Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Человеческому сознанию трудно охватить и оценить все многообразие процессов, происходящих в разных масштабах, отделяющих наномир от привычного нам мира макрообъектов. Еще сложнее представить себе цепочку зависимостей, связывающих процессы на молекулярном уровне с теми конечными свойствами макросистем, которые определяют ценности человеческой жизни. Интеграция отдельных компонент на атомно-молекулярном масштабе, на более высоких уровнях сложности приводит к достаточно сложному поведению, то есть к появлению развивающихся свойств. Это заставляет нас задуматься о том, что в процессах на уровне наномасштабов оказываются объединенными или «слитыми» те характеристики и свойства, которые на более высоких уровнях изучения описываются отдельно биологией, физикой, химией (обобщенно, нанонаукой) и информационными технологиями. Проблема такого слияния наук на наноуровне представляется исключительно важной и может иметь революционное значение для дальнейшего развития науки вообще.

Приступая к коммерциализации нанотехнологий, мы должны значительно углубить наши познания во всех науках, связанных с процессами на атомарно-молекулярном уровне. В течение последних десятилетий мы накопили множество новой информации относительно физических, химических и биологических закономерностей, но нанонаука (как единая дисциплина, объединяющая все эти закономерности) пока находится в зачаточном состоянии. Хочется подчеркнуть, что именно создание такой объединенной науки могло бы стать ключевым моментом в новой «технической революции» и, возможно, осуществление Национальной нанотехнологической инициативы США станет одним из первых шагов в этом направлении.

Для достижения поставленной цели, то есть для установления закономерностей между процессами, происходящими в разных масштабах (от атомарных до тех, которые мы можем заставить непосредственно служить людям), необходимо решить три основные задачи. Во-первых, создать основные, фундаментальные методики, позволяющие наблюдать, описывать, перемещать и объединять наночастицы с высокой точностью. Во-вторых, разработать приемы, позволяющие уверенно и систематически объединять наночастицы, создавая композиционные объекты больших масштабов при условии, что мы можем оценивать степень возрастания сложности на новом уровне. Наконец, на последнем этапе мы можем создавать технологии, представляя себе, каким образом возникающие на наноуровне и способные к развитию свойства вещества будут позднее проявляться в функциональности создаваемых нами материалов и устройств.

Вместо подробных обзоров по отдельным темам мы закончим эту главу несколькими примерами, наглядно демонстрирующими (или иллюстрирующими) проблемы, связанные с возможным слиянием био-нано-информационных технологий, и потенциальные возможности их решения.

17.1. Наблюдение нанообъектов

Возможно, наиболее важной задачей в развитии потенциала нанотехнологий вообще является создание приборов и инструментов, позволяющих визуализировать молекулярные процессы в реальном масштабе времени. Такие приборы непрерывно совершенствуются, постоянно расширяя границы изучаемых и описываемых явлений, относящихся к наномиру.

В первую очередь следует отметить флуоресцентную микроскопию, которая существенно усилила возможность визуализации поведения микро– и наночастиц в биологических образцах. Например, использование конфокальной микроскопии для усиления сигналов от флуоресцентных меток позволяет получать изображение биообъекта в самых разных масштабах (от отдельного белка до клетки в целом). Прогресс достигнут за счет того, что в конфокальной микроскопии стали использовать новые фильтры, позволяющие снижать фоновый уровень флуоресценции за счет дополнительной защиты фокальной точки линзы. В конфокальной микроскопии используются источники с большим числом флуоресцентных меток, что позволяет одновременно визуализировать большое число деталей изучаемого объекта. В частности, становится возможной, например, визуализация процессов в сложных системах нейронных клеток мозга, как показано на рис. 17.1.

