Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

• Название: Нанотехнологии. Правда и вымысел
• Автор: Виктор Балабанов
• Жанр: Прочая научная литература

Авторы книги знакомят читателей с относительно новым научно-практическим направлением знаний – нанонаукой – и уделяют большое внимание популяризаци и достижений нанотехнологий. В книге рассматриваются по большей части не какие-то фантастические проекты, а разработки, уже реально применяемые или находящиеся на этапе исследований. При чтении книги каждый сможет получить для себя некоторые неожиданные знания о взаимодействии наночастиц, имеющих размеры атомов и молекул, и сделать неожиданные открытия из удивительного мира нанотехнологий.

В книге разрушаются многочисленные мифы и стереотипы, связанные с нанотехнологиями.

---

Несмотря на достаточно насыщенный и плодотворный путь, пройденный нанонаукой, все же стоит отметить, что мы все еще находимся в начале пути ее развития.

Как указывает академик РАН Ю. А. Третьяков, в своем отношении ко всему новому, в том числе к нанотехнологиям, человечество переживает две основные стадии. Необоснованные ожидания через «положительную», а затем «отрицательную» гиперболизацию представляющихся возможностей. В Японии, например, уже выдвигаются «анти-» или «постнанотехнологические» инициативы.

Важно, чтобы своеобразный «нанотехнологический бум» не прошел стороной, не сумев породить в душах и помыслах людей, особенно в сердцах ученых и политиков, ни малейшего желания и энтузиазма для успешного развития нанонауки и наноиндустрии. Однако важно также, чтобы он не захлестнул их с головой, не бросил в пучину спекуляций и ненужного ажиотажа, получившего полууголовное определение «нанопурга».

Природные нанообъекты и наноэффекты

Как великий художник, природа умеет и с небольшими средствами достигать великих эффектов.

Генрих Гейне, немецкий поэт, публицист, критик

В 1665 году сын английского священника Роберт Гук (Robert Hooke) в своей работе Micrographia первым опубликовал рисунки обнаруженных им микроорганизмов, за которыми наблюдал через простейший микроскоп собственного изготовления.

После того как голландский торговец и изобретатель Антони ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek) создал свой первый микроскоп с увеличением уже в более чем 200 раз, появилась возможность заглянуть на уровень микрообъектов вооруженным глазом. Оказалось, что окружающий нас мир наполнен разнообразными микроскопическими биологическими созданиями.

В 1683 году Левенгук написал письмо в Королевское научное общество в Лондоне, где описал бактерии «как невероятно большое собрание крошечных организмов». Именно эти биологические наблюдения Левенгука принято считать одними из первых научных исследований в мире. Как заметил еще в I веке до н. э. древнеримский политик и философ Марк Туллий Цицерон, «изучение и наблюдение природы породило науку».

С развитием науки оказалось, что о нанометрической сущности многих на первый взгляд простых объектов, материалов и эффектов мы порой даже и не подозреваем.

Как уже отмечалось, сам термин «нано» изначально появился именно применительно к биологическим объектам.

На семинаре в Германии в 1909 году в Берлинском экологическом обществе известный немецкий биолог Ганс Ломанн (Hans Lohmann) предложил новый термин – нанопланктон. Этим термином он назвал разнородные карликовые (размером менее 5 мкм) микроорганизмы, которые отделяются от воды только с помощью центрифуги, не способны сопротивляться течениям и свободно дрейфуют в толще воды.

Наполнением планктона, который наблюдал ученый только через оптический микроскоп, служат диатомеи, кокколитофориды, бактерии, некоторые простейшие, а также водные растения группы кремниевых жгутиконосцев.

Более того, в настоящее время различают еще и пикопланктон, состоящий из бактерий и наиболее мелких одноклеточных водорослей размером 0,2–2 мкм, а также фемтопланктон из океанических вирусов величиной менее 0,2 мкм. Как видим, их реальные размеры не имеют ничего общего с размерностью системы СИ, но широко используются океанологами всего мира.

Если реальные размеры бактерий исчисляются микрометрами, то белки занимают размерную нишу в диапазоне 4-50 нм. Аминокислоты имеют величину около 1 нм, а размер большинства вирусов – всего от 10 до 200 нм (табл. 4).

Так, вирус гриппа H2N2, вызвавший в 1957 году эпидемию, в результате которой умерли 1–4 млн человек, представляет собой сферу диаметром 80-120 нм (рис. 6).

