ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙБИОТЕХНОЛОГИЯ
необъятные перспективыНаучный мир• •
PLENTY OF ROOM FOR BIOLOGY
AT THE BOTTOMAn Introduction to BionanotechnologyEHUD GAZITTel Aviv University, IsraelImperial College Press
НАНОБИОТЕХНОЛОГИЯ:
НЕОБЪЯТНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯЭХУД ГАЗИТТель-Авивский университет, Израильперевод с английскогоА.Е. Соловченконаучный редактор русского изданияH.JL КлячкоНаучный мир
2011
Серия: Фундаментальные основы нанотехнологий: лучшие зарубежные учебникиГлавный редактор серии: академик А.Р. Хохлов
Ответственный редактор: канд. физ.-мат. наук А.В. Чертович
Редакционная коллегия:Антипов Евгений Викторович, профессор химического факультета МГУ;Гудилин Евгений Алексеевич, профессор факультета наук о материалах МГУ;
Клячко Наталья Львовна, профессор химического факультета МГУ;Образцов Александр Николаевич, профессор физического факультета МГУГазит ЭхудГ12 Нанобиотехнология: необъятные перспективы развития / Пер. с англ. А.Е. Соловчен¬
ко, науч. ред. H.JI. Клячко. - М.: Научный мир, 2011. - 152 с.: ил. - (Фундаментальные
основы нанотехнологий: лучшие зарубежные учебники).ISBN 978-5-91522-227-3Эта книга написана одним из ведущих специалистов по нанобиологии и блестящим
популяризатором данной науки. Автор знакомит читателя с азами этой области знаний и
постепенно подводит его к описанию сложнейших ее проблем.Ученому удалось написать книгу увлекательно и просто, ее с интересом прочтут био¬
логи и химики, не обладающие специальными знаниями по нанотехнологии. Она будет
полезна ученым, а также инженерам и всем желающим узнать больше о технологиях
будущего.Читатели, интересующиеся прикладными аспектами нанобиотехнологии, могут об¬
ратиться к глоссарию и списку ведущих компаний, работающих в этой области.УДК 577
ББК 30.16Copyright © 2007 by Imperial College Press Ltd. All rights reserved. This book, or parts thereof, may not
be reproduced in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording
or any information storage and retrieval system now known or to be invented, without written permission
from the Publisher.Russian translation arranged with Imperial College Press Ltd.ISBN-13 978-1-86094-677-6
ISBN-10 1-86094-677-1Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может быть воспроизведена или передана
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, будь то электронные или механи¬
ческие, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель, а также размещение в Интерне¬
те, если на то нет письменного разрешения правообладателя.Русский перевод осуществлен по договору с Imperial College Press Ltd.О Соловченко А.Е.,ISBN 978-5-91522-227-3	перевод на русский язык, 2011О Научный мир, издание на русском языке,
оформление, 2011
СодержаниеПредисловие автора	9Предисловие редактора	11Глава 1. Введение: нанобиотехнология и бионанотехнология	 121.1.	Классическая биотехнология: промышленное производство
использует биологические системы	 121.2.	Современная биотехнология: от производственных процессовдо новых методов лечения	 131.3.	Современная биотехнология: подходы, основанные на
использовании антител, ферментов и нуклеиновых кислот	 141.4.	Бионанотехнология: на стыке нанотехнологии и биотехнологии.... 161.5.	Надмолекулярная химия и биохимия: теоретическиеосновы самосборки	 171.6.	Самосборка наноструктур: следующие этапы	 181.7.	Взаимопроникновение биологии и нанотехнологии	 191.8.	Сочетание бионанотехнологии и нанобиотехнологии	201.9.	Нанобионика и живые системы как прототипы нанотехнологий.... 21Глава 2. Краткое введение в нанотехнологию	232.1.	Появление нанотехнологий: здесь много места для биологии!	232.2.	Появление термина и развитие понятия «нанотехнология»	252.3.	Манипулирование молекулами: сканирующиезондовые микроскопы	252.4.	Фуллерены: новая форма углерода	272.5.	Углеродные нанотрубки: главные строительные блоки для
нанотехнологий будущего	292.6.	Нанотрубки и фуллеренподобные кластеры из других
соединений: неорганические наноматериалы	302.7.	Квантовые точки и другие наночастицы	312.8.	Нанопроводники, наностержни и другие наноструктуры	322.9.	Магнитные наночастицы	33Глава 3. Самосборка природных биологических наноструктур	343.1.	Процессы самосборки и самоорганизации в биологии	343.2.	Организация бактериальных S-слоев	343.3.	Самоорганизация вирусов	363.4.	Самоорганизация фосфолипидных мембран	38
3.5.	Нитчатые элементы цитоскелета	403.6.	Нуклеиновые кислоты: носители генетической информациии матрицы для нанотехнологий	423.7.	Олигосахариды и полисахариды: еще один класс биополимеров... 433.8.	Амилоидные фибриллы - биологические наноструктуры,
образующиеся путем самосборки	443.9.	Паутина и шелк - природные надмолекулярные сборкииз фибриллярных белков	453.10.	Рибосома - конвейер для сборки белков	453.11.	Сложные машины для реализации генетического кода	463.12.	Протеосома - система контроля качества белков	463.13.	Биологические нанодвигатели: кинезин и динеин	473.14.	Другие нанодвигатели: жгутики и реснички	473.15.	Ионные каналы: селективные нанопоры	47Глава 4. Молекулярные и химические основы взаимодействиякомпонентов биологических наносборок	494.1.	Возникновение биологической активностив результате самосборки	494.2.	Узнавание и химическая аффинность молекул	494.3.	Аффинность и специфичность биологических взаимодействий	514.4.	Связь между термодинамикой и кинетикой диссоциации	514.5.	Химические основы молекулярного узнаванияи специфического связывания	524.6.	Образование специфических комплексовза счет повышения энтропии	53Глава 5. Молекулярное узнавание и образованиебиологических структур	555.1.	Антитела как молекулярные сенсоры узнавания	555.2.	Селекция антител и эквивалентных систем in vitro	565.3.	Узнавание нуклеиновых кислот белками	585.4.	Взаимодействие рецепторов с лигандами	595.5.	Взаимное узнавание нуклеиновых кислот	59Глава 6. Самосборка биоматериалов и наноматериалов,построенных по их образцу	616.1.	Материалы на основе ДНК	616.2.	Наноматериалы на основе пептидов	636.3.	Первые пептидные нанотрубки	636.4.	Амфифильные и ПАВ-подобные пептидные блоки	656.5.	Электростатическое взаимодействие как движущаясила самосборки			666.6.	Самосборка конъюгированных пептидов	67
6.7.	Роль взаимодействия ароматических группв образовании наноструктур	686.8.	Образование нанотрубок из ароматических дипептидов (ADNT)... 686.9.	Образование сферических наноструктур из коротких пептидов	706.10.	PNA-полимеры	72Глава 7. Применение сборок из биомолекул в нанотехнологии	737.1.	Применение S-слоев в нанолитографии	737.2.	Производство нанопроводников с помощью ДНК	747.3.	Амилоидные фибриллы как матрицы для производства
нанопроводников	757.4.	Металлизация химически модифицированныхактиновых филаментов	787.5.	Применение пептидных нанотрубок	787.6.	Бактериофаги как новые биоматериалы	807.7.	Применение пептидных матриц для биоминерализации	807.8.	Производство композитных неорганических наноматериалов	817.9.	Применение биоминерализации в нанотехнологии	82Глава 8. Применение достижений бионанотехнологии в медицинеи в других областях	838.1.	Совершенствование лекарств за счет нанокристаллов	838.2.	Наноконтейнеры для доставки лекарств	848.3.	Применение нанопроводников для биологической детекции	858.4.	Применение «мягкой» литографии в биотехнологии	878.5.	Контрастирующие магнитные наноматериалы	878.6.	Сельское хозяйство с приставкой «нано»	888.7.	Нанотехнологии и водные ресурсы	898.8.	Нанокосметика	898.9.	Использование солнечной энергии	90Глава 9. Перспективы нанобиотехнологии и бионанотехнологии	929.1.	На стыке молекулярной биологии и биотехнологии	929.2.	Разработка модифицированных биосистем для сборки
наноструктур	939.3.	Нанотехнология и тканевая инженерия	939.4.	Конструирование тканей мозга	959.5.	Создание композитных материалов из биомолекули неорганических соединений	969.6.	Нанобиомашины и нанороботы	96Глава 10. Заключительные комментарии: будущее и риски
нанобиологической революции	98
8СодержаниеПриложение А. Неизведанное в глубинах нашего мира: приглашениев новую область физики. Р. Фейнман	 101Приложение В. Список компаний, занятых в областибионанотехнологии и нанобиотехнологии	 115Приложение С. Глоссарий	 127Список литературы	 135Предметный указатель	144
Предисловие автораЭта книга решает очень серьезную задачу: она знакомит читателей с областью
знаний, возникшей на стыке двух важнейших научных дисциплин XXI века -
биотехнологии и нанотехнологии. Автор постарался донести до специалистов
в самых разных областях знаний фундаментальные принципы, методы и широ¬
кие перспективы развития и применения нового направления. Книга написана
так, чтобы ее поняли читатели, не обладающие специальными знаниями. Здесь
обсуждаются две связанные друг с другом области науки - нанобиотехноло¬
гия, основанная на применении принципов нанотехнологии в биологических
исследованиях, и бионанотехнология, использующая биологические принципы
и явления, такие как молекулярное узнавание и самосборка, для решения задач
нанотехнологии.Если XX век можно назвать веком физики, электроники и телекоммуникаций,
то нынешний век начался под знаком биологической революции, стартовавшей во
второй половине XX века, а также нанотехнологии - удивительного нового науч¬
ного направления науки, предметом которой являются мельчайшие конструкции
и устройства, с размерами, измеряющимися нанометрами. Обычно в процессе
миниатюризации величина машин уменьшалась за счет совершенствования су¬
ществующих технологий. Однако мы быстро приближаемся к пределу миниатю¬
ризации, основанной на использовании традиционного подхода «от большего к
меньшему». И один из ключевых принципов построения машин будущего - уве¬
личение прототипов, по размерам сравнимых с молекулами. Для использования
этого подхода очень полезно изучение устройства наномашин, во множестве при¬
сутствующих в любой биологической системе. Действительно, только в живой
клетке находятся работоспособные молекулярные машины, к созданию которых
можно будет прийти с помощью нанотехнологии. Молекулярные двигатели, сверх¬
чувствительные наносенсоры, механизмы для репликации ДНК и синтеза белка,
а также множество других миниатюрных устройств - все это было уже в простей¬
ших клетках предков бактерий, появившихся три миллиарда лет назад. Чем выше
ветвь эволюционного древа, на которой находится организм, тем сложнее и мощ¬
нее его наномашины. Но только через миллиарды лет после возникновения жиз¬
ни мы начинаем использовать в технике принципы узнавания и самосборки, на
которых строятся биологические наномашины. С другой стороны, многие фунда¬
ментальные и прикладные нанотехнологии, разработанные для небиологических
систем, весьма удобны для решения биологических проблем, таких как создание
сложных сенсоров и молекулярных каркасов для тканевой инженерии, и таких за¬
дач будущего, как модификация белков и ДНК in situ.Перед нанобиотехнологией и бионанотехнологией открываются грандиозные
перспективы. Слияние этих наук может привести к революционным прорывам в
10Предисловие авторамедицине. Этот союз должен дать средства для искоренения множества челове¬
ческих болезней. В обозримом будущем шансы излечения рака и СПИДа могут
стать такими же значительными, как полиомиелита и туберкулеза в наше время.
