Успехи нанобиотехнологии и других наук

Старые изобретения в наноупаковке

Состоявшийся в начале декабря в Москве I Международный форум по нанотехнологиям продемонстрировал стремление учёных давно известные вещи преподносить в новой «наноупаковке». Об этом, а также о главном открытии уходящего года в нанобиотехе рассуждает Николай Хлебцов из саратовского Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН. Разработка сотрудников возглавляемой им лаборатории нанобиотехнологии заняла призовое место на прошедшем в рамках форума конкурсе работ молодых учёных.

Xlebcov_N_G.jpg Николай Хлебцов

С п р а в к а

Хлебцов Николай Григорьевич, заведующий лабораторией нанобиотехнологии саратовского Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН, доктор физико-математических наук, профессор

Николай Хлебцов:

«Информационную революцию, в смысле “железа”, мы уже проиграли. Следующая, нанобиотехнологическая, происходит на наших глазах. Тот, кто в ней победит, будет диктовать свои условия в XXI веке и продавать какую-нибудь крохотную “наноштучку” за 100—200 баррелей нефти»

О форуме и «научной форме» российских нанотехнологов

  • Оправдались ли Ваши ожидания от Первого Международного форума по нанотехнологиям?

Откровенно говоря, когда я ехал на форум, опасался, что попаду на какое-то пафосное мероприятие. Частично опасения подтвердились, но главный результат, на мой взгляд, такой: форум свёл много людей из бизнеса и науки. Думаю, даже если хотя бы два процента из трёх тысяч его участников договорятся о чём-то конкретном, значит, деньги на мероприятие были потрачены не зря.

Руководство страны понимает, что вызов нам брошен очень серьёзный. Информационную революцию, в смысле «железа», мы уже проиграли. Следующая, нанобиотехнологическая, происходит на наших глазах. Тот, кто в ней победит, будет диктовать свои условия в XXI веке и продавать какую-нибудь крохотную «наноштучку» за 100—200 баррелей нефти. Уже сейчас чтобы купить компьютерную плату, нужно заплатить две-три бочки нефти. В этой торговле Запад обращается с нами, как с папуасами, — покупает за стекляшки. Нужно переломить ситуацию. Правда, сделать это непросто. Сейчас на Западе в области нанотехнологий работает огромное количество университетских групп, лабораторий, компаний. А Россия по большому счёту только начинает двигаться в этом направлении.

  • Сколько новых разработок было представлено на форуме?

Наверное, я не ошибусь, если скажу, что 90 процентов представленного на этом форуме — разработки предыдущих лет в «наноупаковке», то есть используется новая терминология для известных вещей. Объективно это понятно, поскольку придумать и реализовать абсолютно новое непросто. К примеру, то, чем занимается наша лаборатория, в определённой степени мировой научной новизной не блещет, поскольку много групп и лабораторий в мире делают похожие вещи.

Возможно, наш козырь в том, что мы делаем в одной лаборатории разные наночастицы и применяем их для самых различных целей. Западные лаборатории обычно специализируются на одном типе нанотехнологий и пытаются «уйти в отрыв». Полагаю, что небольшое отставание от ведущих лабораторий мира не страшно. Если бы всё российское хозяйство отставало от лучших мировых образцов не более чем на пять лет, мы бы отлично жили.

Новизна идей и разработок проверяется легко: если вы открыли что-то по-настоящему новое, то у вас должна быть публикация в рейтинговом журнале, вплоть до Nature или Science, о вас должен «трубить» Интернет. А если в Интернете на вас нет ссылок или есть ссылки только в «Вестнике энского университета», издаваемом и читаемом лишь сотрудниками этого вуза, то о мировой новизне говорить трудно. К сожалению, даже на форуме у большинства нанотехнологов нет публикаций в специальных журналах типа Nanotechnology, не говоря уже про журналы класса Nano Letters.

В словах «У нас есть уникальные разработки, мы только не умеем соединить замечательные научные достижения с бизнесом» процентов 80 лукавства. Единственный способ доказать мировой уровень научных разработок — сделать международный патент или публикацию в рейтинговом журнале, где печатаются корифеи в твоей области. Большинство отечественных разработок этого жёсткого критерия не выдерживают. Повторюсь, в этом нет большой беды. Разработка может не обладать абсолютной научной новизной, но на её основе можно создавать хорошие и важные вещи. Пример Японии это доказывает убедительно.

