Биомиметика в нанотехнологиях

Нанотехнологии включают в себя манипулирование молекулами и построение структур размерами порядка нескольких нанометров. Однако некоторые живые организмы делают это уже на протяжении 3.8 миллиардов лет. Живая клетка использует ДНК, РНК и большое количество белков для того, чтобы построить клеточные органеллы нанометровых размеров. Поэтому для нанотехнологов логично было бы воспользоваться природными примерами для построения наномашин, в природе не существующих.

Биомиметические нанотехнологии находятся сегодня в зачаточном состоянии. Многие открытия пока не могут быть коммерциализованы, но их развитие в будущем позволит существенно помочь при создании наномашин.

Имитируя природу

Исследователи использовали несколько методов для имитации природы на нанометровом уровне. Один из подходов – создание материалов с уникальными свойствами с использованием примеров, уже имеющихся в природе. Так, например, маленькая ящерица геккон может ползать практически по любой поверхности. Для того, чтобы имитировать свойства геккона, необходимо было сначала разобраться в механизме работы его лапок. Эта работа была проделана в центре нанотехнологий в Манчестере. Результаты исследований показали, что на лапках у геккона расположен ряд кератиновых волосков размерами около 200 нм. Капиллярные силы помогают геккону ползать по влажным поверхностям, а силы Ван-Дер-Ваальса – по сухим. Каждая волосинка связывается с поверхностью с силой в 10–7 Н. Благодаря высокой плотности волосков на лапках геккона сила связи значительно увеличивается. Так поверхность размерами 10х10 см, состоящая из волосков кератина, может удерживать груз в 100 кг.

Lapki_gekkona.jpegГекконы могут ползать по любой поверхности сверху вниз благодаря специфическому строению кожи, покрывающей их лапки (справа). Изготовленные по «технологии геккона» искусственные волокна (с помощью электронно-лучевой литографии) показали адгезию в 30% от аналогичного природного материала (слева)

Команда из Манчестера решила продолжить исследования, попробовав сконструировать такой же массив нановолокон. Однако в изготовленном с помощью электронно-лучевой литографии образце только некоторые волокна смогли эффективно соединяться с поверхностью. Это связано с тем, что выращенные исследователями пластиковые волокна жестче, чем аналогичные у геккона. Далее, экспериментируя, исследователи нашли оптимальный вариант геометрии поверхности – диаметр волокон 500 нм, расстояние между волокнами – 1,6 мкм, и длина – 2 мкм. Полученная поверхность 10х10 см смогла удержать всего 30 кг, т.е. была хуже природной.

Дальнейшие эксперименты с гекконом показали, что присоединение лапок к поверхности происходит в несколько приемов. Исследователи решили материалы в будущем делать гидрофобными (подобно кератину геккона). По теории, волокна из такого материала не будут прилипать друг к другу. И, конечно же, встал вопрос о массовом выпуске «гекконовых лапок» с помощью не столь дорогих технологий, как электронно-лучевая литография.

Конструируя из белков

Живые организмы конструируют необходимые продукты из белков, поэтому исследователи заинтересовались тем, как с помощью белков можно искусственно создать различные наноструктуры. Некоторые белки, например, могут формировать регулярные структуры в виде кристаллических решеток, которые можно использовать при конструировании наномашин и в наноэлектронных устройствах.

Reconstruktsija_rel_efa_belka.jpegРеконструкция рельефа кристализированного белка Bacillus sphaericus CCM2177 с помощью сканирующего электронного микроскопа. Расстояния между центрами решетки – 13.1 нм

Бактерии на своей поверхности формируют одномолекулярные слои кристаллического белка, называемые S-слои, которые повторяются с 10 нм шагом. Исследователи из наноцентра в Вене, Австрия, решили использовать эти естественные «сверхрешетки» для построения искусственных белковых структур. В первую очередь S-слой был удален с поверхности бактерии и разбит на «субъединицы». Далее, поместив субъединицы в раствор, исследователи добились их реорганизации на кремниевых и металлических подложках, а также на других синтетических полимерах. Как только S-слой помещен на подложку, к нему можно добавить специальные сенсорные молекулы, которые вместе со слоем образуют точный биоаналитический сенсор. Так, например, исследователями был создан сенсор глюкозы на основе S-слоя и молекулы фермента оксидазы глюкозы. Исследователи измеряли величину электрического тока, проходящего через сенсор, в то время как фермент реагировал с глюкозой. Исследователи также использовали S-слой в качестве фоторезиста в современной фотолитографии. Выдерживание слоя в ультрафиолетовом излучении полностью уничтожает его. Однако толщина слоя – всего 5–10 нм. Современные фоторезистивные материалы имеют гораздо большую толщину.

