydowego DNA, jak również w formie antywirusowych lub antybakteryjnych nanocząstek (nanoparticles) [5, 7]. 2. Integracja nauk biologicznych z systemami i materiałami w skali nano Można sądzić, że rewolucja w biotechnologii zaczęła się od chwili wydania w 1997 roku książki Nanosystems, noblisty z 1960 roku, Richarda Feynman sa. Swiat naukowy został wówczas oślepiony i zaintrygowany nagłym przeskokiem do tajemniczego obszaru miniaturyzacji, gdzie fantazja stopniowo przeistaczała się w rzeczywistość, a siły grawitacji straciły na ich klasycznym znaczeniu, wywołując potrzebę opracowania nowych zależności fizykomatematycznych. Realnym stało się np. zbudowanie z pojedynczych cząstek węgla prototypu tranzystora o średnicy mniejszej niż 50 nm, który potrafił zgromadzić ogromną ilość danych. Oczywiście, większość tych urządzeń wciąż jest w sferze badań laboratoryjnych. Najszybciej realizują się w praktyce prototypy nanobiosensorów i różnego rodzaju nanomateriały, służące do konstrukcji systemów pomiarowych oraz nanorobotów, zaangażowanych w funkcjonowanie układów biologicznych, np. tkanek [4, 7]. Obecnie, z ponad 180 praktycznych rozwiązań z zakresu nanobiotechnologii, o różnym stopniu zaawansowania pod względem wykonawczym, tylko kilka z nich zostało wprowadzone na rynek. To ostrożne wkraczanie do marketingu wiąże się 3

przede wszystkim z ogromnymi nakładami finansowymi na badania (laboratoryjne i prototypy), rzędu kilkudziesięciu tysięcy do kilku milionów dolarów na jeden projet [8]. Jednakże wiele koncernów żywnościowych (np. Nestle, Kraft, PepsiCo, Cargill, czy Campbell Soup) jest świadoma potencjału aplikacyjnego i przyszłych korzyści finansowych z zastosowania elementów nanobiotechnologii w procesie produkcji żywności. Swiadczy o tym także wzrastająca ilość firm (np. ok. 200 koncernów na przełomie 2004/2005 roku), partycypującyh w badaniach naukowych, dotyczących nanobiotechnologicznych rozwiązań konstrukcyjnych, przeznaczonych dla technologii żywności oraz zainteresowanych w ich wdrożeniu (R & D). Przewiduje się, że do 2010 roku w badaniach z zakresu nanobiotechnologii weźmie udział kilka tysięcy przedsiębiorstw, które szacują dochód ze sprzedaży wyprodukowanych nanomateriałów i nanobiobotów w przemyśle spożywczym na łączną kwotę sięgającą 20,4 bilionów dolarów, przy czym globalny rynek nanotechnologiczny osiągnie wysokość 1 tryliona dolarów [5, 8] Jednakże, jak dotąd, największym odbiorcą różnego rodzaju nowinek z dziedziny nanotechnologii o znaczeniu praktycznym - jest nanomedycyna [3]. Wynika to, m.in. z faktu, że konstruowane nanomaszyny, czy nanobioboty najefektywniej funkcjonują w środowisku żywych organizmów, w liczbie nawet do tysięcy na jedną komórkę. Wiąże się to również z faktem korzyści, jakie są w stanie przynieść nowe technologie w medycynie i farmacji. Dzięki zastosowaniu odpowiednich biomarkerów, nanobioboty pozwalają bowiem na niezwykle precyzyjną i wczesną diagnostykę oraz na prognozowanie chorób, będąc ogromnie przydatnymi podczas przewidywania i oceny ewentualnego zagrożenia zdrowia (risk analysis) w tzw. theranostyce (therapeutic + diagnostc = theranostic). Jednocześnie nanodiagnostyka sprawia, iż pomiary są zdecydowanie szybsze, ukierunkowane, wymagające nano-ilości próbki do pomiaru, a tym samym bardziej praktyczne i ekonomiczne [3]. Medyczne badania funkcji mózgu (neurologia) oraz technologie i procesy bazujące na DNA, określają naszą Molekularną Przyszłość. DNA jest więc centralą informacyjno-instrukcyjną komórki, określaną w nanotechnologii bazą i prototypem, kompetentnym do interakcji RNA. Fakt ten otwiera nową dziedzinę wiedzy o funkcjonowaniu człowieka i o jego molekularnej naturze, a w dalszej kolejności o substancjach biologicznych (jak np. żywność), służących naszemu zdrowiu i bezpieczeństwu [5]. 4