О формулах фундаментальной и прикладной науки

Мне, как представителю фундаментальной науки, кажется, что одна из бед, которая гнездится в головах чиновников, состоит в смешении двух важных понятий. Задача фундаментальной науки — производить новые знания, которые, быть может, через несколько лет дадут революционный прорыв в технологиях, в промышленности, в материалах и прочем. И здесь новизна — главный критерий. Ваше уравнение становится никому не нужным, если вы его написали сегодня, а вчера его опубликовал кто-то другой.

Иное дело — наука прикладная. Если вы сделали прекрасный автомобиль, похожий на тот, что два года назад произвели в Германии, — ничего страшного, стране нужны свои автомобили. Фундаментальное знание интернационально. Теория относительности — не немецкая. А вот Volvo — шведский автомобиль. Иначе говоря, утюг может быть российским, а уравнение — нет. Поэтому формула прикладной науки: давайте больше товаров, хороших и разных. А формула фундаментальной науки: давайте новые идеи.

  • Как работы российских учёных влияют на международное научное сообщество?

Картина получается невесёлая. Могу привести пример по нашему институту. Я провел простое исследование: посмотрел, сколько ссылок в 2008 году было на работы докторов наук из России. И сколько на учёных, которые, вне всякого сомнения, являются лидерами в нанотехнологиях, — это в первую очередь Чад Миркин, Пол Аливисатос, Наоми Халас и т.д. Затем я разделил учёных на категории: «звёзды» — те, на кого больше тысячи ссылок за 2008 год; «известные» — на кого от ста до тысячи ссылок; «активные» — от десяти до ста ссылок; и, наконец, те, на кого приходится от одной ссылки до десяти.

Идея деления учёных на группы, отличающиеся по порядку, была заимствована у Ландау. Получилось, что мы не работаем даже во втором классе. На меня, например, в 2008 году 98 ссылок, причём это лучший показатель в институте. А ведь все доктора и кандидаты наук обязательно пишут в диссертациях: «В последнее время такая-то проблема привлекает всё большее внимание и приобретает всё большую актуальность…».

Да кому это актуально, милый человек?! На вас всего пять ссылок, и те из второсортных изданий. Ваш научный товар оказался не продан и просто пропал. Иными словами, старая триада науки (получить информацию — осмыслить её — создать новую) оказалась нарушена на третьей стадии. Невостребованные результаты научной информацией не являются по определению. Не имеет значения новизна и фундаментальность ваших результатов и выводов, если они не вошли в научный оборот, не используются и не цитируются. Либо вы заблуждаетесь по поводу соответствия своей работы мировому уровню, либо неправильно работаете по продвижению своих результатов в научном мире.

Для фундаментальной науки другого, не-мирового, уровня не бывает, это просто не-фундаментальная наука!

Чтобы влиять на мир, нужно играть по принятым на Западе правилам. А правила таковы: есть рейтинговые журналы, крупные результаты должны публиковаться там. Дефиле бывает правильным в Париже или Милане. Возможно, оно бывает и в Торжке, но это уже никого не интересует

Для того чтобы влиять на мир, нужно играть по принятым на Западе правилам. А правила таковы: есть рейтинговые журналы, крупные результаты должны публиковаться там. Дефиле бывает правильным в Париже или Милане. Возможно, оно бывает и в Торжке, но это уже никого не интересует.

Главное открытие года в области нано

  • Назовите главное, на Ваш взгляд, открытие уходящего года в нанотехнологиях

В этом году произошло, на мой взгляд, серьёзное дело. Но позвольте прежде небольшую предысторию. Всё началось в 1996 году. В один из поздних вечеров Чад Миркин сидел в своём кабинете. Вдруг к нему вбежали его аспиранты Роберт Мусик и Джеймс Сторхоф:

«Чад, ты должен на это посмотреть!».

