Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

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).

Одним из важнейших событий конца прошлого века стала обширная международная программа под названием «Геном человека». Исследования велись более десяти лет и позволили осуществить общее, как говорят биологи, картирование наследственного кода человека. После этого одной из важнейших задач биологии стала разработка методов, позволяющих быстро и легко устанавливать последовательность нуклеотидов в ДНК отдельных людей, что позволит осуществлять лечение и профилактику с учетом индивидуальных особенностей пациента и приведет к революционным преобразованиям в медицине. В настоящее время этой проблемой занимаются многие ведущие ученые, и нанотехнологии представляют для таких исследований новые и неожиданные возможности. В частности, ценную информацию относительно состава и строения различных белков и ДНК можно получить, исследуя процессы в разнообразных нанопорах. Например, в работе Меллера и др. [121] изучалась электропроводность ионных каналов клеток Staphylococcus aureus. В экспериментах измерялась зависимость от температуры проводимости каналов из α-гемолизмина при трансмембранном переносе ДНК, а полученные данные позволяли оценивать состав и конфигурацию нуклеиновых кислот. На рис. 17.4 приводятся результаты Меллера, относящиеся к процессам переноса полимеров аденозина (poly dA100) и цитозина (poly dC100). Эта методика позволяет определять различные характеристики полимерных носителей, включая длину молекулярной цепочки, структуру и точный состав.

Рис. 17.4. Транслокация полимеров аденозина (poly dA100) и цитозина (poly dC100). Время трансмембранного переноса выступает характеристикой состава и строения. По данным Меллера и др.

Метод изучения и описания сложных молекул по характеристикам процессов их переноса через каналы или микропоры оказался очень перспективным и стал новым направлением классификации. Использование мембранных белков для изучения нитей ДНК ограничено, конечно, условиями существования и свойствами самих мембран и белков, образующих ионные каналы. Например, границы измерений в описанных выше экспериментах определяются оптимальными условиями функционирования каналов из α-гемолизмина, когда эти каналы обладают достаточной и регулируемой активностью.

Для создания общей и стандартной экспериментальной основы описания белков и липидов, в работе Чена и др. [122] была предложена единая методика, основанная на использовании нанопор в неорганических материалах (в частности, на основе Si3N4), что, естественно, значительно расширяет диапазон исследований, поскольку активность и работа таких каналов перестают зависеть от температуры и биохимических условий. Метод можно назвать описанием и характеристикой по твердотельным нанопорам, он позволяет достаточно надежно определять особенности ДНК по процессам переноса (транслокации) через наборы пор в твердых материалах. Современные модификации метода твердотельных нанопор позволяют охватывать широкий диапазон изменения внешних условий, включая показатель pH среды, температуру и напряжение. Более того, использование пор из твердых неорганических материалов дает возможность проводить измерения при очень высоких потенциалах, которые в органических системах разрушили бы исследуемые белковые или липидные структуры. Нанотехнологии дают нам возможность изучать и описывать широкие классы молекул в самых различных условиях окружения.

17.3. Другие возможности описания

Атомно-силовая микроскопия, которая первоначально создавалась для изучения топографических особенностей кристаллических поверхностей, в дальнейшем нашла гораздо более широкие области применения. Прежде всего, исследователи оценили возможности АСМ для описания молекулярных структур и манипуляций атомами или наночастицами. Например, уже существуют методы атомно-силовой литографии, при которых АСМ используются для «переноса» наноразмерных паттернов на фоторезист, после чего изделия фабрикуются с применением УФ-излучения или химически активных полимеров. Разрешающая способность такого метода является исключительно высокой, поэтому АСМ-установки могут стать идеальным инструментом нанолитографии, то есть литографии на атомарно-молекулярном уровне.

Далее, АСМ стали широко применяться для прямого исследования поведения биомолекул и связанных с ними структур типа мембран и белков, обеспечивающих движение молекул. Например, используя АСМ, удалось провести измерения так называемого фолдинга (укладки в трехмерную структуру) белковых образований, содержащих иммуноглобулиновые домены [123] . Эта работа заслуживает особого внимания, поскольку понимание процессов образования трехмерных белковых конформаций имеет исключительную важность не только для так называемой белковой инженерии, но и для исследования индивидуальных особенностей организма, связанных с особенностями укладки белков в отдельных организмах.

Описанные методы использования АСМ могут служить наглядным примером связи наук и слияния в будущем науки или технологий.

17.4. Интеграция на атомарно-молекулярном уровне

Прогресс в области нанотехнологий означает, что люди не только научатся управлять поведением вещества на атомарном уровне, но и найдут возможности «преодолеть» чудовищную разницу в масштабах между микромиром частиц и окружающим нас макромиром, к которому должны относиться новые производства. В макромире мы привыкли изготовлять требуемые нам изделия методами нисходящего производства «сверху вниз», которое практически всегда означает уменьшение размеров исходного обрабатываемого объекта (например, из крупного бревна можно постепенно вырезать много мелких деревянных деталей и т. п.). Между тем стоит вспомнить, что природные процессы почти всегда связаны с восходящими производствами «снизу вверх», и все природные объекты, включая человека, создаются сборкой и самосборкой молекул, то есть в результате направленной интеграции и объединения атомов и молекул, постепенно приводящей к возникновению макрообъектов.

Возможности целенаправленного создания изделий по принципу «снизу вверх» довольно разнообразны, хотя пока они используются лишь очень ограниченно. Например, самые простые приводы (актуаторы) удается создать даже на основе хорошо известного химикам процесса самоорганизации мономолекулярных слоев [124] . Более сложные и интересные устройства могут быть созданы, например, на основе молекул необычного класса, называемых ротаксанами. В самой простой форме такая молекула представляет собой «ось» с двумя крупными и активными соединениями на концах (их называют центрами распознавания), которая как бы механически «продета» через циклическое соединение, как показано на рис. 17.5. Особо следует отметить, что такая структура образуется в процессе сложного синтеза, и кольцо не может «соскользнуть» с оси из-за пространственных и энергетических препятствий. При окислении одного из центров общее распределение потенциальной энергии вдоль этой молекулярной структуры изменяется таким образом, что кольцу энергетически выгоднее сместиться вдоль оси к другому центру [125] . Затем осуществляется реакция восстановления, энергетический профиль принимает прежний вид и кольцо возвращается к исходному положению. Простые реакции окисления и восстановления центров заставляют кольцо двигаться в противоположном направлении, что позволяет «переводить» химическую энергию молекулярных реакций в механическое движение кольца (строго говоря, мы имеем дело с простейшим молекулярным двигателем).

Рис. 17.5. Схематическое изображение молекулы ротаксана. Окисление и восстановление групп на концах молекулы заставляет кольцевую структуру двигаться вдоль оси молекулы