Нанобиотехнологии в кормлении животных, производстве и переработке сельхозпродукции

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИБИРСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПЕРЕРАБОТКИ  
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ СФНЦА РАН

К. Я. Мотовилов
Н. Н. Ланцева
О. К. Мотовилов

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ  
В КОРМЛЕНИИ ЖИВОТНЫХ, ПРОИЗВОДСТВЕ 
И ПЕРЕРАБОТКЕ СЕЛЬХОЗПРОДУКЦИИ

Учебное пособие

Новосибирск 2019

УДК 633.2/.4.003:001.895+636:001.895
ББК  42.2:40.06 
М 854

Рецензенты:  А. Ф. Алейников, д-р техн. наук., проф.,  
засл. изобретатель РФ 
В. А. Реймер, д-р с.-х. наук, проф., засл. работник 
АПК РФ

Мотовилов К. Я.
Нанобиотехнологии в кормлении животных, производстве и переработке сельхозпродукции: учеб. пособие / К. Я. Мотовилов, Н. Н. Ланцева, О. К. Мотовилов; Новосиб. гос. аграр. ун-т, СибНИПТИП. – Новосибирск: ИЦ НГАУ «Золотой колос», 2019. – 200 с.

Учебное пособие предназначено для студентов биолого-технологического факультета всех форм обучения по направлениям подготовки 
36.03.02 –Зоотехния, 35.03.07 – Технология производства и переработки 
сельскохозяйственной продукции, изучающих дисциплину «Кормление 
животных», а также научных сотрудников, руководителей и специалистов предприятий, преподавателей вузов, колледжей и всех, кто интересуется проблемами применения элементов нанобиотехнологий в АПК.

Утверждено и рекомендовано к изданию ученым советом СибНИПТИП и учебно-методическим советом биолого-технологического 
факультета (протокол № 8 от 16 октября 2018 г.)

© Новосибирский ГАУ, 2019
21 век – век нанобиотехнологий

Нобелевский лауреат  
Х. Штёрмер

ПРЕДИСЛОВИЕ

За последние годы в мире проводятся многочисленные 
исследования по разработке нанобиотехнологий. Ученые 
считают, что использование нанобиотехнологий – это будущее нашей цивилизации. Ведущие страны мира в решение 
этой проблемы вкладывают большие финансовые средства, 
которые в скором времени окупятся. Создается новое оборудование, комплектуются специализированные центры по 
получению наноматериалов.
Следует также отметить, что для внедрения нанобиотехнологий нужны грамотные специалисты, для подготовки 
которых в передовых странах открываются новые специальности по обучению кадров для работы на высококлассном 
оборудовании. К глубокому сожалению, ни в одном аграрном вузе России не готовят специалистов по данному направлению. По мнению авторов, учебное пособие позволит 
преподавателям и студентам аграрных вузов прикоснуться 
к этой проблеме и приступить к более глубокому изучению 
нанобиотехнологий и последующему широкому их использованию в АПК страны.

ВВЕДЕНИЕ

«Нано» в переводе с греческого означает гном или карлик. Термин «нанотехнология» впервые ввел японский ученый Норио Танигути в конце 60-х годов XX в. Под нанотехнологиями он предложил понимать процесс создания новых 
веществ или материалов путем манипуляции атомами или 
частицами размером менее одной миллиардной доли метра 
(10-9 м).
Нанобиотехнология – это область науки на стыке биологии и нанотехнологии. Этот термин используют при применении нанотехнологических устройств и наноматериалов 
в биотехнологии и при использовании биологических молекул для нанотехнологических целей. Размеры нанобиологических макромолекул (ДНК, РНК), ферментов, антител 
находятся в пределах диапазона наношкалы. Наночастицы, 
которые представляют собой комплекс биогенных и небиогенных нанокомпонентов, являются по своей природе универсальными. Результаты разработок в области нанобиотехнологий нашли практическое применение в медицине, 
пищевой промышленности и т. д.
В настоящее время нанобиотехнология имеет пять направлений:
1. Измельчение продукта до наночастиц.
2. Создание различных нанодобавок.
3. Нанофильтрация для улучшения качества продукции.
4. Биосенсоры для контроля качества пищевых продуктов.
5. Пищевая упаковка нового поколения.
С развитием нанобиотехнологии открыто новое направление медицинской науки – молекулярная наномедицина, развитие которой тесно связано с революционными 
достижениями геномики и протеомики, позволяющими 
создать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне.