Генетические отклонения человека можно будет выявлять и корректировать еще
до его рождения. Нанороботы, введенные в организм, смогут выполнять сложней¬
шие хирургические операции, например на мозге. Не исключено, что наномаши¬
нам будет по плечу смогут решение задач на клеточном уровне. Манипулирование
генетической информацией в реальном времени прямо в теле - только один из
множества примеров.Принцип молекулярного узнавания возможно использовать и в системах, очень
далеких от классических биологических систем. Одно из наиболее очевидных
направлений, лежащих в области нанотехнологий, - молекулярная электроника.
Способности биомолекул к взаимному узнаванию и самосборке в сложные струк¬
туры могут быть использованы наноинженерами XXI века для создания отличной
модельной системы. Это направление исследований напрямую связано с одной из
важнейших научно-инженерных областей XX столетия - кремниевой микроэлек¬
троникой. Нанотехнология, основанная на биологии, может способствовать пре¬
одолению множества известных в настоящее время ограничений «кремниевого»
мира. Появление наномашин, «монтирующих» электронные устройства по прин¬
ципу самосборки, в корне изменит всю электронику и откроет перед ней новые
волнующие перспективы. Возможно, бионанотехнологическая революция проло¬
жит дорогу и к пониманию молекулярных механизмов логического мышления,
что сделает возможным создание машин, наделенных настоящим искусственным
интеллектом.Но нельзя ни на секунду забывать, что в эру нанобиотехнологий и бионанотех¬
нологий грань между процветанием и опустошением может стать очень тонкой.
Ответственность за корректное применение необъятных возможностей ляжет в
будущем на ученых и инженеров. Наш долг - сделать так, чтобы плоды научной
революции были использованы для блага, а не для уничтожения человечества: не¬
верное применение столь мощных инструментов непременно приведет к серьез¬
ным последствиям.Э. Газит
Предисловие редактораКнигу Эхуда Газита «Нанобиотехнология: необъятные перспективы развития»
можно охарактеризовать как обзор достижений биологии и нанотехнологии, ко¬
торые сделали возможным объединение этих дисциплин и появление одного из
самых передовых направлений науки - нанобиотехнологии. Однако называть на¬
нобиотехнологию направлением, наверное, не совсем корректно, поскольку это -
область приложения огромного объема знаний молекулярной биологии и цитоло¬
гии, структурной и функциональной биохимии, химии и физики полимеров и др.
Использование массива этих знаний поможет претворить в жизнь многие самые
смелые надежды ученых.Например, появление нанороботов в результате объединения усилий био- и
нанотехнологов многим кажется возможным лишь в теории, однако автор кни¬
ги особо подчеркивает, что осуществление подобных футуристических проектов
уже не за горами. Появление «наномашин», которые заменят скальпель хирурга,
и материалов, которые увеличат эффективность утилизации солнечной энергии
на 30 %, уже не кажется фантастичным, поскольку уровень знаний о самоорга¬
низации биологических систем и механизмах узнавания в настоящий момент по¬
зволяет рассматривать не только теоретические, но и инженерные детали методов
реализации этих идей. Книга, безусловно, будет полезна как студентам, так и спе¬
циалистам в самых разных областях знаний.H.JI. Клячко,
доктор химических наук,
профессор химического факультета
МГУ им. М.В. Ломоносова
Глава 1Введение: нанобиотехнология и бионанотехнологияСближение биотехнологии и нанотехнологии началось сравнительно недавно.
Тем не менее этот процесс уже принес замечательные результаты. Первая глава
начинается с рассказа об основах классической и современной биотехнологии и о
том, как они соприкасаются с намного более «юной» дисциплиной - нанотехноло¬
гией. Под термином «нанобиотехнология» в этой книге понимается совокупность
передовых усовершенствованных биотехнологических методов и продуктов. Они
включают разнообразные подходы и приемы для создания более чувствительных
и точных наносистем работающих в реальном времени, таких как «лаборатории
на чипе» (lab-on-chip) и наносенсоры. Речь идет также об использовании нано-
упорядоченных матриц для управляемого производства лекарств, инженерии и
регенерации живых тканей. Далее вы познакомитесь с футуристическими направ¬
лениями разработки наноинструментов (или нанороботов), используемых для вы¬
полнения медицинских процедур, а также с наномашинами, заменяющими живые
органы.Под термином «бионанотехнология» в этой книге подразумеваются современ¬
ные нанотехнологии, основанные на использовании биологических строитель¬
ных блоков, принципов биоспецифичности и биологической активности. Об¬
ласть применения бионанотехнологий не ограничивается только решением задач
биологии. Например, в будущих бионанотехнологиях инстурменты из олигону¬
клеотидов ДНК, пептидных нанотрубок и белковых фибрилл могут использо¬
ваться для сборки в наноконструкции металлических нанопроводников и других
наноэлементов, применяемых в молекулярной электронике и наноэлектрохимии
(Braun et al., 1998; Reches and Gazit, 2003; Zhang, 2003; Patolsky et al., 2004a,b).1.1.	Классическая биотехнология: промышленное производство
использует биологические системыБиотехнология - вполне зрелая научная дисциплина. Уже в первой половине
XX века было дано ее определение в словаре American Heritage Dictionary. Пред¬
мет этой науки - «применение микроорганизмов, таких как бактерии и дрожжи,
либо биологических веществ, таких как ферменты, в промышленности и на про¬
изводстве» (рис. 1.1). Массовое использование биологических процессов в про¬
мышленности, например для получения ацетона путем сбраживания крахмала
Введение: нанобиотехнология и бионанотехнология13Производство	Производствохлеба, вина,	ацетона с помощьюмолочнокислых	Clostridiumпродуктов и пр.	acetobutylicumПроизводство Производство
пенициллина эритропоэтинаБионанотехнологияЗарождение	1916цивилизации19401989XXI векРис. 1.1. Вехи развития современной биотехнологии и превращения ее в бионанотехнологию.
Люди делали хлеб, вино и молочнокислые продукты задолго до коммерческого
производства ацетона, антибиотиков и биотехнологических лекарств.бактерией Clostridium acetobutylicum, началось с 1916 г. Промышленное произ¬
водство из гриба Penicillium notatum пенициллина - антибиотика, прочно вошед¬
шего в медицинскую практику, - было налажено уже в 40-х годах прошлого века.Некоторые ученые считают, что практическое использование биотехнологий
началось намного раньше (по разным оценкам, от нескольких тысячелетий назад
до совсем глубокой древности), когда люди стали получать разные продукты, та¬
кие как вино, пиво, сыр и хлеб, с помощью дрожжей и бактерий (рис. 1.1).1.2.	Современная биотехнология: от производственных
процессов до новых методов леченияСо временем определение предмета биотехнологии становилось все более раз¬
мытым. Многие направления современной биотехнологии, как чисто «лаборатор¬
ные», так и промышленные, развились в прикладные биологические науки, но так
и не стали отдельными научными дисциплинами. На практике «биотехнологией»
называли многое - от производства биомолекул-лекарств (например, белковых
гормонов или антител) до разработки новых диагностических средств, основан¬
ных на взаимодействии определенных биомолекул (примером могут служить на¬
боры для иммунодиагностики, основанные на взаимодействии системы «антиген-	антитело», или ДНК-микрочипы, созданные по принципу комплементарное™
последовательностей нуклеиновых кислот). Различие между фармацевтической
индустрией и современной промышленной биотехнологией лежит в практической
сфере: первая производит сравнительно низкомолекулярные лекарства, а вторая -
более крупные биомолекулы, такие как функциональные белки и антитела.Например, первым продуктом крупнейшей биотехнологической компании Amgen
был белок эритропоэтин (коммерческое название - EPOGEN). В живых организмах
этот белок стимулирует образование эритроцитов. Управление США по контролю
14Глава 1качества пищевых продуктов и лекарственных средств (Food and Drug Administration,
FDA) в 1989 г. разрешило использовать этот препарат для лечения людей, и эритропо-
этин стал одним из первых продуктов современной биотехнологии. Другие примеры
биотехнологических продуктов включают рекомбинантный человеческий инсулин,
человеческий интерферон, человеческий и бычий гормоны роста, а также терапев¬
тические антитела. Производство терапевтических антител - сравнительно новая
и весьма интересная область. Благодаря замечательным свойствам аффинности и
специфичности (см. главу 4), такие антитела останавливают патологические про¬
цессы в организме, действуя исключительно направленно и не затрагивая лишнего.