3. Trendy nanotechnologii w białej biotechnologii Jakie trendy z zakresu nanobiotechnologii dominują aktualnie w badaniach na użytek technologii żywności? Przede wszystkim, to poprawa bezpieczeństwa i jakości żywności, szczególnie pod względem mikrobiologicznym [1b, 1c, 1d]. W kilku światowych laboratoriach prowadzone są intensywne prace naukowo-badawcze oraz wdrożeniowe w zakresie zastosowania nanotechnologii do szybkiej identyfikacji mikroflory patogennej w żywności, wodzie pitnej oraz w otaczajacym środowisku (naturalnym i produkcyjnym). Szczególny nacisk położono na wykrywanie w ciagu paru godzin bakterii Salmonella sp., Listeria monocytogenes, Campylobacter sp., czy Legionella pneumophila. Następnym krokiem w przyszłość będzie: Wytwarzanie nowych produktów, zwanych nanofood pod katem żywności funkcjonalnej i neutraceuticals oraz produktów smart, poprzez kształtowanie ich składników na poziomie atomowym i molekularnym [1c, 5]; Kolejnym obiektem zainteresowań nanotechnologów stanie się szybka i precyzyjna analiza GMO (genetycznie zmodyfikowanych organizmów), celem prewencyjnej kontroli produkcji rolniczej [4], badanie procesów biologicznych (katabolicznych i anabolicznych) komórek, ich enzymów i tkanek użytecznych w białej biotechnologii [5], opracowanie nowej generacji opakowań, specyficznie przepuszczających związki lotne, tj. pozwalających na wydalanie gazów skracających trwałość produktu [8, 9] oraz tworzenie efektywnych i precyzyjnych systemów dostarczania substancji odżywczych do komórek mikroorganizmów, tkanek roślinnych, czy zwierzęcych (nanoliposomy) [3]. Przypuszcza się, że nanobiotechnologia może zmienić żywność konwencjonalną szybciej aniżeli jesteśmy sobie w stanie wyobrazić, bowiem produkcja nanofoods jest tańsza, skuteczniejsza, efektywniejsza, bezpieczniejsza, bardziej stabilna i wymagająca mniej substancji chemicznych oraz cechująca się mniejszym zużyciem wody, a więc obniżoną ilością ścieków [1d]. 5