Рис. 17.1. Визуализация участка 10-дневной культуры мозговых клеток мыши с использованием меток, нейронных маркеров (типа бета-III-тубулин) и так называемых маркеров de novo для ДНК-метилтрансферазы по данным работы Фенга и др. [115]

В последние годы для изучения топографии поверхности различных структур на нанометрическом уровне все шире используются атомносиловые микроскопы (ACM), снабженные гибкими кантилеверами (консолями) и наноразмерными иглами-наконечниками. В одной из недавних работ с применением ACM удалось провести успешное исследование наноразмерных пор в клеточных мембранах, обеспечивающих обмен растворенными соединениями и питательными веществами между цитоплазмой клетки и ее окружением. Например, выяснилось, что внешняя мембрана известной бактерии кишечной палочки Escherichia coli пронизана сетью ионных каналов из особых белков (получивших название поринов), способных открываться и закрываться при изменении параметра pH среды и трансмембранного напряжения. Применив АСМ для изучения конформационных изменений поринов, Мюллер и Энглер [116] еще в 1999 году сумели получить достаточно точную картину поведения пориновых каналов при изменении внешних параметров и прямые изображения изменения структуры образующих эти каналы белков-поринов, как показано на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Микрофотографии, полученные на атомно-силовом микроскопе высокого разрешения, позволяют визуализировать конформационные изменения белков-поринов, образующих трансмембранные каналы OmhF, при изменении ионного градиента и параметра pH среды. (А) каналы OmhF в закрытом состоянии; (В) каналы OmhF в открытом состоянии

В дальнейшем, используя материалы, позволяющие усиливать оптические сигналы ближней зоны, удалось получить изображения объектов с точностью, значительно превышающей так называемый дифракционный предел разрешения [117] [118] , что открыло (особенно перед биологами) обширное новое направление исследований. Непрерывный прогресс в нанотехнологических методах визуализации позволил обнаружить и изучить целый ряд интересных и сложных процессов, относящихся к взаимодействию лигандов и рецепторов, транслокации ДНК в клеточных мембранах и т. д. Дальнейшее развитие таких методик позволит нам в будущем непосредственно наблюдать реакции и процессы, обеспечивающие функциональность создаваемых нами наноустройств и нанообъектов.

17.2. Возможности манипуляции атомами и молекулами

Для разумного использования сложных макромолекул необходимо прежде всего тщательно изучить их характеристики и научиться целенаправленно манипулировать ими, например, изменяя положение и конформацию наночастиц и создаваемых из них объектов. Например, выше неоднократно говорилось о том, что биологические системы способны к самоорганизации и представляют собой типичный образец создания материалов и устройств по принципу «снизу вверх». Слияние методов биологии и нанотехнологии означает не только использование биологической самосборки для производства нанообъектов, но и возможность вмешательства в биологические процессы и их развития или оптимизации.

Современные технологии дают возможность механически воздействовать или деформировать некоторые виды молекул (например, белки и ДНК). В принципе, молекула ДНК (рассматриваемая на ноноуровне) представляет собой очень длинную макромолекулу, поведение которой напоминает привычные механические системы из шариков и пружинок. Например, закрепив один конец молекулы ДНК и поместив ее в вязкий поток (то есть, прилагая к молекуле продольные механические напряжения), можно постепенно вывести ее из равновесного состояния в виде «клубка» и растянуть в виде нити. Экспериментально такое растяжение молекулы ДНК осуществила группа П. К. Вонга7: им удалось спроектировать систему из двух микрофлюидных каналов буферных потоков, между которыми протекал раствор, содержащий ДНК. Описанная методика позволяла практически «растянуть» молекулу ДНК, а затем наблюдать процесс ее релаксации и возвращения в равновесное состояние, показанный на рис. 17.3. Метод позволяет проводить прямые измерения механических характеристик за счет варьирования скорости буферных обтекающих потоков, причем воздействие внешних факторов может быть минимизировано.

Рис. 17.3. Релаксация молекулы ДНК после «растяжения» в потоке, фиксируемая с интервалом времени 2,5 секунд по данным работы Вонга и др. [119]

17.2.1. Исследование и описание свойств ДНК/РНК

Любому практическому использованию нанообъектов должно предшествовать тщательное изучение и описание их свойств, а также исследование зависимости свойств от состава, структуры и т. д. Например, биомолекулярное описание белков естественно подразумевает установление их трехмерной структуры, а также измерение механических характеристик этих структур, в дальнейшем полученная информация может быть использована для создания наноустройств, способных выполнять именно описанные биомолекулярные функции. Примером использования такого подхода может служить работа Д. Хо и др. [120] Нанотехнологии создают новые возможности для повышения качества жизни человечества, однако их развитие и применение требует значительного повышения уровня наших знаний об окружающем мире (включая и гораздо более подробную информацию о функциях и возможностях ДНК).