Так, совсем недавно были разработаны гуманизированные рекомбинантные моно¬
клональные антитела (коммерческое название -AVASTIN), связывающие и ингиби¬
рующие биологическое действие фактора роста эндотелия сосудов. Лечение этим
препаратом значительно повышает шансы на выздоравливание у пациентов с вто¬
ричной карциномой толстой кишки, не излечимой методами обычной химиотера¬
пии. Особое место занимает человеческий интерферон - белок, играющий ключе¬
вую роль в ответе человеческого организма на вирусную инфекцию, и человеческий
гормон роста - важный регуляторный белок, обеспечивающий нормальный рост
детей и подростков.Многие другие белки исследуются в настоящее время с целью их применения в
качестве лекарств. Один из факторов, ограничивающих распространение лекарств,
основанных на белках и пептидах, - невозможность их перорального приема. В от¬
личие от большинства низкомолекулярных лекарств, которые можно принимать в
виде таблеток и сиропов, белки и пептиды обычно разрушаются в пищеваритель¬
ном тракте. Поэтому белковые и пептидные препараты, подобные описанным выше,
вводят исключительно с инъекциями, что сложно делать самостоятельно, дома. Ре¬
ально решить эту важную проблему возможно с использованием нанотехнологии.
Так, для безболезненного подкожного введения биомолекулярных лекарств можно
использовать матрицы из сотен и тысяч крошечных наношприцев. Другой при¬
мер - использование наноносителей. В частности, исследуются носители, которые
транспортируют лекарство через начальные отделы пищеварительного тракта, но
освобождают его только в кишечнике. Также изучаются наноносители, способные
преодолевать гематоэнцефалический барьер и доставлять лекарственные пептиды
для лечения опухолей мозга и различных нейродегенеративных заболеваний. Нано¬
носители могут создаваться путем самосборки из материалов биологической (таких
как пептидные наносферы) или небиологической природы. Так или иначе, это на¬
глядный пример радикального расширения области применения биотехнологии за
счет использования нанотехнологии.1.3.	Современная биотехнология: подходы, основанные
на использовании антител, ферментов и нуклеиновых кислотОсновная задача диагностической биотехнологии - обнаружение и коли¬
чественное определение биологических материалов биохимическими метода¬
Введение: нанобиотехнология и бионанотехнология15ми, такими как иммунохимический анализ, ферментативные реакции, а так¬
же с помощью РНК- и ДНК-технологий. Как будет показано ниже, применение
наносборок и наноконструкций позволит значительно повысить чувствительность
и специфичность подобных диагностических методов.В список нанотехнологических продуктов для диагностики, основанных на
иммунохимическом анализе, входят тест-полоски для определения беременности
(они содержат антитела, выявляющие малейшие следы человеческого гормона,
называемого хорионическим гонадотропином (Cole, 1997). Другими примера¬
ми служат наборы для выявления ВИЧ и гепатита. Во всех приведенных выше
случаях эффективность диагностики повышается за счет высокой аффинности
и специфичности, присущих молекулярному узнаванию (о химических основах
узнавания рассказывается ниже). Разобравшись в устройстве и принципах работы
микроскопических молекулярных «меток» и их «детекторов», обеспечивающих
молекулярное узнавание, в дальнейшем можно эффективнее использовать прин¬
цип узнавания для решения различных задач диагностики. Повышение чувстви¬
тельности таких методов позволит при диагностике использовать намного мень¬
шее количество образца. Например, для определения ключевых биологических
показателей содержания глюкозы будет достаточно совсем маленькой капли кро¬
ви (рис. 1.2). В действительности необходимый объем крови, который реально
уменьшить с нескольких микролитров до нанолитров, можно будет извлечь при
помощи наношприцев (см. выше). Это уменьшит неприятные ощущения при за¬
боре крови для определения уровня глюкозы. Развивая тему, можно вообразить
наноустройство, измеряющее содержание глюкозы в крови с помощью электро¬
химической реакции и чипа с наноэлектродами, соединенного с системой автома¬
тического дозирования, выделяющее в кровь инсулин согласно заданной програм¬
ме. Такое наноустройство могло бы заменить некоторые функции поджелудочной
железы, которые она теряет при остром (тип I) или хроническом (тип II) диабете.Результатом применения в диагностике ферментативных реакций стали такие
распространенные устройства, как индивидуальные глюкометры, работающие на
катализируемой глюкозооксидазой реакции окисления глюкозы до глюконовой кис¬
лоты с образованием перекиси водорода (Jaffari and Turner, 1995). В результате элек¬
трохимического определения последнего продукта генерируется сигнал, который
после оцифровки выводится на дисплее глюкометра (рис. 1.2). Это один из нагляд¬
нейших примеров создания гибридного ферментативно-электронного интерфейса в
результате объединения достижений биотехнологии и электроники. От нанобиотех¬
нологии ожидают создания миниатюрных версий этого и других детекторов, рабо¬
тающих на ферментативных реакциях (Jaremko and Rorstad, 1998).К ДНК-технологиям относится полимеразная цепная реакция (GWH), нашедшая
широкое применение в криминалистике, как метод, позволяющий четко установить
принадлежность биологических образцов. Еще один пример метода, основанного
на специфичности взаимодействия нуклеиновых кислот, - ДНК-чипы или ДНК-
микроматрицы. Эта технология позволяет изучать экспрессию сразу у тысяч и даже
десятков тысяч генов. ДНК-чипы не только могут использоваться в фундаменталь¬
ной медицине, но и открывают путь к персонифицированной медицине будущего.
16Глава I- 7 нмг1Глюконовая кислотаперекись водородаГлюкоза+0-ГлюкозооксидазаЭлектрохимическийдетекторРис. 1.2. Определение уровня глюкозы в крови благодаря сочетанию ферментативной ре¬
акции и электрохимического детектора. В результате окисления глюкозы ферментом
глюкозооксидазой (GOX) образуется перекись водорода, концентрацию которой
определяет электрохимический детектор. В принципе такой сенсор можно уменьшить
до размеров молекулы фермента (< 10 нм).Этот метод может быть значительно усовершенствован за счет применения нано¬
технологий, обеспечивающих, например, проведение реакций в микрообъеме при
использовании т.н. «лабораторий на чипе» (lab-on-a-chip). Такой подход позволит
существенно уменьшить объем образца, необходимого для исследования ДНК- и
РНК-методами. Подобное повышение чувствительности было бы особенно полез¬
но для криминалистики и ранней диагностики злокачественной трансформации.
Чрезвычайно важная область исследований - мониторинг окружающей среды и об¬
наружение боевых отравляющих веществ и биологических агентов.1.4.	Бионанотехнология: на стыке нанотехнологии и биотехнологии.Как уже говорилось, нанотехнология - сравнительно молодая научная дисци¬
плина. В следующей главе рассказывается об этой науке и ее базовых принципах.
Это, главным образом, будет интересно читателям с биологической подготовкой.
Нанотехнологию можно определить как технологию, основанную на использо¬
вании систем и устройств, размеры которых исчисляются в нанометрах (как из¬
вестно многим читателям, один нанометр равен одной тысячной микрометра или
одной миллионной доле миллиметра, что составляет 1/1 ООО ООО ООО метра). Пред¬
метом нанотехнологии являются молекулярные системы и молекулярные сборки
(такие как квантовые точки), самоорганизующиеся устройства и машины. Все эти
системы являются частью подхода, который можно условно назвать «от меньше¬
го к большему». В рамках этого подхода из нанокомпонентов путем спонтанных
процессов с участием молекулярного узнавания и самосборки создаются сложные
машины, устройства и инструменты.
Введение: нанобиотехнология и бионанотехнология17Биология и узнавание в биологических системах имеют огромное значение для
реализации принципов молекулярного узнавания и самосборки в нанотехнологии.
Биомолекулы и надмолекулярные комплексы представляют собой естественные
строительные блоки, готовые «опознающие модули» и целые системы (примером
может быть рибосома, сложная сборочная линия для белков, или молекулярные
двигатели). И даже более высоко организованные структуры, такие как вирусы
животных и растений и бактериофаги (вирусы бактерий) состоят из нанокомпо¬
нентов. Сборкой структур по принципу «от меньшего к большему» может управ¬
лять биологическое узнавание, характерное, например, для специфичных антител
(см. главу 4). Благодаря высокой специфичности и спонтанности их образования,
сборки из биомолекул могут служить «умными каркасами» (smart scaffold) для
«автоматического» монтажа сложных органических и неорганических нанома¬
шин и наноинструментов.Одно из направлений подхода «от большего к меньшему» - непрерывное улуч¬
шение процесса УФ литографии и в дальнейшем замена его более совершенны¬
ми технологиями, например электронно-лучевой литографией или литографией
на основе сфокусированных ионных пучков. К 2006 г. литографический процесс,
применяемый при изготовлении микроэлектронных компонентов, достиг разре¬
шения 90 нм за счет использования УФ лучей с длиной волны 193 нм. Показано,
что применение более коротковолновой радиации позволит увеличить разреше¬
ние до 45 нм, а замена световых лучей электронными - еще больше (до 20 нм).Нет сомнений, что, какой бы подход мы ни избрали - «от меньшего к боль¬
шему» или «от большего к меньшему», - эти методы произведут революцию в
биотехнологии. Вышеупомянутые биологические методы (и не только они) могут
быть существенно улучшены путем объединения с методами современной нано¬
технологии. Например, миниатюризация, которая позволит значительно умень¬
шить объем биологических образцов, способна упростить медицинские проце¬
дуры и облегчить жизнь пациентами. Этот путь - не единственный: возможна
сборка сложных наномашин, способных не только измерять, но и выполнять раз¬
личные действия, исходя из результатов своих измерений. На стыке биотехноло¬
гии и нанотехнологии чувствительность методов на порядки выше, чем при тра¬
диционном подходе. Возможность обнаружить первую раковую клетку сразу, как
только она образовалась, отслеживать появление в воздухе следов загрязнителей
и взрывчатых веществ произведет полный переворот в медицине, экологическом
мониторинге, защите от терроризма, химического и биологического оружия.1.5.	Надмолекулярная химия и биохимия:
теоретические основы самосборкиНадмолекулярная химия изучает структуру и функции образований, состоя¬
щих из двух и более молекул разных химических соединений с нековалентными
связями. Подобные надмолекулярные структуры представляют собой «сверхмо¬
лекулы», отличающиеся от обычных молекул, сложенных атомами с ковалент¬
ными связями. Во избежание путаницы между надмолекулярными и ковалентно-
связанныыми структурами первые обычно называют «сборками» (assemblies),
чтобы подчеркнуть нековалентную природу их структуры.Основы этой области знания были заложены лишь несколько десятилетий на¬
зад. Основателями новой науки считаются Дональд Крэм (Donald J. Cram), Жан-
Мари Лен (Jean-Marie Lehn) и Чарльз Педерсон (Charles J. Pederson). В 1987 г. они
получили Нобелевскую премию по химии за создание и использование молекул,
способных к структурно-специфичному взаимодействию с высокой селективно¬
стью. По определению Ж.-М. Лена, «надмолекулярная химия - это химия, пере¬
шагнувшая рубеж отдельной молекулы». Заметим, что термин «сверхмолекулы»
(supermolecules) был предложен еще в 30-х годах прошлого века (Pfeffer, 1927), но
точное описание сложных химических взаимодействий подобных структур было
сделано лишь несколько десятилетий спустя.Следует отметить, что этот термин подходит для обозначения многих комплек¬
сов биомолекул. Они представляют собой простые димеры (например, фактор
транскрипции Fos-Jun) либо сложные молекулярные наномашины, такие как ри¬
босомы или молекулярные двигатели. Эти живые системы - самая интересная
«игровая площадка» для надмолекулярной химии, где сложные биологические
функции выполняются структурами, состоящими из нековалентно связанных
молекул (Aizenberg et al, 2005). Поэтому самосборка и молекулярное узнавание
в бионанотехнологии и нанобиотехнологии будут центральными темами в этой
книге.Процессы образования крупных упорядоченных сборок происходят путем не¬
ковалентного связывания более простых строительных блоков по принципу «от
меньшего к большему». При использовании этого подхода из простых блоков
строятся сложные сверхмолекулы и сборки, обладающие особой морфологией,
функциями и, часто, уникальными физико-химическими свойствами.1.6.	Самосборка наноструктур: следующие этапыОбразование упорядоченных структур путем самосборки наноблоков - лишь
первый этап строительства упорядоченной молекулярной структуры. Следующие
этапы включают образование сборок, состоящих из разных компонентов, часто
встречающихся в биологических системах и молекулярных машинах, речь о кото¬
рых шла выше. Такие структуры образуются в результате комбинирования моду¬
лей узнавания (recognition modules), функционирующих благодаря комплементар¬
ное™ формы поверхностей (рис. 1.3) и химического сродства. Такие элементы,
как остатки ароматических аминокислот, сочетающие оба эти свойства, служат
блоками для создания самособирающихся систем. Основа этих взаимодействий-	пространственные ограничения наряду с химическими взаимодействиями, ве¬
дущими к изменению энтропии и энтальпии. Как уже было показано, за счет по¬
добных взаимодействий может идти самосборка высокоупорядоченных структур,
таких как пептидные нанотрубки (Reches and Gazit, 2003).