Głównymi obszarami zastosowania nanobiotechnologii w przemyśle spożywczym (o czym wspomnino już wyżej) będzie więc: żywność funkcjonalna i nutraceutyki, tj. dodatki do żywności, żywienie człowieka, dietetyka i produkcja napojów, np. piwa. W związku z tym nanobiotechnologia wpłynie na proces produkcji żywności (od farmy do talerza), na utrwalanie produktów, poprawę ich cech organoleptycznych, zachowanie jakości i bezpieczeństwa oraz na właściwe opakowania żywności. Zastosowane będą nowe rozwiązania nanobiotechnologii w zakresie [8, 9]: Konstrukcji nanobiobotów przeznaczonych do funkcjonowania w tzw. mokrej nanotechnologii (tj. nanobiotechnologii, w odróżnieniu od dry nanotechnologii, na obszarze elektroniki), np. sztuczne hybrydowe nanomotory (12 nm) z enzymem ATP-azą, których siłą napędową jest ATP [4]; Nanomateriałów, np. różnego rodzaju nanocząsteczek (tagged nanoparticles), biopolimerów, sztucznych receptorów (artificial molecular receptors), immunizowanych nanoporów w filtrach membranowych, zbudowanych z polikrystalicznych silikonów [7]; Urządzeń pomiarowych, np. biosensorów, biochipów, lab-on-a chip [7]; Procesu technologicznego, z użyciem np. emulsji, żeli, pian, liposomów (zawierających antybiotyki do leczenia zwierząt, etc.) [5]; Systemów dostawy do organizmów leków lub substancji odżywczych za pomocą, np. nanokapsułek, nanokulek, różnego typu nanorobotów, czy nanocząstek (tzw. drug delivery in smart drugs) [3, 4, 7]; Systemów membranowych, np. nanomembran jako aktywnych powierzchniowo bioreceptorów, nanofiltrów, przeźroczystych, przemysłowych powłok opakowaniowych (o gubości do kilku nm), o określonej przepuszczalności, np. zastępujących butelki do lekkich napojów, m.in. piwa, wody pitnej [5]; Konstrukcji nanobioreceptorów, np.: - z cdna znakowanym fluorescencyjnie, przeznaczonym do identyfikacji nieznanego DNA [4, 7], - z kompatybilnym DNA do sekwencjonowania genów [4, 7] materiału pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, 6

- nanopowierzchni ze sztucznymi receptorami do badania białek i peptydów [4], np. przeznaczonych do wykrywania zafałszowań żywności wegetariańskiej lub przetworów mięsnych z użyciem obcego białka zwierzęcego, powłok polimerowych dla włókien węglowych, itd. [6, 7]. Nanobiosensory mogą być użyte, np. w rolnictwie, czy w technologii żywności do monitoringu procesu chemicznego, bądź biologicznego (biochemicznego, mikrobiologicznego lub genetycznego) [1c, 1d] (Rys. 1). Rys. 1. Gene-Chip i Nutri-Chips, np. do GMO (identyfikacja obcego DNA), mikroorganizmów patogennych, czy analizy protein (firma Gene-Scan, Freiburg-Germany). Kontrolę procesów biologicznych (np., metabolizmu) mikroorganizmów technologicznych można zrealizować w wyniku zastosowania: Nanobiosensorów (w tym optycznych, np. fluorescencyjnych) do identyfikacji biomarkerów (określonych metabolitów drożdży) w środowisku fermentacyjnym (Rys. 2), Chemicznych, bądź enzymatycznych nanobiosensorów do monitorowania in real-time dynamiki ubytku substratu (np. glukozy) oraz identyfikacji innych wybranych biomarkerów metabolicznych, Platynowo-porfirynowych elektrod (sensorów), o polimerowej bazie, do pomiaru dynamiki oraz kinetyki procesów oddechowych, przebiegających w pojedynczych komórkach (pochłanianie O 2 ), gdzie aktywność oddechowa charakteryzuje stan fizjologiczny drożdży, W przypadku badania bezpieczeństwa żywności, na pierwszy plan wysuwa się konieczność szybkiej i precyzyjnej identyfikacji oraz diagnozy 7

drobnoustrojów patogennych [1d, 3, 8]. W tym celu w chwili obecnej, oprócz DNA-chip i immuno-chip, możliwym jest monitorowanie biologicznych struktur bezpośrednio w płynnym podłożu, np. w brzeczce piwnej [1b], Dodatki plus Chemiczne sensory Medium płynne Do komory analitycznej Fluorescencyjny indykator Proteomika RT-PCR Obiektyw mikroskopu Rys. 2. Mikrosystem do badania pojedynczych komórek drożdżowych. Dzięki nanobiotechnologii, mikroskop o działaniu atomowym (AFM) zapewnia manipulowanie strukturami membranowymi mikroorganizmów w ich natywnym płynnym środowisku, np. dokonywanie zmian w pojedynczych białkach membranowych drożdży, albo obserwowanie w czasie rzeczywistym dynamiki zmian powierzchniowych w błonie komórkowej, dotyczących białek strukturalnych oraz identyfikacji pojedynczych receptorów. Ten sposób badań komórek drożdży w środowisku naturalnym, nie symulowanym, np. w brzeczce, pozwala nam na wyselekcjonowanie najaktywniejszych i najwłaściwszych szczepów. 4. Funkcjonalne nanomaszyn w białej biotechnologii Podczas opracowywania szybkich, czułych i powtarzalnych metod analitycznych, dostosowanych do różnych opcji badawczych, poza ulepszaniem i 8

