Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Сегодня биомиметические нанотехнологии находятся в за чаточном состоянии, но их развитие существенно ускорит соз дание наномашин.

Конструируя из белков

Живые организмы строят конструкции из белков, и инже неры думают, как это применить. Некоторые белки, например, могут формировать регулярные структуры в виде кристалличес ких решеток, которые затем можно использовать при констру ировании наномашин и наноэлектронных устройств.

Бактерии на своей поверхности формируют слои кристал лического 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 бел ковых структур. Первое, что придумали исследователи – выг нать бактерию из S слоя и порвать его на “субъединицы”. Одна ко эти субъединицы перестраивались на кремниевых и металли ческих подложках, а также на других синтетических полимерах. Если теперь к S слою на подложке добавить специальные сен сорные молекулы, получится точный биосенсор. Используя ха рактерную для белков боязнь ультрафиолета, исследователи ис пользовали S слой в качестве фоторезиста в литографии.

Другие ученые решили сконструировать из белков и неор ганических соединений структуры, которых вообще не сущест вует в природе. Однако из за огромной сложности квантовых уравнений для белковых молекул даже современные супер компьютеры не могут рассчитать, как именно белки с опреде ленной последовательностью аминокислот будут собираться в трехмерные структуры (так называемая проблема фолдинга, или свертки белка). Они пошли другим путем, заставляя виру сы синтезировать разнообразные белки из случайной последо вательности аминокислот. Затем ученые попросту промыли оборудование и в нем остались только те белки, которые присо единились к подложке. Так можно создавать белки, образую щие новые структуры, соединяясь с разными материалами. Ос талось создать “библиотеку” вирусов, производящих белки ли пучки для золота, серебра, оксида цинка, арсенида галлия и др.

На основе таких белков, соединенных с неорганическими веществами, можно сконструировать ряд квантовых точек, ко

328

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

торые получают сегодня с помощью вакуумных технологий. Сборка квантовых точек с помощью гибридных белков может происходить при комнатной температуре и быть гораздо дешев ле. 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 диа метром 20 нм. При нагревании полученной структуры до 350°C бактериофаги выгорают, а тончайшая металлическая нить оста ется. Затем ее можно использовать, например, в наноэлектро нике. Использованные в этом опыте вирусы состоят всего из шести белков, два из которых соединяются с неорганикой. Ис следователи хотят продолжить эксперименты с более сложны ми по белковому составу вирусами, чтобы получить трехмерные проводящие структуры.

“Поделки” из молекул ДНК

В качестве стройматериала при создании наноструктур мо гут 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 дву мерные 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 то го, чтобы создавать устойчивые структуры.

Самым ярким примером такого конструирования из ДНК является первый в мире “шагающий” наноробот, недавно соз данный учеными! Робот передвигается, используя оригиналь ный принцип: поочередно то присоединяет свои «ноги», состо ящие из фрагментов ДНК, к базовой молекуле ДНК, то отсое диняет их от нее, продвигаясь таким образом вперед.

Почему исследователи использовали именно молекулы ДНК? На это есть две причины. Первая – цепи ДНК легко сое диняются друг с другом, образуя комплементарные пары. Вто рая – 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). Ша гает робот по своеобразной “дороге” – еще одной базовой мо лекуле 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 “дороги”; е) Другая якорная цепь (серая) присоединяет якорную цепь к паре В;

330

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

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 свобод ной ДНК, которая затем отбирает “якорь”у “ноги”. “Ноги”, свободные от якоря, соединяются со следующей комплемен тарной 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 ро боту “повозки”, чтобы он мог переносить различные вещества, например, атомы железа.

Мобильные ДНК роботы могут помочь в сборке более сложных наносистем: нанокомпьютеров, точных наноманипу ляторов и более сложных нанороботов. Также ДНК роботы, ос нащенные наноманипуляторами, смогут манипулировать от дельными 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 са моорганизующихся РНК структур. Ученые научились строить из молекул РНК несколько различных самособирающихся “матриц” размерами от сотен нанометров до нескольких мик рон. При этом их структуру можно задавать заранее!

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

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 моле кул РНК. При этом мы можем делать матрицы различных раз меров и формы, – говорит Пейхуан Гу, профессор молекуляр ной вирологии. – В дальнейшем, из молекул РНК можно будет конструировать сложные наномашины”.

Оказалось, что вирус бактериофаг phi29 использует подоб ные конструкции из молекул РНК для своего вирального мото ра. При этом сам процесс работы мотора похож на работу дви гателя внутреннего сгорания автомобиля. Роль камеры сгора ния играет портал – образование внутри капсида (тела) вируса, занятое молекулами РНК и ротором. Мономеры РНК, подобно поршням, поочередно толкают центральный 6 сторонний ро тор, заставляя его вращаться. В центре ротора находится моле кула ДНК.

Рис 202. Работа вирального мотора

Сегодня ученые собирают из молекул РНК “кольца”, “тре угольники” и “стержни”. Эти структуры можно интегрировать с нанотранзисторами, нанопроводниками, нанотрубками, био сенсорами и другими уже существующими наноструктурами, чтобы получить сложные НЭМС системы. Возможно, их мож но будет использовать даже для медицинских нанороботов, поскольку молекулы РНК обладают высокой биосовмести мостью с человеческим организмом.

332