Введение: нанобиотехнология и бионанотехнология19*4•ЧРаствормономерныхмолекулСамосборка за счет
нековалентных
взаимодействийУпорядоченнаянаноструктураРазмер/нмРис. 1.3. Самосборка молекул в нековалентно связанные упорядоченные на¬
ноструктуры. В данном примере ход сборки направляется геометрией
комплементарных поверхностей мономеров, но могут иметь значение и
другие факторы, такие как химическое сродство.Как отмечается в главе 4, образование разнообразных сложных структур мо¬
жет осуществляться за счет самосборки биомолекул. Нэдриен Зееман (Nadrian
Seeman) вместе с коллегами доказал способность частично комплементарных
молекул ДНК, образующих молекулярные стыки (molecular junctions), образовы¬
вать протяженные и объемные структуры (нанопроводники и нанокубы). Другие
исследователи продемонстрировали образование путем самосборки из пептидов
различных наноструктур - трубок, сфер, пластин, пленок и гидрогелей (Ghadiri et
al., 1993, 1994; Agelli et al., 1997; Altman et al., 2000; Bong et al., 2001; Banerjee et
al., 2003; Silva etal., 2004). Уже доказано, что подобные наноструктры из пептидов
имеют высокий потенциал для применения в различных областях, например тка¬
невой инженерии и тканевой регенерации (Holmes et al., 2000; Silva et al., 2004),
делают возможным создание новых противобактериальных агентов, образующих
нанопоры (Ghadiri et al., 1994), и металлических нанопроводников (Reches and
Gazit, 2003).1.7.	Взаимопроникновение биологии и нанотехнологииКак уже говорилось, практическое использование биологических систем и дости¬
жений биотехнологии на наноуровне идет в двух главных направлениях (рис. 1.4).
20Глава 1Первое включает технологии, основанные на использовании упорядоченных
структур, образующихся из биомолекул путем самосборки. Сами по себе эти тех¬
нологии могут и не иметь отношения к биологии. В данном случае роль биологиче¬
ских компонентов заключается главным образом в их специфичности, разнообра¬
зии и способности к образованию сложнейших структур из относительно простых
строительных блоков. Это направление - применение биомолекул и достижений
биологии в нанотехнологии - мы будем называть бионанотехнологией. Этой на¬
уке в книге уделено достаточно много внимания. Так, использование биомолекул
(таких как ДНК и белки) для создания металлических наноструктур - одна из за¬
дач этой науки (Reches and Gazit, 2003; Patolsky, 2004). Подобные структуры мо¬
гут быть использованы в компьютерах и других устройствах будущего, не связан¬
ных напрямую с биологией. При этом биология может предоставить уникальные
инструменты, которые пока невозможно получить другим способом. В качестве
примера можно привести метод молекулярной литографии, когда белки размером
несколько нанометров служат защитным слоем при создании золотых проводни¬
ков на молекулах ДНК (Keren et al, 2003; см. главу 7). Среди других направле¬
ний - создание новых материалов, обладающих уникальной жесткостью, осо¬
бенными химическими свойствами поверхности и другими физико-химическими
параметрами, которые могут оказаться полезными для автомобильной и космиче¬
ской индустрии или для производства обычных потребительских товаров.Второе генеральное направление практического использования биологических
систем и достижений биотехнологии на наноуровне существенно отличается от
первого и заключается в усовершенствовании биотехнологий, таких как тканевая
инженерия или диагностика, за счет использования нанотехнологий. Применяе¬
мые для этой цели наноструктуры могут быть построены вовсе без биомолекул,
а, например, только из кремниевых («лаборатории на чипе») или углеродных на¬
ноструктур (подложки из углеродных нанотрубок для тканевой инженерии). Ис¬
пользование нанотехнологий может произвести переворот в биотехнологии, от¬
крыв возможности для ранней диагностики заболеваний, мониторинга медицин¬
ских процедур в реальном времени и выращивания тканей в пробирках.Следует отметить, что термины «нанобиотехнология» (nanobiotechnology) и
«бионанотехнология» (bionanotechnology) появились совсем недавно: первый - в
базе MedLine в 2000 году, а второй - в 2004. Первый термин встречается в четыре
раза чаще второго, но во многих случаях было бы правильнее использовать имен¬
но последний.1.8.	Сочетание бионанотехнологии и нанобиотехнологииНесмотря на различия между бионанотехнологией и нанобиотехнологией, в
будущем возможно объединение этих дисциплин. Например, биомолекулярные
структуры, образовавшиеся путем самосборки, могут служить в тканевой ин¬
женерии как трехмерные матрицы при выращивании сложных органов «в про¬
бирке». В данном случае биомолекулы выполняют ту же роль, что и вышеупо-
Введение: нанобиотехнология и бионанотехнология21Рис. 1.4. Бионанотехнология решает различные задачи, в том числе не связанные с биоло¬
гией, с помощью сборок из биомолекул. Нанобиотехнология решает биологические
задачи с помощью достижений нанотехнологии.мянутые углеродные нанотрубки. Нанокаркас из биомолекул может обладать
уникальными преимуществми - биосовместимостью и возможностью разметки
сигнальными молекулами. Пептидные нанотрубки пригодны для использования в
нанобиодиагностке для повышения чувствительности и специфичности сенсоров.
В этом случае биомолекулярные наносборки в сущности играют роль неоргани¬
ческих наноструктур. Однако у биологических нанотрубок много преимуществ
благодаря их уникальной способности быть связующим звеном с биологическими
каскадами усиления сигналов, например посредством ферментов и антител.1.9.	Нанобионика и живые системы как прототипы
нанотехнологийПоследняя дисциплина, с которой читатель познакомится в этой главе, - нано¬
биология (объединяющая бионанотехнологию и нанобиотехнологию), в которую
также входят бионика и технологии, разработанные по образцу живых систем.
Задачей бионики (этот термин произошел от слов био и электроника) является
применение биологических принципов при конструировании и производстве ма¬
шин и механизмов. Хотя сам термин «бионика» появился лишь в конце 1950-х
годов в ВВС США, принципы устройства живых систем исследовались к тому
времени уже много лет. Одним из самых ранних и важных примеров являются ис¬
следования Леонардо да Винчи в конце 15-го столетия (рис. 1.5). Его знаменитый
проект вертолета создан на результатах исследований и множества наблюдений
на полетом птиц. Другие примеры бионики в действии - форма форштевня судов,
22Глава IРис. 1.5. Эскиз летающей машины, сделанный Леонардо да Винчи в конце XV века. Работа
аппарата основана на принципе полета птиц.воспроизводящая дельфиний нос, и самоочищающиеся поверхности, прототипом
которых послужили листья лотоса. Необходимо подчеркнуть, что цель бионики -
не слепо копировать природу, а научиться понимать ее принципы и использовать
это как стимул для инноваций.Бионика в основном занимается созданием макроскопических объектов и ма¬
шин, но это не исключает работу над наномашинами. Очень вероятно, что в бли¬
жайшем будущем подходы, которые использовались для перенесения в технику
принципов устройства живого на уровне макромира, будут реализованы на уров¬
не микромира и наномира. Таким образом могут создаваться как простые струк¬
туры (например, самоочищающиеся поверхности), так и намного более сложные
(молекулярные двигатели и даже молекулярные машины).