Определяющими структурами молекулярного уровня 
организации животных являются молекулы биополимеров 
(биомакромолекулы). Они включают молекулы кислот, белков и полисахаридов. Эти молекулы обладают свойством 
формирования более крупных по размеру надмолекулярных 
биологических структур (нанокомлексов). Последние образуются:
− макромолекулами белков, нуклеиновых кислот, углеводов и их комбинациями (сложные белки, нуклеопротеиды 
и др.);
− регуляторными молекулами (гормоны, ферменты, медиаторы, разнообразные биологически активные вещества);
− молекулами воды, липидов и других веществ;
− ионами;
− атомно-молекулярными комплексами, состоящими 
из неразрывно связанных ионов и молекул воды, а также 
молекул всех перечисленных выше органических веществ 
в клетке.
Наноструктуры не просто меньше всего, что создал человек, они являются наименьшими твёрдыми материалами, 
которые можно произвести (выделить) и с которыми можно осуществить манипуляции. Наномасштаб уникален, поскольку фундаментальные свойства элементов зависят от их 
размера в такой степени, в какой не зависят ни при одном 
другом масштабе. На молекулярном уровне возникают новые физические и химические свойства, определяемые поведением атомов, молекул и нанокомплексов.
Разработки ученых и описание функционирования генома человека, молекулярных механизмов клеточных процессов обеспечивают основу для существенного повышения информативности диагностики генотипа.
Начальным (наиболее глубинным) уровнем организации живого является молекулярный. Структурно-функ

циональной единицей уровня является биомолекула, или 
молекула биополимера (молекула нуклеиновой кислоты, 
белка, полисахарида). На этом уровне осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности: хранение 
и передача наследственной информации, обмен веществ 
и энергии, дыхание и др. Из биомолекул формируются 
надмолекулярные структуры.
Живые организмы производят нанотехнологические 
операции на протяжении более 4 млрд лет. Живая клетка 
использует ДНК, РНК и белки, чтобы строить клеточные 
структуры нанометровых размеров. Молекулы белка – самые распространённые наноструктуры живых систем. 
Именно этим свойством пользуются нанобиотехнологии 
при создании искусственных наноконструкций. Разработка этой проблемы существенно ускоряет создание наноконструкций из белка с использованием молекул ДНК 
и РНК.
К биологическим наноструктурам можно отнести, например, молекулы белков, размеры которых варьируют 
в пределах от 4 до 50 нм. Размеры строительных блоков 
белков – аминокислот – составляют около 1 нм. Молекула ДНК, имеющая толщину 1–2 нм, несомненно, является 
наноструктурой, несмотря на то, что её длина достигает 
нескольких миллиметров. Из живых организмов к наномиру можно отнести только неклеточные формы жизни – вирусы. Размеры последних колеблются в пределах 
10–200 нм.
В технологиях создания наночастиц существуют два 
принципиально разных подхода к обработке вещества:
− «сверху вниз», т. е. уменьшение размеров физических 
тел механической или иной обработкой до объектов с нанометровыми размерами;

− «снизу вверх», т. е. сборка создаваемого более крупного нанообъекта из элементов «низшего порядка» (атомов, 
молекул, структурных фрагментов биологических клеток 
и т. п.).
За последние годы проводятся многочисленные исследования по изучению нанотехнологий применительно 
к биологическим наукам: микро- и макробиологическим. 
Проведение исследований в данном направлении является 
актуальным. Необходимо разрабатывать методологические 
вопросы по терминологии, систематизации нанотехнологий 
биологической направленности.
Задачи нанобиотехнологий:
1. Изучение возможностей применения наночастиц 
в качестве новых наноматериалов в животноводстве: сорбенты для выведения из организма или удаления с его 
поверхности нежелательных и токсичных соединений 
(продукты метаболизма, тяжёлые металлы, радионуклиды, 
ксенобиотики).
2. Изучение механизмов транспорта через биологические мембраны с применением наночастиц и создание нанотехнологий, направленных на их доставку.
3. Разработка и создание на основе нанобиочастиц нанотехнологий и наноматериалов для последующего производства кормовых добавок.
4. Разработка самовоспроизводящихся систем на основе 
биоаналогов – бактерий, простейших.
5. Изучение влияния наночастиц на сложноорганизованные биологические системы.
6. Разработка на основе нанобиотехнологий кормовых 
добавок.
В табл. 1 приведены наноразмеры некоторых соединений (по Огурцову А. Н., 2010).