В лаборатории аспиранты показали ему пробирку, внутри которой была жидкость красного цвета. Пробирка стояла на электрической плитке. Затем они поставили пробирку на холодный подоконник, и жидкость в ней посинела. Опять на плиту — покраснела. Миркин с аспирантами играли так до полуночи, а утром послали статью в Nature. Это была первая демонстрация того, что можно сделать не существующую в природе нанотехнологическую конструкцию. Были взяты золотые частички диаметром порядка 13 нанометров и поделены на две порции. К поверхности частиц одной порции прикрепили одинарную цепочку ДНК небольшой длины — порядка 10 оснований.

Для другой порции были взяты одинарные цепочки ДНК другого типа. Получились «нанокирпичики» сорта А и сорта Б. Затем обе порции «кирпичей» смешали, и добавили к ним «молекулярный раствор» — кусок двухнитевой спиральной ДНК со «свисающими» концами в одну одинарную цепочку. Эти концы могли «узнавать» и сплетаться в спираль с одинарной цепочкой ДНК своего сорта на частицах А или на частицах Б. Когда спиральки сплетались, получался синий цвет, когда расплетались — красный. Игра цвета — это из-за особенностей частиц, объединяющихся в агрегат, а сплетание и расплетание — из-за особенностей ДНК. По сути, это была первая конструкция из неорганического (золота) и органического (ДНК) материалов.

Конечно, возникшая структура была неупорядоченной. Это был хаотический комок из частиц. Цель — создать нечто вроде кристалла (например, кубическую решётку или структуру, подобную кристаллу поваренной соли) — достигнута ещё не была.

Лишь спустя 12 лет решили эту задачу. Человек впервые создал рукотворный кристалл, который обладал всеми свойствами природного, но состоял не из атомов, а из наночастиц и биомолекул. С помощью физических методов можно показать, что в рукотворном кристалле действительно есть строгая упорядоченность расположения, правда, не атомов, а золотых наночастиц. Их расположение контролируется кусочками олигонуклеотидов, подобранных правильным образом.

Но первыми ли Чад Миркин с коллегами создали такой кристалл? Кроме его группы, подобные исследования одновременно проводила другая группа из США — под руководством Олега Ганга, где ведущим автором был, вероятно, выходец из бывшего СССР Дмитро Никопанчук. И именно она первой получила результат. А дальше идёт, увы, типичный сюжет… Наука тоже несвободна от человеческих страстей.

Работа группы Ганга поступила в Nature 5 июля 2007 года. Дальше её судьбу можно предсказать с большой долей вероятности. Конечно, эту статью послали на отзыв специалистам-конкурентам. И первый среди них — Чад Миркин, замечательный учёный мирового уровня, у которого вообще нет проходных работ.

Статью Ганга долго рецензировали и приняли в печать 21 декабря 2007. Но 23 октября в Nature приходит очень похожая статья от группы Миркина, которая 28 ноября уже принята в печать. Статья, сделанная чуть более капитально, но принципиально — с тем же результатом. К чести журнала Nature, обе работы были опубликованы одновременно — материалы стоят на соседних страницах. И если будет, скажем, Нобелевская премия за этот результат, её, наверное, придётся делить. Этот сюжет хорошо иллюстрирует человеческие драмы из жизни науки, видные между строк. Но сделанное открытие — несомненно, самое главное фундаментальное в области нанобиотехнологий в уходящем году.

В чём наш приоритет

  • Чем занимается Ваша лаборатория?

Мы ведём работы, связанные с синтезом и применением конъюгатов металлических наночастиц с биомакромолекулами. Это относится к самым перспективным направлениям современной нанобиотехнологии. За последние 5—10 лет опубликованы тысячи статей в этой области. Применение подобных металлоорганических наноструктур основано на комбинации двух принципов. Во-первых, это уникальное молекулярное узнавание биомолекул (антиген—антитело, гибридизация ДНК, авидин—стрептавидин и т.д.). Во-вторых, это уникальные оптические свойства, обусловленные наличием так называемого плазмонного резонанса у наночастиц благородных металлов (золото и серебро). Этот резонанс связан с коллективными осцилляциями электронов проводимости в наночастицах. Используя шутливый образ Крэга Борена (США), можно сказать, что электроны проводимости в поле световой волны действуют согласованно, как банда гангстеров.