Глава 2Краткое введение в нанотехнологиюСогласно самому общему определению, предметом нанотехнологии является
изучение и применение в технологии материалов и конструкций, размеры кото¬
рых исчисляются нанометрами. Общепринятое сокращение для нанометра - нм
(напомним, что это одна миллиардная доля метра - примерно такой размер име¬
ют простые молекулы, состоящие из нескольких атомов). Приставка нано берет
свое начало от греческого слова nanos, буквальный перевод которого - «карлик».
Обычно в нанотехнологии изучаются объекты размером менее 100 нм, но в разго¬
воре о нанобиотехнологии и бионанотехнологии мы будем обращаться к объектам
величиной 100-500 нм. Это, например, мелкие везикулы из липидного монослоя
или липосомы, используемые для транспортировки лекарств. В этой главе дается
краткий исторический очерк и обзор современных тенденций развития нанотех¬
нологии и областей ее практического применения в расчете на читателя, не имею¬
щего специальных знаний в данной области. По сути, это краткое введение, ко¬
торое позволит читателям, не имеющим специальных знаний по физике, понять,о	чем пойдет речь в следующих главах, и разобраться в основах биологических
«ответвлений» нанотехнологии - нанобиотехнологии и бионанотехнологии.2.1.	Появление нанотехнологий: здесь много места для биологии!По мнению большинства ученых, датой рождения современной нанотехноло¬
гии считается 29 декабря 1959 г. В этот день профессор Ричард Фейнман (рис.
2.1) на ежегодном собрании Американского физического общества в Калифор¬
нийском институте технологии произнес свою знаменитую речь, озаглавленную
«There's Plenty of Room at the Bottom. An Invitation to Enter a New Field of Physics»
(в переводе оно звучит примерно так: «Неизведанное в глубинах нашего мира:
приглашение в новую область физики», см. приложение А). Эта речь впервые
обрисовала методологические подходы к манипулированию молекулами. Фейн¬
ман, по-настоящему самобытный ученый и один из ведущих физиков XX века,
в 1965 г. получивший Нобелевскую премию за основополагающие работы по
квантовой электродинамике, в своей речи заявил о возможности манипулирова¬
ния отдельными молекулами и атомами. Хотя Фейнман не использовал термин
«нанотехнология» (ученый говорил «о проблеме манипулирования и управле¬
ния объектами малых размеров»), именно он впервые увидел уникальность и
громадный потенциал исследований наномира. Фейнман недвусмысленно дал
понять, что законы физики не запрещают управлять отдельными атомами. В
своей будоражащей умы речи ученый коснулся многих вопросов - от хранения
24Глава 2Рис. 2.1. Ричард П. Фейнман (1918-1988). Самобытный ученый, основатель современной
нанотехнологии. «Человек чести и обладающий выдающейся интуицией представи¬
тель своей эпохи. Его судьба - яркий пример того, что может ожидать каждого, кто
осмелится сделать шаг в сторону от накатанного пути» (д-р Джулиан Швингер). С
любезного разрешения the Nobel Foundation.данных и мощных компьютеров до испарения и смазки в чрезвычайно малых
объемах.Речь Фейнмана актуальна и сейчас, спустя полвека. Она отражает интуицию
и воображение великого ученого. Многие из высказанных в ней идей позволят
решить не только текущие, но и будущие задачи нанотехнологии.Хотя Фейнман занимался исследованиями в области современной физики, он
очень интересовался и биологическими проблемами. Он не относился свысока
к биологам, как это было характерно для физиков 50-х годов прошлого века, и
писал: «Я не знаю ни одной области знаний, которая бы развивалась так стреми¬
тельно, как современная биология». По мнению Фейнмана, дисциплина, которая
в дальнейшем будет названа нанотехнологией, многое почерпнет из биологии и
в свою очередь даст биологам новые, ничем не заменимые экспериментальные
методы.Да, для интеграции биологии в нанотехнологию могут потребоваться многие
годы, но, как еще не раз будет сказано, биология уникальна тем, что даже в про¬
стейшей бактериальной клетке можно найти множество настоящих наномашин.
Например, примитивные бактерии во множестве «изготавливают» для собствен¬
ного передвижения молекулярные моторы - прообраз сложных нанотехнологий
будущего.
Краткое введение в нанотехнологию252.2.	Появление термина и развитие понятия «нанотехнология»Собственно, авторство термина «нанотехнология» принадлежит Норио Тани-
гучи (Norio Taniguchi) из Tokyo Science University. В литературе этот термин появ¬
ляется с 1974 г. (Taniguchi, 1974). Данное Танигучи определение нанотехнологии
актуально и в XXI веке: «Основной предмет нанотехнологии - обработка (разде¬
ление, соединение, изменение формы) отдельных атомов и молекул материалов»
(Taniguchi, 1974).Нанотехнология стала крупной научной дисциплиной во многом благодаря
трудам Эрика Дрекслера (Drexler, 1981, 1986, 1992). В 1981 г. он опубликовал в
журнале Proceedings of the US National Academy of Science статью, в которой опи¬
сал применение биологических сборок из белков - как блоков в качестве функ¬
циональных наномодулей - двигателей, проводников и насосов (Drexler, 1981).
В этой статье Дрекслер изящно проводит параллели между компонентами лю¬
бой живой клетки и деталями распространенных механизмов. Опубликованная в
1986 г. книга Дрекслера «Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology»-	важная веха развития нанотехнологии и классический труд в этой области. На¬
стоятельно рекомендуется изучить эту книгу (желающие могут бесплатно скачать
ее из Интернета по адресу, указанному в списке литературы). В 1992 г. появилась
следующая книга Дрекслера «Nanosystems: Molecular Machinery; Manufacturing,
and Computation», с более специальным, но от этого не менее замечательным из¬
ложением основ нанотехнологии и описанием областей ее применения.2.3.	Манипулирование молекулами: сканирующие
зондовые микроскопыФейнман полагал, что создание инструментов все меньшего размера станет
возможным благодаря миниатюризации «обычных» инструментов. Сначала будут
созданы инструменты, которые в десятки раз меньше тех, что используются сей¬
час, они, в свою очередь, позволят сделать инструменты, которые станут в сотни
раз меньше обычных, и т.д., пока не появятся инструменты для манипулирования
отдельными атомами и молекулами.Действительно, спустя годы такие инструменты были созданы, но совсем
другим способом. Крупной вехой на этом пути стало изобретение сканирующе¬
го туннельного микроскопа, ТСМ (Scanning Tunneling Microscope, STM) Гердом
Биннингом (Gerd Binnig) и Генрихом Рёрером (Heinrich Rohrer), работавшими
в исследовательских лабораториях фирмы IBM в Цюрихе (Binning et al., 1982).
В 1986 г. они получили Нобелевскую премию за свое открытие. Спустя пять
лет был изобретен атомно-силовой микроскоп, ACM (Atomic Force Microscope,
AFM). Подобные микроскопы устроены принципиально иначе, чем световые и
электронные. В отличие от традиционных микроскопов, формирующих изобра¬
жение с помощью световых лучей или электронных пучков, преломляемых опти¬
26Глава 2ческими или электромагнитными линзами, в ТСМ и ACM поверхность образца
сканируется зондом со сверхтонким наконечником. Изображение формируется по
результатам измерения так называемого туннельного тока (в случае ТСМ) либо
непосредственно рельефа образца (в случае ACM). Общее название данной раз¬
новидности микроскопов - сканирующие зондовые микроскопы, СЗМ (scanning
probe microscope, SPM). Поверхность образца сканируется щупом или зондом,
при этом регистрируется туннельный ток (ТСМ) либо профиль рельефа образца
(ACM, рис. 2.2). Старшее поколение читателей может сравнить этот процесс с
воспроизведением звука старым патефоном, в котором алмазная игла скользит по
канавкам грампластинки.В принципе, СЗМ может достичь разрешения, позволяющего «рисовать» от¬
дельные атомы и атомную структуру металлических образцов. Как правило, ТСМ
не применяют для исследования биологических образцов, поскольку туннельные
токи возникают только в проводниках, а большинство биологических образцов по
своим свойствам - изоляторы. При использовании ACM для исследования биоло¬
гических образцов также не удается достичь «атомного» разрешения, поскольку
такие образцы слишком мягкие и при сканировании зонд просто растягивает их.
Значительно улучшить анализ биоматериала и других мягких образцов позволило
изобретение полуконтактного режима ACM (tapping-mode AFM). В этом режиме
зонд во время сканирования колеблется на резонансной частоте с заданной ам¬
плитудой. В этом режиме изображение реконструируется по данным регистрации
изменений амплитуды в зависимости от топографии сканируемой поверхности.
Надпись «1ВМ», выложенная из 35 атомов ксенона на никелевой подложке, стала
первым наглядным доказательством возможности манипулирования отдельными
атомами с помощью ТСМ (рис. 2.3; цит. по Eigler and Schweizer, 1990). Позже
были сделаны так называемые «квантовые кораллы», собранные из атомов же¬
леза, расставленных по кругу. Подобные конструкции делаются так: зонд ТСМРис. 2.2. Принцип действия ACM. Тончайший зонд перемещается по поверхности образца,
при этом меняется ход лазерного луча, отраженного от кантилевера. Эти изменения
преобразуются в трехмерную карту образца.
Краткое введение в нанотехнологию27подводится к атому настолько близко, чтобы он «зацепился» за зонд с помощью
слабых межатомных и химических сил, поле чего атом перемещается в нужное
место.Позже СЗМ использовали для сборки намного более сложных структур. Так,
Чед Миркин (Chad Mirkin) с сотрудниками создал метод нанолитографии глубоко¬
го пера (Dip-Реп Nanolithography, DPN), в которой ACM используется для внедре¬
ния в поверхность молекул, расположенных в определенном порядке (Lee et al.,
2002, 2003). ACM здесь доставляет к поверхности молекулы через естественный
мениск растворителя, образующийся на конце зонда в обычной атмосфере. Таким
образом, молекулы играют роль «чернил», а зонд ACM - «пера». Этот метод очень
удобен для выкладывания из молекул структур размером менее 100 нм.2.4.	Фуллерены: новая форма углеродаСовременная химическая промышленность во многом связана с использова¬
нием органических соединений, молекулы которых построены из структурных
блоков на основе атомов углерода. Углерод составляет почти одну пятую веса
тела человека - больше, чем любой другой элемент, за исключением кислорода.