Таблица 4. Размеры некоторых биологических нанообъектов

Вирусы – это уникальное природное произведение нанобиотехнологий. Сердцевина вируса содержит одну отрицательную цепь рибонуклеопротеинов (РНП), состоящую из восьми частей, которые кодируют десять вирусных белков. Фрагменты РНП имеют общую белковую оболочку, объединяющую их и образующую нуклеопротеид. На поверхности вируса находятся выступы (гликопротеины) – гемагглютинин (названный так из-за способности агглютинировать эритроциты) и нейраминидаза (фермент). Гемагглютинин обеспечивает способность вируса присоединяться к клетке.

Рис. 6. Вирус гриппа H2N2 (диаметр около 100 нм)

До конца XIX века в медицине «вирусом» называли любой инфекционный объект, вызывающий заболевание. Современное определение термин получил только после 1892 года, когда русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский обнаружил «фильтруемость» возбудителя мозаичной болезни табака (табачной мозаики). Он установил, что какие-то вещества клеточного сока из пораженных этой болезнью растений даже после фильтрации от бактерий вызывают то же заболевание у здоровых растений. Так были открыты вирусы.

Отличительная особенность этих и других биологических и биогенных объектов – их способность к агрегации (объединению элементов в одну систему) и самоорганизации. Данные свойства активно используются в нанобиотехнологиях при создании искусственных наноконструкций, обладающих некоторыми свойствами реальных биологических структур.

Характерный пример – различные однокомпонентные и многокомпонентные липосомы – особые мембранные структуры, способные при определенных условиях формироваться из жира или жироподобных веществ (липидов). Уже сейчас различные вирусы эффективно используются в генной трансфекции (модифицировании) клеток. Например, установлено, что аденовирусы (представитель группы ДНК-вирусов) с разрушенной способностью к размножению (саморепликации) имеют потенциальную возможность для использования в местной неинвазивной (без инъекций) вакцинации через кожу (рис. 7). Для направленной доставки лекарственных средств также подходят следующие искусственные биогенные структуры: циклические пептиды, хитозаны, липидные нанотрубки, наночастицы и наноэмульсии, наночастицы на основе нуклеиновых кислот.

Существуют предположения, что на базе вирусной частицы можно создать подвижный металлизированный электрический проводник. Для подобных экспериментов наиболее подходит вирус табачной мозаики (длина 120 нм), содержащийся в соке пораженных им растений. При этом листья больных растений покрываются специфическими табачными пятнами. По мнению академика Иосифа Григорьевича Атабекова [6] , этот вирус можно использовать как средство доставки внутрь клетки нового гена, несущего на себе специальную вакцину. Ученый предлагает осуществлять сборку вирусоподобных частиц из химерных субъединиц вирусного белка, а затем применять их в лечебных целях в качестве наноконтейнеров для доставки лекарственных средств к пораженным клеткам организма.

Рис. 7. Внешний вид и строение аденовируса: 1 – капсомеры; 2 – геном

Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) представляет собой двойную упакованную наноцепь, в которой две нуклеотидные наноцепи закручены одна вокруг другой с периодом 3,4 нм и диаметром 2 нм (рис. 8).

Рис. 8. Структура молекулы ДНК

Важным достижением в области эволюционных нанотехнологий являются работы ученых из Университета Брауна и Бостонского колледжа с молекулами ДНК. По сообщению сайта physorg.com, они сумели использовать возможности кодирования информации, которыми обладает молекула ДНК, для производства проводящих микроволокон из окиси цинка. Применение молекулы ДНК в качестве «сборочного устройства» и строительного материала нанотехнологий также обусловлено тем, что фосфат в ее составе несет отрицательный заряд. Нановолокна из оксида цинка формируются на поверхности углеродных нанотрубок. Поэтому впервые уникальные свойства ДНК были использованы для создания наноматериала с заданными свойствами. Уникальность свойств полученных наноструктур состоит в том, что они генерируют и обнаруживают свет, а при приложении механического усилия производят электроэнергию. Оптические и электрические свойства нановолокон можно использовать во многих областях: от медицинской диагностики до сенсоров.

По мнению доктора Адама Лазарека (Adam Lazareck) из Университета Брауна, использование молекул ДНК для создания наноматериалов – первый шаг в применении биологических объектов в качестве средств производства.

В ходе эксперимента молекулам ДНК была обеспечена среда для обычной работы по «производству» деталей наноконструкций. Формирование такой химической среды, молекулярный дизайн и соответствующую «механику» – светочувствительные белки или вирусные «моторы» – можно применять для создания сверхминиатюрных приборов и материалов. При этом впервые в мировой практике группа Лазарека использовала ДНК в качестве «инструкции» для систем «самосборки» наноэлементов.