Что стоит на страже биологической безопасности
В мире, где биологические угрозы становятся всё сложнее и разнообразнее, на помощь приходят технологии оперативного обнаружения опасных патогенов и токсинов. Биосенсоры – устройства, способные в режиме реального времени идентифицировать биологические агенты и сигнализировать об угрозе – становятся ключевым инструментом в этой области. Технологии применяются в самых разных сферах: от медицины и экологического мониторинга до пищевой промышленности.
Умные технологии в действии: как устроены биосенсоры
Биосенсоры представляют собой компактные аналитические системы, сочетающие биологический компонент (например, ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты) с физико-химическим преобразователем сигнала. Принцип их работы основан на способности биологических молекул избирательно взаимодействовать с целевыми веществами, что приводит к изменению оптических, электрохимических или других параметров, которые фиксируются датчиком.
Российские разработки: передовые технологии биозащиты
В России разработкой таких технологий активно занимаются несколько научных коллективов. Исследовательская группа под руководством доктора химических наук А.А. Карякина (МГУ имени М.В. Ломоносова) создаёт биосенсоры нового поколения. Вместо обычных электродов ученые используют особые наноматериалы – микроскопические структуры, которые в тысячи раз тоньше человеческого волоса. «Нанодатчики» содержат биологические «ловушки» – фрагментами ДНК и белков, которые избирательно связываются только с определёнными молекулам: они игнорируют посторонние вещества и реагируют только на свою «мишень», сигнализируя тем самым об опасности.
Научным коллективом из Института биохимии им. А.Н. Баха РАН под руководством доктора химических наук Б.Б. Дзантиева разрабатываются экспрессные системы для иммунохимического определения широкого круга аналитов: пестицидов, гормонов, микотоксинов, антибиотиков, психоактивных веществ и др. Созданы иммунохроматографические тесты для внелабораторной диагностики.
Умный российский биомониторинг для защиты общества
Важнейшим направлением для обнаружения биоугроз является создание систем непрерывного мониторинга окружающей среды. В аэропортах, на вокзалах и других объектах массового скопления людей устанавливаются стационарные биосенсорные системы, способные круглосуточно анализировать воздух и людей на наличие опасных микроорганизмов.
Так, для экспресс-индикации в воздухе угрожающих здоровью человека возбудителей особо опасных инфекций и токсинов в МГУ им. М. В. Ломоносова разработан прибор «Эфир-Био». С его помощью цикл анализа иммунологическим методом проводится всего за 10 минут.
В НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи разработан прибор «Детектор-Био». Он может менее, чем за два часа, в автоматическом режиме определить до 100 патогенных биологических агентов. При анализе применяется два метода: полимеразная цепная реакция в режиме реального времени и метод иммунофлуоресценции.
В 2019–2020 гг. в России были внедрены автоматизированные биодетекторные приборы индикации и идентификации.
В 2025 г. команда исследователей НИТУ МИСИС, Сколтеха, МПГУ, НИУ ВШЭ, ФГБУ «НМИЦ АГП им. В.И. Кулакова» и Саратовского государственного университета предложила использовать высокоточный компактный газовый детектор (чип с «обонянием»), который может обнаружить молекулы опасных газов – от паров ацетона до токсичных соединений. По словам ученых-разработчиков, «в основе технологии – слой наноразмерных шариков, где как на губке, конденсируются молекулы газа, а изменения фиксирует фотонная интегральная схема. Такие детекторы многофункциональны, они способны быстро выявлять утечки на производстве, следить за чистотой воздуха в городах и даже помогать в диагностике диабета» (см. подробнее на сайте НИТУ МИСИС: https://misis.ru/news/9844/).
Будущее технологий: искусственный интеллект на страже здоровья
Перспективным направлением в национальной системе раннего предупреждения биологических угроз является интеграция биосенсоров с системами искусственного интеллекта.
В России внедряется система поддержки врачебных решений на основе ИИ. Цифровая трансформация здравоохранения повышает точность диагностики, оптимизирует управление медицинскими данными и персонализирует лечение пациентов. ИИ, в частности машинное обучение и нейросети, начинает использоваться для мониторинга, анализа и прогнозирования распространения инфекционных заболеваний, способных вызвать глобальные пандемии – грипп и COVID-19. ИИ помогает реагировать на эпидемиологические угрозы общественному здоровью. Например, система «Роспотребнадзор-Аналитика» как часть Единой информационно-аналитической системы (ЕИАС) Роспотребнадзора способствует санитарно-эпидемиологическому благополучию россиян.
Вызовы современности: что предстоит решить
Несмотря на значительные успехи в биозащите, остаются и вызовы. Основные проблемы связаны с необходимостью повышения чувствительности и специфичности сенсоров, уменьшения времени анализа, а также обеспечения стабильности биологических компонентов в различных условиях эксплуатации.