walidacją już istniejących sprawnych mikrotechnik pomiarowych, sięga się do tzw. technik turbo-nano, wchodzących w obręb nanobiotechnologii. Nanobiotechnologia obejmuje konstrukcję sztucznych nanobiomaszyn (porównywalnych do naturalnych organów, jak np. do rybosomu komórkowego, czy mitochondrium) oraz produkcję i wszelkie manipulacje ich kształtem na poziomie atomowym i molekularnym, tj. w skali rzędu nanometrów (10-9 m) (Rys. 3): Rys. 3. Struktury atomowe (nanoarray) na płytce silikonowej (A.) oraz nanobiomaszyny, tzw. naturalne nanobioboty (mitochondrium i rybosomy w komórce) oraz włókna/cylindry węglowe (carbon nanotubes) [4, 6, 7, 10, 11]. Z założenia, wiedza nanotechnologiczna skupia w sobie dwa fundamentalne kierunki badań, zw. top down i bottom up. Technika top down odnosi się do nanostruktur otrzymanych na drodze kształtowania mechanicznego i poprzez tzw. rytowanie, podczas gdy technika bottom up odnosi się do budowania organicznych i nieorganicznych struktur atom-po-atomie (atom-by-atom) lub cząsteczka-począsteczce (molecule-by-molecule) [10]. Nanomaszyny (syn. nanobioroboty, nanobioboty, nanomotory, nanoparticles), jako innowacyjne rozwiązania techniczne umożliwiają kontrolę i regulację procesów biologicznych, konstrukcję nowych elementów atom-po-atomie, aż do cząsteczek, zgodnie z ustalonym planem [3, 4, 9]. I chociaż nanobiotechnologia ma niejedno oblicze, wspólna jest dla nich koncepcja racjonalnej manipulacji kształtem nanobiobotu (np. nano-cząsteczki) oraz wymiarami odpowiadającymi molekularnej, bądź atomowej precyzji. Z materiałów nowej generacji powstają nano-włókna, nano- 9

rurki, nano-druciki, nano-pierścienie, nano-cysty, itp. Budowy nanostruktur dokonuje się w specjalistycznych atomowych mikroskopach (np. skanningowy mikroskop tunelowy, zw. STM, czy mikroskop o działaniu atomowym, AFM Atom Force Mikroscop) [2, 7]. Nanobioboty są hybrydową kombinacją części biologicznej i nieorganicznej, np. sensora świetlnego lub immunologicznego, efektywnie połączonego ze szkłem, materiałem silikonowym lub innym polimerem, ukształtowanym metodą: albo mikrofluidyzacji, albo fotolitografii (w MEMS, tzn. w mikro-elektromechanicznym systemie i w NEMS, nano-elektromechaniczny systemie oraz do konstrukcji array) [1a, 4]. Mikro- i nanotechnologia są w dniu dzisiejszym najbardziej fascynującymi obiektami wielodyscyplinarnych badań naukowych, z niekonwencjonalnymi rozwiązaniami technicznymi z kilku dziedzin nauki, m.in. fizyki, chemii, biologii molekularnej, czy inżynierii elektronicznej z organiczną elektroniką, fotoniką i komputeryzacją (Rys. 4). Rys. 4. Integracja nauk tworzących nanobiotechnologię [4, 5, 7, 9, 10]. Za przykład wielodyscyplinarnego osiągnięcia może posłużyć tzw. lab-on-achip (LOP), charakteryzujący się dużym potencjałem aplikacyjnym przy automatyzacji, miniaturyzacji i mobilności urządzeń do szybkiej analizy w pracach naukowo-badawczych, czy rutynowych (systemy portable), zarówno w czerwonej biotechnologii (medycyna), zielonej (rolnictwo), jak i w białej biotechnologii (produkcja żywności i ochrona środowiska) [1b, 3, 7]. 10