Углерод является основным компонентом как большинства биологических суб¬
станций - белков, нуклеиновых кислот и липидов, так и многих искусственных
материалов - пластмасс, тефлона, нейлона и пр. Новые материалы, обладающие
сверхвысокой прочностью при малом весе, такие как кевлар, также создаются на
основе органических молекул (ароматических амидов). Образование фибрилл из
ароматических остатков будет описано ниже. Органическая химия - один из са¬
мых передовых разделов этой науки, а ее возможности синтезировать сложные
соединения в промышленных масштабах просто огромны.* * £
*fr Л 4У±тШV 4 1А *
Ф *Рис. 2.3. Слово «1ВМ», выложенное из 35 атомов ксенона на никелевой подложке.
С любезного разрешения д-ра Дональда Эйглера и IBM Research.
28Глава 2В природе встречается несколько аллотропных форм углерода. До 1985 г. были
известны аморфный углерод, графит и алмаз. Их исследование позволило узнать
кое-что о молекулярной структуре углерода, ведь графит - один из самых мяг¬
ких природных материалов, а алмаз - один из самых твердых. Из этого следует,
что молекулярная организация углерода оказывает огромное влияние на его ма¬
кроскопические свойства. В 1985 г. Curl, Smalley и Kroto открыли новую фор¬
му углерода, за что им в 1996 г. была присуждена Нобелевская премия по химии
(Kroto et al1985). В ходе экспериментов по испарению графита лазерным лучом
они обнаружили кластеры углерода нового вида - фуллерены, молекулы которых
напоминают ажурные сферы-многогранники с гранями пяти- и шестиугольной
формы (рис. 2.4). Наиболее распространенной и стабильной формой оказался так
называемый бакминстерфуллерен (buckminsterfullerene), названный в честь архи¬
тектора Бакминстера Фуллера (R. Buckminster Fuller) за сходство фуллеренов с его
ажурными куполами. Это молекула сферической формы из 60 атомов углерода,
напоминающая футбольный мяч, в котором шестиугольные грани чередуются с
пятиугольными. За сходство с мячом этот углеродный кластер также получил на¬
звание «бакиболл» (buckyball). Эта структура совсем не похожа на графит, пред¬
ставляющий собой плоский слой из шестиугольных звеньев. Фуллерен С60 преоб¬
ладает среди углеродных кластеров, обнаруживаемых в угольной саже. В сходных
экспериментальных условиях также были обнаружены фуллерены из 70, 76, 84,
90 и 96 атомов углерода.Размер фуллерена С60 - около 0,7 нм, он отлично проводит электричество и
тепло. Возможно также получение фуллеренов с меньшим числом атомов, напри¬
мер С50, С36 и С20. Фуллерен минимально возможного размера, построенный всего
из 12 пятиугольников, получен из бромированного углеводорода - додекаэдрана-	путем отщепления атомов брома в газовой фазе. Время жизни этой молекулы
составило всего 0,4 миллисекунды. Вероятно, в будущем удастся найти способ
стабилизации таких структур. Были обнаружены не только маленькие, но и очень
большие углеродные кластеры из сотен атомов. Их называют также «углеродными
Краткое введение в нанотехнологию29луковицами» («carbon onions»), в каждой из них 20-атомный фуллерен заключен в
сферу из 240 атомов углерода, а та, в свою очередь, находится внутри 540-атомной
сферы.Предложено множество способов применения фуллеренов. Те, что имеют от¬
ношение к биологии и биотехнологии, основаны на использовании фуллеренов в
качестве наноконтейнеров для доставки лекарств или диагностических агентов.
Показано также, что модифицированные фуллерены обладают противовирусны¬
ми свойствами. Так, измененные молекулы С60 эффективно ингибируют вирус им¬
мунодефицита человека (ВИЧ) в микромолярных концентрациях (Schinazi et al.,
1993).2.5.	Углеродные нанотрубки: главные строительные блоки
для нанотехнологий будущегоПосле открытия сферических углеродных кластеров Сумио Идзима (Sumio
Iijima) в 1991 г. открыл еще одну наноформу углерода - углеродные нанотрубки.
Однослойные углеродные нанотрубки (single-walled nanotubes - SWNT) - «вытя¬
нутая» форма вышеописанного фуллерена С60. В сущности, они очень похожи на
графитовые слои, свернутые в удлиненные цилиндры с «колпачками» на концах
либо без них (рис. 2.5).Одна из основных характеристик нанотрубок - высокий показатель соотноше¬
ния длины и диаметра (при диаметре в 1 нм нанотрубки достигают длины 1 мм).
Углеродные нанотрубки также бывают многослойными (multi-walled nanotubes-	MWNT). Они похожи на вставленные друг в друга трубы разного диаметра
(Baughman et al., 2002).Рис. 2.5. Модель образования углеродных нанотрубок из плоского слоя, похожего на
графит. На рисунке показана однослойная трубка, бывают также двух- и много¬
слойные. С любезного разрешения Криса Эвелса (www.ewels.com).
30Глава 2Углеродные нанотрубки обладают уникальными физическими свойствами (ме¬
ханическими и электрическими). По прочности на разрыв они в десять раз обго¬
няют сталь, но весят в четыре раза меньше: считается, что углеродные нанотруб¬
ки обладают самой высокой удельной прочностью среди известных материалов.
Благодаря таким свойствам нанотрубки планируется использовать при создании
сверхпрочных конструкционных материалов для строительной, автомобильной
и авиационной промышленности. Кроме того, из углеродных нанотрубок плани¬
руется делать сверхпрочные ткани, например для легких бронежилетов. Одна из
самых эксцентричных идей предполагает использование нанотрубок в сверхпроч¬
ных тросах для космического лифта.В отличие от однослойного графита, обладающего свойствами полупрово¬
дника, углеродные нанотрубки ведут себя как смесь проводящего материала и
полупроводника. Проводимость трубок зависит от угла, под которым свернут
образующий трубку углеродный слой. Проводимость и малые размеры трубок
натолкнули ученых на мысль об их использовании в качестве молекулярных
проводников при создании проводящих композитов и конструкционных мате¬
риалов и соединений. Кроме того, электрическими свойствами углеродных на¬
нотрубок можно управлять, меняя состав газовой среды, в которой они находят¬
ся. Поэтому массивы нанотрубок могут быть очень чувствительными газовыми
сенсорами.Применение нанотрубок в дальнейшем возможно в создании устройства для
запасания и преобразования энергии, дисплеев с автоэлектронной эмиссией,
источников излучения, среды для хранения водорода и нанополупроводников
(Baughman et al., 2002). Следует отметить, что в большинстве случаев использо¬
вание углеродных нанотрубок ограничено высокой стоимостью их производства.
В 2006 г. цена чистых углеродных нанотрубок исчислялась сотнями долларов за
грамм. Такая дороговизна зачастую делает применение нанотрубок нерентабель¬
ным с экономической точки зрения. Тем не менее предпринимаются большие уси¬
лия по разработке способов масштабного производства углеродных нанотрубок,
что позволит удешевить их в будущем.2.6.	Нанотрубки и фуллеренподобные кластеры из других
соединений: неорганические наноматериалыКак сказано в выше, углеродные нанотрубки образуются путем свертывания
плоских графитовых слоев в наноцилиндры. Однако хорошо известно, что спо¬
собностью к образованию плоских слоев обладает не только графит, но и неор¬
ганические материалы, такие как WS2, MoS2 и NbS2 (Tenne, 2002). Эти структуры
тоже могут сворачиваться в образования, подобные фуллеренам и нанотрубкам.В 1992 г. Решеф Тен (Reshef Tenne) с сотрудниками показал, что плоские на¬
ночастицы соединения WS2 могут образовывать замкнутые структуры (рис. 2.6),
по организации весьма напоминающие фуллерены и углеродные нанотрубки
(Margulis et al, 1993). Возникновение этой способности было приписано на-
Краткое введение в нанотехнологию31Рис. 2.6. Электронная микрофотография фуллеренподобных наночастиц MoSr С любезного
разрешения Решеф Тен.линию на периферии таких частиц атомов серы и вольфрама со свободными
валентностями, соответственно, с высокой реакционной способностью.Вслед за этим были открыты другие неорганические материалы, образующие
слои, а из них - фуллерен-подобные частицы и нанотрубки: MoS2, NiCl2, NbS2, Т120
(Tenne and Rao, 2004). На основании этих открытий был сделан вывод о том, что
способность к образованию наночастиц является общим свойством соединений,
формирующих слои, и ряда других материалов. Производство неорганических на¬
номатериалов уже достигло промышленных масштабов, и для них предложено
множество способов применения. Один из самых интересных - получение твер¬
дых смазок. Фуллеренподобные неорганические материалы прекрасно снижают
трение, что можно исспользовать для повышения срока службы двигателей и
прочих механизмов с подвижными частями. В настоящее время крупные фирмы-
производители автомобилей исследуют использование подобных наночастиц в
качестве присадок к моторным маслам. В биологии такие материалы подходят
для применения в качестве смазки для медицинских инструментов и протезов.2.7.	Квантовые точки и другие наночастицыНе менее интересны такие наносборки, как квантовые точки (quantum dots),
известные также как нанокристаллы (Empedocles and Bawendi, 1997). Эти на¬
нообъекты состоят из полупроводящего материала (CdSe, CdTe, PbS или PbSe),
окруженного оболочкой из ZnS или CdS. Размеры подобных структур варьируют
от единиц до нескольких десятков нанометров (всего в них входит несколько де¬
сятков атомов: ядро размером 10 нм сложено примерно из 50 атомов), в некоторых
случаях - больше. Квантовые точки обычно служат ловушками для электронов,
32Глава 2их вместимость зависит от диаметра структуры. Типичная квантовая точка может
удерживать от одного до нескольких тысяч электронов. В сущности, квантовая
точка ведет себя как гигантский атом. Как и в обычном атоме, энергетические
уровни в квантовых точках, удерживающих электроны, квантованы (рис. 2.7). Раз¬
ность энергий состояний такого гигантского «атома» определяет энергию фотона,
излучаемую при переходе между этими состояниями. В зависимости от перехода,
изучаются фотоны в видимой либо инфракрасной области спектра.Физические свойства квантовых точек чрезвычайно интересны, но здесь мы
обратим основное внимание на способность их к флуоресценции. Квантовая
точка может стабильно излучать яркую, длительную флуоресценцию в узком
спектральном диапазоне. Длина волны эмиссии флуоресценции зависит от физи¬
ческого диаметра квантовой точки. На рынке доступны квантовые точки, флуо¬
ресцирующие в широком диапазоне от видимой (465 нм) до инфракрасной (2300
нм) области.Рис. 2.7. Электронная микрофотография нанотрубок из WSr С любезного разрешения
Решеф Тен.2.8.	Нанопроводники, наностержни и другие наноструктурыВыше рассказывалось о формировании трубчатых и сферических нанострук¬
тур из углерода, неорганических оксидов и сульфидов. Во всех вышеописанных
случаях эти структуры образовывались путем сворачивания плоских слоев. Од¬
новременно велись исследования, выявившие массу других материалов. Метал¬
лы (золото, серебро, медь), простые (например, кремний и германий) и сложные
вещества (InP, CdS, GaAs и гетероструктуры) со свойствами полупроводников,
нитриды (GaN и Si3N4) и карбиды (SiC) способны к образованию различных на¬
ноструктур. По форме эти структуры напоминают маленькие сферы, нити, ленты
Краткое введение в нанотехнологию33и стержни. Все эти материалы, особенно те, что образуют квазиодномерные нити,
ленты и стержни, привлекают пристальное внимание ученых.2.9.	Магнитные наночастицыБольшое внимание проводящим и полупроводящим наноматериалам уделя¬
ется из-за возможности их применения в наноэлектронике. Магнитные частицы
могут использоваться в самых разных технологиях, особенно при создании запо¬
минающих устройств с высокой плотностью записи информации. Из оксидов ме¬
таллов, таких как MnO, СоО, Fe203, MnFe204 и CoFe204, были сделаны различные
нанокристаллы размером до пяти нанометров. В ходе последних исследований из
магнетита (Fe304) удалось создать кристаллическую нанотрубку длиной 30 нм
(Liu et al., 2005). Также ведутся работы по нанесению на металлические магнит¬
ные наночастицы органических покрытий. Один из примеров - создание частиц
с покрытием из липидных молекул, способных к образованию водорастворимых
магнитных наночастиц. Магнитные наночастицы очень удобно использовать в
качестве носителей для запоминающих устройств. Другая очень важная область
применения магнитных наночастиц - магнитно-резонансная визуализация (под¬
робнее о ней - в главе 6).Оболочка (ZnS)Полимерноепокрытие81РазрыхляющаяорбитальСвязывающаяорбитальЗапрещеннаяэнергетическаязонаЭнергияРис. 2.8. Строение флуоресцентных квантовых точек. Квантовая точка состоит из полупро¬
водникового ядра, окруженного оболочкой и полимерным покрытием, придающим
квантовой точке заданные свойства (например, несущим заряд или некоторую хими¬
ческую группу). Квантовая точка флуоресцирует при переходе заключенных в ней
электронов в более низкие энергетические состояния.
