<<
>>

Наносистемы и биотехнологии: подражая природе

  В последнее время на стыке этих двух технологий появилось новое направление — биомиметика (био-жизнь, миметика -подобие). Живые организмы производят нанотехнологические операции на протяжении 4.5 миллиардов лет.
Живая клетка использует ДНК, РНК и большое количество белков, чтобы строить клеточные структуры нанометровых размеров. Почему бы нанотехнологам не воспользоваться природными примерами для построения собственных наномашин? [22]

Сегодня биомиметические нанотехнологии находятся в зачаточном состоянии, но их развитие существенно ускорит создание наномашин.

Конструируя из белков

Живые организмы строят конструкции из белков, и инженеры думают, как это применить. Некоторые белки, например, могут формировать регулярные структуры в виде кристаллических решеток, которые затем можно использовать при конструировании наномашин и наноэлектронных устройств.

Бактерии на своей поверхности формируют слои кристаллического белка толщиной в одну молекулу, называемые S-слои (от англ. single-один), которые повторяются с шагом в 10 нм. Австрийские ученые решили использовать эти естественные «квантовые сверхрешетки» для построения искусственных белковых структур. Первое, что придумали исследователи — выгнать бактерию из S-слоя и порвать его на “субъединицы”. Однако эти субъединицы перестраивались на кремниевых и металлических подложках, а также на других синтетических полимерах. Если теперь к S-слою на подложке добавить специальные сенсорные молекулы, получится точный биосенсор. Используя характерную для белков боязнь ультрафиолета, исследователи использовали S-слой в качестве фоторезиста в литографии.

Другие ученые решили сконструировать из белков и неорганических соединений структуры, которых вообще не существует в природе. Однако из-за огромной сложности квантовых уравнений для белковых молекул даже современные суперкомпьютеры не могут рассчитать, как именно белки с определенной последовательностью аминокислот будут собираться в трехмерные структуры (так называемая проблема фолдинга, или свертки белка).

Они пошли другим путем, заставляя вирусы синтезировать разнообразные белки из случайной последовательности аминокислот. Затем ученые попросту промыли оборудование и в нем остались только те белки, которые присоединились к подложке. Так можно создавать белки, образующие новые структуры, соединяясь с разными материалами. Осталось создать “библиотеку” вирусов, производящих белки-липучки для золота, серебра, оксида цинка, арсенида галлия и др.

На основе таких белков, соединенных с неорганическими веществами, можно сконструировать ряд квантовых точек, которые получают сегодня с помощью вакуумных технологий. Сборка квантовых точек с помощью гибридных белков может происходить при комнатной температуре и быть гораздо дешевле. Такие белки могут пригодиться и при создании наномашин.

Рис 200. Фрагменты ДНК, кодирующие различные белки, внедряют в ДНК бактериофага, который синтезирует эти белки на своей поверхности. Вирус размножается, образуя длинные нити, покрытые металлом, которые можно использовать в наноэлектронике и наносистемах

Исследователи из МТИ обнаружили, что бактериофаги “собираются” в длинные нити. При этом их внешние белки могут соединяться с сульфидом цинка или сульфидом кадмия, образуя длинные (600 нм) электропроводящие нанонити диаметром 20 нм. При нагревании полученной структуры до 350°C бактериофаги выгорают, а тончайшая металлическая нить остается. Затем ее можно использовать, например, в наноэлектронике. Использованные в этом опыте вирусы состоят всего из шести белков, два из которых соединяются с неорганикой. Исследователи хотят продолжить эксперименты с более сложными по белковому составу вирусами, чтобы получить трехмерные проводящие структуры.

“Поделки” из молекул ДНК

В качестве стройматериала при создании наноструктур могут выступать не только белки, но и... молекулы ДНК. Эту идею развил Нэдриан Симэн, профессор химии из Нью-йоркского университета.

Он достиг того, что молекула ДНК образует двумерные и трехмерные структуры. Сама по себе молекула ДНК слишком “мягкая” для того, чтобы сформировать жесткую

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

структуру. Но если соединить две молекулы, то полученная конструкция будет достаточно “жесткой”, подходящей для того, чтобы создавать устойчивые структуры.

Самым ярким примером такого конструирования из ДНК является первый в мире “шагающий” наноробот, недавно созданный учеными! Робот передвигается, используя оригинальный принцип: поочередно то присоединяет свои «ноги», состоящие из фрагментов ДНК, к базовой молекуле ДНК, то отсоединяет их от нее, продвигаясь таким образом вперед.

Почему исследователи использовали именно молекулы ДНК? На это есть две причины. Первая — цепи ДНК легко соединяются друг с другом, образуя комплементарные пары. Вторая — исследователи надеются, что в дальнейшем можно будет создать более сложных ДНК-роботов в больших количествах, используя репликативную инженерию живых клеток.

Наноробот состоит из двух “ног” - молекул ДНК длиной в 36 нуклеотидов. Сверху “ног” расположена еще одна упругая часть ДНК, связывающая обе “ноги” вместе (см. рисунок). Шагает робот по своеобразной “дороге” — еще одной базовой молекуле ДНК. “Ноги” присоединяются к комплементарным участкам на “дороге” при помощи свободных “якорных” цепей ДНК.