Ogólnie, nanostruktury mają unikalne optyczne, elektryczne, termiczne i mechaniczne właściwości, które czynią je użytecznymi narzędziami w biotechnologii. W dziedzinie nanotechnologii istnieje wiele gotowych prototypów, tzw. nanomaszyn / nanobiorobotów, wykorzystywanych, jak dotąd głównie w medycynie [3]. Tylko niektóre z nich służą do specjalnych zadań w rolnictwie i technologii żywności. Zbieżność nanotechnologii z biotechnologią i z pewną dziedziną medycyny, neurologią, zapoczątkowała niemalże rewolucję w badaniach biologicznych 21 wieku. Otworzyły się bowiem nowe możliwości badawcze, a dzięki temu wzrosła ilość innowacyjnych rozwiązań, generalnie służących bezpieczeństwu i poprawie zdrowia ludzkiego [9]. 11

LITERATURA [1] Advantage Magazine February, 2004: a. Quick, inexpensive method to prototype microchips. www.azonano.com/details.asp?articleid=424 b. New DNA-Chip rapidly detects, identifies dangerous pathogens. www.azonano.com/details.asp?articleid=485 c. Food Industry tuning in to nanotechnology. www.azonano.com/details.asp?articleid=855 d. Nanotechnology to play important and prominent role in food safety. www.azonano.com/details.asp?articleid=858 e. Lab-on-a-chip and the impact of nanotechnology. www.azonano.com/details.asp?articleid=866 f. Biotechnology systems incorporating nanotechnology. www.azonano.com/details.asp?articleid=959 g. Biochip and the use of Nanotechnology in imaging. www.azonano.com/details.asp?articleid=969 [2] Dufrene Y., F.: Using Nanotechniques to explore microbial surfaces. Nature review. Microbiology, 2, (2004), 451-460. [3] Freitas Jr. R. A.: The future of nanofabrication and molecular sacle devices in nanomedicine. Studies in Health Technology and Informatics, 80, (2002), 45-59. [4] Goodsell D.S.: Bionanotechnology: Lessons from Nature. Wiley-Liss, (2004). [5] Kaiser H.: New Study: Nanotechnology in Food and Food Processing. Industry Worldwide 2003-2006- 2010-2015. www.hke22.com/nanofood.html [6] Kang Y., Taton T.A.: Micelle-encapsulated carbon nanotubes: A general Route to nanotube composites. J. Am. Chem. Soc., 125, (2003), 5650-5651. [7] Nanobiotechnology: Concepts, Aplications and Perspectives. Edited by Niemayer C.M., Mirkin C.A., Wiley-VCH, (2004). [8] Report: Down on the Farm. The impact of nano-scale technologies on food and agriculture. ETC Group, November 2004, www.etcgroup.org [9] Report: Nanoscience and nanotechnologies: Opportunities and uncertaintes. The Royal Society & The Royal Academy of Engineering, (July 2004), [10] Taton T.A.: Bio-Nanotechnology: Two-Way traffic. Nature Mater., 2, (2003), 73-74. [11] Taton Group, University of Minnesota, Dept. Of Chemistry: Nanobiotechnology: Hybrid materials from nanoscale objects and biomolecules (Research Projects), (2005), www.chem.umn.edu/groups/taton/researchcontent.htm 12