Глава 3Самосборка природных биологических наноструктурПроцесс самосборки имеет ключевое значение для любых биологических сис¬
тем. Все живые клетки состоят из сложных сетей, молекулярных машин и кле¬
точных структур, которые спонтанно, путем самосборки образуются из простых
строительных блоков. Это верно для любого организма, от самой примитивной
бактерии, которая строит свои наномашины всего лишь из нескольких сотен бел¬
ковых «блоков», до млекопитающих, в «молекулярном арсенале» которых - де¬
сятки тысяч разнообразных белков. Сложные молекулярные машины, такие как
рибосомы, состоят из десятков молекул белков и РНК, образующих высокоупо¬
рядоченные структуры с четким планом строения. Это один из важнейших при¬
меров иерархической самосборки наномашин из простых строительных блоков.
В этой главе рассматриваются основы процессов самосборки и самоорганизации
биологических систем на примерах надмолекулярных структур, участвующих в
функционировании организма как в норме, так и при патологии.3.1.	Процессы самосборки и самоорганизации в биологииСамоорганизация надмолекулярных сборок - один из важнейших признаков
биологических систем (Whitesides et al., 1991; Lehn, 2002). В отличие от механиз¬
мов, созданных человеком, сложные трехмерные системы в живых организмах
образуются путем спонтанной сборки простых строительных блоков (рис. 3.1).
Таким образом, принцип «от малого к большому», который выше назван основ¬
ным принципом нанотехнологии будущего, стал естественным выбором всех жи¬
вых организмов. Альтернативный же подход «от большого к малому» удобен для
традиционных микротехнологий. В большинстве случаев сборка сложных био¬
систем идет не по готовым «чертежам», как в технике, а направляется процессами
молекулярного узнавания и самосборки. В ходе этих процессов «плавающие» в
растворе относительно простые строительные блоки узнают друг друга, связыва¬
ются между собой и с другими молекулами, образуя высокоупорядоченную трех¬
мерную структуру, способную выполнять определенные функции (рис. 3.1).3.2.	Организация бактериальных S-слоевОдно из фундаментальных свойств неорганических наноматериалов (см. гла¬
ву 2) - самоорганизация в высокоупорядоченную кристаллическую или близ¬
кую к ней одно-, двух- или трехмерную структуру. Подобные свойства можно
Самосборка природных биологических наноструктур35От большого к маломуЛитография@2® (й><СамосборкаОт малого к большомуРис. 3.1. Иерархический процесс самосборки сложных структур. Образование упорядо¬
ченных наносборок из молекул идет по принципу «от малого к большому» либо с
использованием готовой молекулярной матрицы.наблюдать и у биоматериалов из живых систем. Как будет показано ниже, био¬
логические сборки из таких материалов уже применяются в технике.Ярким примером могут служить двухмерные бактериальные S-слои, об ис¬
пользовании которых в нанотехнологии говорится уже много лет. Первым струк¬
туру, организацию и технологическое применение таких сборок исследовал Уве
Слейтр (Uwe В. Sleytr) с коллегами (Sleytr et al., 2005). S-слои - поверхностные^
структуры бактериальной клетки, обнаруженные у сотен видов бактерий, обла¬
дающих клеточной стенкой (рис. 3.2), и у всех архебактерий. Возможно, читателю
известно, что архебактерии - это уникальная группа прокариот, включающая экс¬
тремальных термофилов и галлофилов (DeLong and Расе, 2001). Эта весьма инте¬
ресная группа филогенетически обособлена от бактерий и обладает некоторыми
чертами сходства с эукариотами, особенно в отношении механизмов транскрип¬
ции и трансляции. Многие архебактерии - экстремофилы (т.е. организмы, суще¬
ствующие только в экстремальных условиях среды). В этой группе есть галофилы-	солелюбивые организмы, способные жить в солевых растворах с молярностью
больше единицы (например, в водах Мертвого моря), и термофилы - организмы,
обитающие при высокой температуре (например, способные жить при темпера¬
туре свыше 100 °С). Механизмы адаптации архебактерий и некоторых бактерий к
таким экстремальным условиям можно было бы использовать для создания ста¬
бильных наноустройств, способных работать долгое время (низкая стабильность
биомолекул - один из факторов, ограничивающих их использование).
36	Глава 3Рис. 3.2. Структура S-слоя. Микрофотография получена путем замораживания-травления
с контрастированием металлом бактериальных клеток, обладающих S-слоями с
шестигранным ячейками. Длина масштабного отрезка - 100 нм. С любезного раз¬
решения Uwe Sleytr.За миллиарды лет эволюции сборка S-слоев стала столь совершенной, что
не имеет себе равных по упорядоченности и эффективности самосборки среди
биологических систем. Эти плоские слои образуются из одного вида белков или
гликобелков, молекулы которых собираются в единый слой, покрывающий по¬
верхность клетки. Слой имеет симметричную ячеистую структуру с расстоянием
между узлами от 3 до 30 нм. Толщина S-слоев варьирует от 5 до 15 нм, слои про¬
низаны порами диаметром 2-6 нм. Об использовании этих наноструктур в нано¬
технологии рассказывается в главе 7.3.3.	Самоорганизация вирусовДругим примером хорошо изученного процесса самосборки биологических
структур, обладающих потенциалом для использования в нанотехнологии, может
служить спонтанная сборка вирусных капсидов на матрицах. Вирусы и бактерио¬
фаги весьма распространены в природе и представляют собой простейшие ав¬
тономные биосистемы. Хотя вирусы не могут размножаться вне клетки хозяина,
они все же являются независимыми системами, поскольку обладают собственным
генетическим материалом, заключенным в оболочку. Наличие изолированного от
внешнего мира компартмента с генетическим материалом критически важно для
самовоспроизведения биологических систем. Это фундаментальный признак, от¬
личающий сборку из молекул от живой системы. Как будет показано ниже, эту
функцию в живых организмах обычно выполняют липидные мембраны.
Самосборка природных биологических наноструктур37Интенсивнее других изучался вирус мозаики табака (ВТМ; рис. 3.3). Именно он
стал первой молекулярной структурой, самосборка которой была продемонстри¬
рована in vitro в 1957 г. В свой классической работе Френкель-Конрат и Вильямс
(Fraenkel-Conrat et al, 1957) показали спонтанное образование вирусных частиц
при инкубации очищенных белков оболочки и РНК вируса. В этом случае, как и
при самосборке рибосом (см. ниже), благодаря специфическому взаимодействию
РНК и белков, происходит образование высокоупорядоченных трехмерных струк¬
тур. Из этого наблюдения следует, что вся информация о молекулах, необходимая
для сборки вируса, содержится в его строительных блоках. Далее эта структура
образуется спонтанно, без подвода энергии извне, например в виде богатых энер¬
гией нуклеотидов (таких как АТФ). Это обстоятельство недвусмысленно свиде¬
тельствует о том, что образующаяся в результате самосборки структура является
надмолекулярной структурой с минимальной свободной энергией (это верно и
для других структур, образующихся путем самосборки, см. ниже).Первые исследования структуры ВТМ были выполнены в 1950-х годах с ис¬
пользованием электронной микроскопии - тогда это был новый метод, вызвавший
переворот во многих областях биологии. Оказалось, что вирусные частицы по¬
хожи на ровные полые стержни длиной около 300 нм, с внутренним диаметром-	4, а внешним - 18 нм. Каждая вирусная частица включает более 2000 белковых
субъединиц, расположенных по правозакрученной спирали, внутри которой на¬
ходится молекула вирусной РНК. Процесс самосборки ВТМ начинается со связы¬
вания белковых субъединиц - двухслойных дисков, с определенным местом или
сайтом каркаса, роль которого играет вирусная РНК. После связывания с РНК
конфигурация белковых молекул изменяется, в результате образуется спиральный
нуклеопротеиновый комплекс.Как и S-слои, наночастицы ВТМ - очень интересный для бионанотехнологии
пример, поскольку по своей пространственной организации он очень похож на на-БелковыестроительныеблокиМолекула РНК18 нмОооо оСамосборкамолекулРис. 3.3. Образование упорядоченных частиц ВТМ путем самосборки белковых блоков на
матрице РНК. Последняя определяет организацию белковых молекул, составляющих
упорядоченную наноструктуру вирусной оболочки.