Рис 201. Принцип работы “шагающего наноробота”

а)              Две ДНК-ноги (обозначено красным) присоединены к комплементарным участкам ДНК-дороги (А и В) при помощи якорей (голубой и оранжевый);

б)              Свободная цепь ДНК присоединяется к правому якорю;

в)              Свободная цепь убирает правый якорь, освобождая правую «ногу» от пары В;

г)              Якорная цепь пары С связывает свободную правую ногу;

д)              Другая свободная ДНК-цепь (светло-голубая) убирает якорь от левой ноги, отсоединяя ее от

Итак, правая и левая “ноги” робота имеют уникальную последовательность нуклеотидов, поэтому каждой необходим соответствующий комплементарный ей участок на ДНК-доро- ге — своеобразный “якорь”.

Для того чтобы затем отсоединить заякоренную “ногу” от «дороги», необходима еще одна свободная цепь ДНК.

“Якорь” имеет участок, который не присоединяется ни к «ноге», ни к “дороге”. Этот участок присоединяется к свободной ДНК, которая затем отбирает “якорь”у “ноги”. “Ноги”, свободные от якоря, соединяются со следующей комплементарной парой на “дороге”, двигая таким образом робота вперед. Повтор этой процедуры приводит к движению робота.

Робот шагает в специальной жидкости, названной “денату- рационный буфер”, которая препятствует сворачиванию цепей ДНК. Чтобы робот мог долго двигаться, в жидкости находятся миллионы якорей и свободных ДНК, удаляющих «якоря». Для начала движения робота помещают на “дорогу” и добавляют в раствор якоря.

Следующим шагом исследователей будет добавление к роботу “повозки”, чтобы он мог переносить различные вещества, например, атомы железа.

Мобильные ДНК-роботы могут помочь в сборке более сложных наносистем: нанокомпьютеров, точных наноманипуляторов и более сложных нанороботов. Также ДНК-роботы, оснащенные наноманипуляторами, смогут манипулировать отдельными молекулами и атомами, воплощая в жизнь основную задачу нанотехнологии.

Конечно, как и говорилось выше, это только первые пробы биомиметики в нанотехнологиях. Не следует забывать о том, что природные наномашины пока совершеннее и проще тех, которые планирует изготовить человек, поэтому исследователи изучат в первую очередь то, что предлагает нам природа.

РНК-наномашины

Как недавно доказали исследователи из Университета Пэрдью, наномашины могут быть построены и с помощью самоорганизующихся РНК-структур. Ученые научились строить из молекул РНК несколько различных самособирающихся “матриц” размерами от сотен нанометров до нескольких микрон. При этом их структуру можно задавать заранее!

Самосборка идет в нанометровом масштабе, но конечные “продукты” в ряде опытов достигали микронных размеров. “Наша работа показала, что мы можем управлять структурой трехмерных матриц, полученных с помощью самосборки молекул РНК. При этом мы можем делать матрицы различных размеров и формы, — говорит Пейхуан Гу, профессор молекулярной вирологии.

— В дальнейшем, из молекул РНК можно будет конструировать сложные наномашины”.

Оказалось, что вирус-бактериофаг phi29 использует подобные конструкции из молекул РНК для своего вирального мотора. При этом сам процесс работы мотора похож на работу двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Роль камеры сгорания играет портал — образование внутри капсида (тела) вируса, занятое молекулами РНК и ротором. Мономеры РНК, подобно поршням, поочередно толкают центральный 6-сторонний ротор, заставляя его вращаться. В центре ротора находится молекула ДНК.

Рис 202. Работа вирального мотора

Сегодня ученые собирают из молекул РНК “кольца”, “треугольники” и “стержни”. Эти структуры можно интегрировать с нанотранзисторами, нанопроводниками, нанотрубками, биосенсорами и другими уже существующими наноструктурами, чтобы получить сложные НЭМС-системы. Возможно, их можно будет использовать даже для медицинских нанороботов, поскольку молекулы РНК обладают высокой биосовместимостью с человеческим организмом.

Приручение бактериофага

Ранее мы уже рассказывали, каким образом вирус проникает в клетку. С помощью электронной микроскопии удалось получить ряд изображений этого процесса, по которым впоследствии был смонтирован видеофильм, объясняющий механизм инфицирования клетки вирусом.

Главный герой фильма — уже знакомый нам вирус Т4 — состоит из икосаэдральной головки, содержащей вирусную ДНК, ствола, основания ствола и стволовых отростков — «но» (шести длинных и шести коротких). Сперва длинные отростки находят жертву, в роли которой выступает клетка E. coli, а затем короткие прочно прикрепляются к ней. Основание при этом передает импульс в ствол, который сокращается, как мускул, выдавливая из себя вирусную ДНК в клетку-хозяина. E. coli, таким образом, инфицируется, биохимическая машина клетки продуцирует новые фаговые частицы и, в конце концов, клетка гибнет.

“Для начала наше исследование показывает структуру белков, входящих в состав основания вблизи ствола (так называемого биохимического прокалывающего устройства), и их роль в проникновении вирусной ДНК через мембрану клетки, — говорит Россман. — Мы показали, что это сложная биохимическая машина, позволяющая вирусу эффективно внедряться в клетку-хозяина”.

На базе этих знаний можно прогнозировать появление высокоэффективных лекарственных препаратов. “У вирусов талант в доставке своей ДНК внутрь клеток. Поэтому мы можем использовать некоторые из видов вирусов для доставки здоровой ДНК внутрь раковых клеток”, — говорит исследователь Лейман. На основе вирусов ученые предполагают создать устройство для генной терапии, которое будет лечить отдельные клетки.

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Наносистемы и биотехнологии: подражая природе:

  1. Наносистемы и биотехнологии: подражая природе