С п р а в к а

В лаборатории нанобиотехнологии Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов (ИБФРМ) РАН с 1987 года ведутся работы по синтезу, функционализации и применению наночастиц различной формы и структуры в биомедицине (первая крупная зарубежная статья опубликована в 1996 году). Работы в области синтеза биоконъюгатов наночастиц (золотых наносфер с диаметром от трёх до 100 нанометров, золотых наностержней с толщиной 15—20 нанометров и длиной 30—100 нанометров, золотых нанооболочек на ядрах из двуокиси кремния) были представлены на Первом Международном форуме по нанотехнологиям Борисом Хлебцовым и награждены премией на Международном конкурсе научных работ молодых учёных в области нанотехнологий в секции «Нанобиотехнологии»

Ожидается, что плазмонно-резонансные биомаркёры найдут широкое применение в новых методах биомедицинской диагностики и терапии, например, для твердофазного иммуноанализа, визуализации клеточных и молекулярных мишеней, адресной доставки целевых веществ в клетки, фототермальной терапии и оптической томографии. Кроме того, создание наноразмерных «строительных блоков» типа металлическая наночастица+органическая молекула открывает перспективы конструирования новых, не существующих в природе материалов с уникальными свойствами. Примером может служить уже упоминавшаяся одновременная публикация в журнале Nature двух статей по созданию кристаллов из частиц золота, функционализованных короткими фрагментами однонитевых молекул ДНК.

За рубежом подобные работы ведутся во многих центрах и лабораториях, в частности в США в группах Пола Аливисатоса (Калифорнийский университет в Беркли), Ричарда ван Дина, Дж. Шатца (Северо-западный университет в Эванстоне), Наоми Халас (Университет Райса в Техасе), Мустафы Эль-Сайеда (Университет Джорджии). Сильные группы работают в данной области в Германии (Нимейер, Карстен Зёнихсен), Испании (Луис Лиз-Марзан), Франции (Мари-Поль Пилени) и в других странах. Резкий, хотя и вполне ожидавшийся, рост активности и качества работ наблюдается в последние годы в Китае.

В России аналогичными работами занимаются в МГУ, Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН и многих других местах. Наш приоритет заключается в создании биомаркёров с настраиваемыми оптическими свойствами, в их применении для некоторых разделов нанобиотехнологии (например, для получения антител на гаптены, для визуализации молекулярных мишеней на поверхности клеток, для повышения чувствительности иммуноанализа) и в описании оптических свойств наноструктур на основе биомаркёров.

Прикладные работы в данной области являются по существу инновационными. В качестве примеров можно привести применение полиэтиленгликоль-функционализованных золотых нанооболочек и наносфер в качестве термосенсибилизаторов в лазерном фототермолизе привитых опухолей (совместные работы ИБФРМ РАН с ФГУП «ГНЦ “НИОПИК”», Московским научно-исследовательским онкологическим институтом им. П.А. Герцена, Саратовским госуниверситетом им. Н.Г. Чернышевского).

Другим инновационным направлением является применение золотых нанооболочек для термополимеризации биосовместимых полимеров (совместные работы ИБФРМ РАН с Институтом проблем лазерных и информационных технологий РАН, исследования группы профессора Виктора Баграташвили).

Светлана Синявская

http://www.strf.ru/science.aspx?…

IBPR_Saratov.jpg

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов (ИБФРМ) РАН

http://www.ibppm.saratov.ru/

Группа нанобиотехнологии

http://www.nanometer.ru/…1127932.html

Ну что ж, правильно говорит уважаемый доктор наук. Всё так: и фундаментальная наука у нас хромает, а уж о прикладых исследованиях и разработках и говорить не хочется… Но ведь нужно смотреть и в суть вещей, а не только констатировать её «мрачное настоящее»: на днях сами академики на своём заседании признали плачевное состояние отечественной науки и её финансирования… Чего уж тогда требовать от наших исследователей, работающих здесь, или просто уезжающих работать «за бугор»? Но делать нечего. Постепенно, шаг за шагом, нужно исправлять эту ситуацию – хотя бы на ключевых направлениях – а уже потом требовать от учёных, исследователей, научных работников высокого качества их работы…