Таблица 1
Размеры биологических нанообъектов

Типы
Объект
Диаметр, нм
Аминокислоты
Глицин (наименьшая аминокислота)
0,42
Триптофан (наибольшая аминокислота)
0,67
Нуклеотиды
Цитидинмонофосфат  
(наименьший нуклеотид ДНК)
0,81

Гуанозинмонофосфат  
(наибольший нуклеотид ДНК)
0,86

Аденозинтрифосфат (АТФ)
0,95
Другие
молекулы
Стеариновая кислота С17Н35СООН
0,87
Хлорофилл растений
1,1
Белки
Инсулин
2,2
Гемоглобин
4,8
Альбумин
4,9
Эластин
5,0
Фибриноген
10
Белок-переносчик холестерола
20
Другие
частицы
Рибосома
20–30
Вирус гриппа
60
Простые молекулы
<1,0

Перспективной является разработка методов и способов 
привнесения искусственных наночастиц различных материалов в живые системы. Данная область представляет собой 
разработку различных технологий и транспортных средств, 
которые будут доставляться их посредством в необходимый 
орган животных.
Области применения современных нанотехнологий 
весьма многообразны и, несомненно, перспективны. В первую очередь это относится к целенаправленному созданию 
продуктов нового поколения на основе частиц высокой дисперсности и узкого фракционного состава.
Для создания наноструктур в каждой отдельной отрасли существуют различные возможности. Рекомендуются 

два основных принципа: от большого к малому, что означает последовательное уменьшение структурных размеров 
от макро- до микро- и нанообластей; либо наоборот – это 
построение наноструктур из атомов и молекул.
Если при уменьшении объёма какого-либо вещества 
до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество или это качество возникает в композиции из таких 
объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения – к нанотехнологиям.
Все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Именно в интервале наноразмеров на молекулярном уровне природа программирует основные характеристики веществ, явлений и процессов.
Процессы, в которые вовлекаются наноструктуры (наночастицы), получили название нанопроцессов. Самый 
главный нанопроцесс в живом организме – биосинтез белка.
Как гораздо более древнее наноявление можно рассматривать самовоспроизводство (ауторепликацию) ДНК. Это 
чрезвычайно сложное явление характеризовало уже первые 
прокариотические организмы Земли – бактерии, возникшие 
около 3,5 млрд лет тому назад.
Управляя размерами и формой наноструктур, таким 
материалам можно придавать совершенно новые функциональные свойства, резко отличающиеся от характеристик 
обычных материалов.
Ведущие ученые мирового сообщества считают, что 
нанотехнологии станут стратегическим направлением развития науки и техники, что потребует фундаментальной 
перестройки существующих производств, а также вызовет 
глубокие преобразования в организации охраны окружающей среды, окажет положительное влияние на жизнь, здоровье людей и безопасность продуктов питания в наступившем столетии.

Фундаментальные исследования в области нанотехнологий направлены на познание биологических, химических, физических свойств и явлений наномира. Кроме 
того, они предусматривают разработку способов комбинирования этих свойств при производстве новых материалов 
и создании новых технологий. Открытия в области наноисследований уже успешно используются в биотехнологиях, 
медицине, электронике, транспорте, сельском хозяйстве, 
охране окружающей среды и других отраслях экономики. 
Нанотехнологии объединяют последние достижения всех 
естественных наук, создавая основу новой технологической 
революции, которая предусматривает переход от работы 
с веществом к манипуляциям с отдельными атомами, молекулами и их комплексами.
Нобелевский лауреат Хорст Штёрмер заявил, что нанотехнологии могут обеспечить прорыв в будущее. Сочетание 
уже известных нам методов «от большого к малому» с самосборкой на атомном уровне создает огромное поле возможностей для работы с химическими и биологическими 
свойствами при использовании специально полученных искусственных структур.
Поэтому нанотехнологии в последние годы стали рассматриваться не только как наиболее многообещающие ветви высокой технологии, но и как системообразующий фактор экономики XXI в. – экономики, основанной на знаниях, 
а не на использовании природных ресурсов.
Таким образом, учитывая важность данной проблемы, 
сделана попытка расширить знания студентов аграрных 
вузов по применению нанобиотехнологий в АПК с целью 
увеличения производства сельскохозяйственной продукции 
и улучшения её качества и экологической безопасности.