Делаем гибридные материалы

Другие исследователи поставили перед собой цель, которой достичь еще сложнее. Они решили конструировать из белков и неорганических соединений такие структуры, которых в природе еще не существует. Однако до сих пор исследователи не могут точно определить, как именно белки будут собираться из аминокислот (это назвали проблемой фолдинга белка), и поэтому нельзя аналитически просчитать необходимую структуру белка. Исследователи выбрали альтернативный подход: сборку случайного белка из большого количества разных аминокислот. Это можно сделать с помощью генной инженерии бактериофагов. Исследователи из Массачусетского технологического института (МТИ) взяли молекулу ДНК со случайной последовательностью нуклеотидов, кодирующих различные белки, и включили ее в состав ДНК бактериофага в таком участке, что белки на ДНК-доноре синтезировались на поверхности вируса. Колония таких бактериофагов была помещена в среду, к которой исследователи хотели добиться адгезии белков. Потом поверхность была промыта. После этого на ней остались только те вирусы, на поверхности которых белки были адгезивны субстрату. Отобранные вирусы поместили в новую среду и добились роста их колонии. Так опытным путем можно создать белки, которые будут соединяться с различными материалами, образуя новые структуры. Исследователи надеются создать «библиотеку» вирусов, производящих белки, адгезивные к золоту, платине, серебру, оксиду цинка, арсениду галлия и др.

Sintez_belka.jpegДНК-фрагменты, 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.

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. Также такие белки могут пригодиться при создании наномашин. Исследователи из МТИ обнаружили, что бактериофаги «собираются» в длинные нити. Их внешние белки, соединенные с сульфидом цинка (или сульфидом кадмия), образуют длинные (600 нм) электропроводящие нанонити диаметром 20 нм. Нагревая полученную структуру до 350 °C, исследователи обнаружили, что бактериофаги удаляются, оставляя одну металлическую нить. Использованные в этом опыте вирусы состоят всего из шести белков, два из которых соединяются с неорганикой. Исследователи хотят продолжить эксперименты с более сложными (в белковом составе) вирусами для того, чтобы получить трехмерные проводящие структуры.

«Поделки» из молекул ДНК

Для производства белков необходима молекула ДНК определенной структуры. Но другим биомиметическим подходом является использование ДНК как строительного материала для наносистем. 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 структуру. Но если соединить две молекулы, то полученная ДНК (DX ДНК) будет жесткой. До 2000 года Симэн строил из этих молекул двухмерные и трехмерные структуры.

Dve_molekuly_DNK.jpegДве молекулы ДНК (красным и голубым) соединены с помощью «мостика» (желтым), который трансформирует B-ДНК (сверху) в Z-ДНК(снизу) путем добавления хлорида гексааминокобальта (III) (причем процесс обратим). Новая структура послужит базой для будущих наномеханических устройств

Недавно команда смогла сделать «шагающего» наноробота, использовав оригинальный принцип: робот 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. Однако две отдельные цепи ДНК просто соединятся в одну молекулу, образуя комплементарную последовательность нуклеотидов, поэтому для того, чтобы добиться эффекта присоединения/отсоединения цепей, необходимо точно контролировать последовательности нуклеотидов. Вторая: исследователи надеются, что можно будет создать более сложных ДНК-роботов в больших количествах, используя репликативную инженерию живых клеток.

Каждая из ног состоит из 36 нуклеотидов (в длину) и сформирована из двух цепей ДНК, которые образуют двойную спираль. Сверху «ног» расположена еще одна упругая часть ДНК, связывающая обе «ноги» вместе. Снизу одна цепь молекулы ДНК длиннее другой, что дает возможность присоединять и отсоединять «ноги» от базовой молекулы ДНК (подробнее мы писали ранее здесь: http://www.nanonewsnet.ru/index.php?…).

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.

Автор Эрик Лернер, перевод Свидиненко Юрия

Оригинал статьи: http://www.aip.org/…s-4/p16.html

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.7 (20 votes)


Anonymous аватар

бактериофаг, который синтезирует белки на своей поверхности,  – полнейший бред