38Глава 3ноструктуры, образующиеся из неорганических соединений и углерода. Однако,
в отличие от большинства наноструктур из чистого углерода и неорганических
материалов, вирусные наночастицы образуются спонтанно, путем самосборки в
мягких условиях. Некоторым исследователям удалось металлизировать частицы
ВТМ путем химического восстановления (Kenz et al., 2003, 2004), и использо¬
вание в будущем генномодифицированных форм ВТМ, содержащих измененные
белки, для решения различных задач нанотехнологии кажется вполне реальным.
Другая распространенная форма упорядоченных вирусных сборок - многогран¬
ник, сложенный из плоских субъединиц. Один из вариантов такой структуры -
капсид в форме икосаэдра, Платонова тела, собранного из идентичных блоков
(рис. 3.4). Подобные капсиды (пример - капсидов бактериофага срХ174) сложены
из треугольных блоков, каждый из которых образован тремя идентичными бел¬
ковыми субъединицами. Таким образом, для сборки целого капсида требуется 60
белковых субъединиц. Обратите внимание на сходство икосаэдрального капсида с
треугольными гранями и «квазиикосаэдра» фуллерена С60, грани которого имеют
пяти- и шестиугольную форму.3.4.	Самоорганизация фосфолипидных мембранВажнейшим для любого живого организма процессом является спонтанное об¬
разование липидных бислоев из строительных блоков - молекул фосфолипидов
(рис. 3.5). Подобно образованию фуллеренов из углерода и неорганических соеди¬
нений, двуслойные биологические мембраны могут образовывать замкнутые объ¬
емные структуры сферической формы. Основной движущей силой образования
липидных мембран являются гидрофобные взаимодействия.Фосфолипидные строительные блоки представляют сбой амфифильные моле¬
кулы, состоящие из гидрофильной головки, в роли которой выступает фосфатная
группа, и гидрофобного хвоста - алифатической цепи. При переносе в водныйБелковыестроительныеблокиРис. 3.4. Образование вирусного каписда в виде икосаэдра путем самосборки треугольных
блоков, формирующихся из белковых субъединиц.
Самосборка природных биологических наноструктур39ОГидрофильнаяГидрофобный
- хвостФосфолипидный
строительный блокСамосборка
в водном
раствореРис. 3.5. Образование мембран липосом путем самосборки фосфолипидов в водном рас¬
творе. Движущей силой образования таких структур является амфифильная природа
фосфолипидных молекул.раствор молекулы фосфолипидов подвергаются быстрой спонтанной ассоциации,
поскольку контакт алифатических хвостов с водой очень дорого обходится в энер¬
гетическом смысле. В результате образуются фосфолипидные бислои, в которых
алифатические хвосты молекул направлены внутрь слоя и контактируют друг с
другом, а гидрофильные головки оказываются на поверхности слоев и снаружи
контактируют с водой, окружающей замкнутую фосфолипидную структуру, а
внутри - с водой, расположенной в этой структуре.Сходство таких структур со структурами, описанными в главе 2, не исчерпыва¬
ется замкнутой организацией. Высушивание раствора фосфолипидов в неполяр¬
ном органическом растворителе с последующим растворением в воде приводит
к образованию структур, похожих на луковицы, - крупных многослойных вези¬
кул (larger multilammelar vesicle, LMV) размером несколько микрон. Однако та¬
кие многослойные биологические структуры путем обработки ультразвуком или
экструзии легко превратить в малые однослойные везикулы (small unilammelar
vesicles, SUV), образованные единственным бислоем. Размер таких структур ко¬
леблется от 50 до нескольких сотен нм. Подобно другим материалам, существую¬
щим в виде слоев, фосфолипиды способны к образованию наноструктур иного
вида, среди которых чаще всего встречается так называемая гексагональная фаза.
В определенных условиях фосфолипиды могут образовывать и трубчатые струк¬
туры, похожие на описанные в главе 2 нанотрубки (рис. 3.6). Ультраструктурный
анализ липидных нанотрубок (Yager et al, 1984; Yamada et al, 1984; Nakashima
et al, 1995) подтверждает их сходство с углеродными и прочими нанотрбками
(см. главу 2). Это полые структуры диаметром меньше микрона, сборка которых
происходит по тем же принципам, что и образование бислоев: спонтанное об¬
разование объемной упорядоченной структуры с меньшей свободной энергией
из плоского бислоя. Тип объемной структуры (сфера или трубка) определяется
40Глава 3Рис. 3.6. Самосборка липидных нанотрубок из глюкопиранозиламидных липидов. Процесс
идет с участием сил, показанных на рис. 3.6, но форма образующихся структур за¬
висит от свойств гидрофильной головки липидных молекул. Воспроизводится из
Kamiya et al., (2005) с любезного разрешения Mitsutoshi Masuda и American Chemical
Society (ACS).геометрией молекулярных блоков и условиями, в которых происходит сборка. За¬
метим, что такие свойства (способность к образованию сферических либо труб¬
чатых наноструктур) характерны для углерода и неорганических наноматриалов
(см. главу 2), описанных выше липидов и пептидов из ароматических аминокис¬
лот, о которых рассказывается в главе 4.Мелкие липидные везикулы или липосомы - еще один тип хорошо изученных
наночастиц. Еще до того, как нанотехнология вошла в моду, липосомы часто ис¬
пользовались в исследованиях как средство доставки лекарств. Один из самых
ярких примеров использования липосом для этой цели - препарат DOXIL, пред¬
ставляющий собой противораковое соединение доксорубицин, «упакованный» в
липосомы. Инъекции этого препарата позволяют успешно бороться с рядом форм
рака, и при введении в форме липосом он действует эффективнее и дает меньше
побочных эффектов, чем при использовании обычного раствора.Отдельный интерес вызывают исследования SUV-липосом, несущих на по¬
верхности особые молекулы в качестве средств адресной доставки лекарств. Для
этого в поверхность везикулы с лекарствами для химиотерапии встраивают «си¬
стему наведения», например рецептор, имеющий сродство к раковым клетками.
Такое лечение должно быть более эффективным и вызывать намного меньше по¬
бочных эффектов. Интересно, что липосомы уже используются в косметической
индустрии. Как утверждают производители, они обеспечивают проникновение
витамина Е и других антиоксидантов во внутренние слои кожи.3.5.	Нитчатые элементы цитоскелетаЕще один тип упорядоченных биологических наносборок - строительные бло¬
ки цитоскелета, сложной сети белковых филаментов, пронизывающих цитоплаз¬
му и обеспечивающих механическую опору для клетки, внутриклеточную связь
Самосборка природных биологических наноструктур41и транспорт. Основные нитчатые элементы цитоскелета - актиновые филаменты,
микротрубочки и промежуточные филаменты - представляют собой нитевидные
наноэлементы. Благодаря цитоскелету, клетки могут принимать самые разные
формы, а также совершать координированные и направленные движения. Механи¬
ческая жесткость наноэлементов цитоскелета была определена методом ACM (de
Pablo et al., 2003). Изменения сил деформации показали, что жесткость (значение
модуля Юнга - названной в чести английского физика Томаса Юнга величины,
характеризующей сопротивление материала физической деформации) липидных
нанотрубок велика по сравнению с другими упорядоченными наноструктурами.Актиновые филаменты (микрофиламенты) встречаются во всех эукариотных
клетках. Структура строительных блоков этих филаментов - молекул белка ак¬
тина - почти не изменилась в ходе эволюции. Обнаруженные в бактериях более
древние аналоги актина, белки FtsZ, также выполняют структурную функцию. По
структуре эти белки представляют собой двухцепочечный полимер, закрученный
в спираль диаметром около 7 нм (рис. 3.7). Эти структуры, обладающие значи¬
тельной гибкостью, собраны в пучки различной толщины. Актиновые филаменты-	основной компонент тонких нитей скелетных мышц, они также играют ключе¬
вую роль в обеспечении подвижности клетки.Микротрубочки имеют вид полых цилиндров (внешний диаметр - около 25
нм), образуются путем полимеризации строительных блоков, которыми являются
молекулы белка тубулина (рис. 3.7). Микротрубочки намного жестче актиновых
филаментов. Сеть микротрубочек прикреплена к расположенной в центре клетки
структуре под названием центросома. Двигательные белки, такие как кинезин и
динеины, транспортируют по клетке самые разные «грузы», перемещаются вдоль
микротрубочек. Кинезин перемещается только от центросомы, а динеины - на¬
против, только в направлении центросомы.Промежуточные филаменты напоминают растянутые по клетке «тросы» диа¬
метром примерно 10 нм. Они получили свое название за размер, который больше,Актиновый 0
филамент л-7 нмо®Микротрубочка Qg)о§>а • с *с *с «с *о«с*с*з«
)*с*о*с*с*с«о«со*^25 нмРис. 3.7. Крупные наносборки, составляющие цитоскелет. Двухцепочечные актиновые спи¬
рали образуются путем самосборки мономерного актина. Микротрубочки спонтанно
собираются из димеров тубулина.
42Глава 3чем у актиновых филаментов, но меньше, чем у микротрубочек. В отличие от ак-
тиновых филаментов и микротрубочек, собранных из строительных блоков одного
вида (соответственно актина и тубулина), промежуточные филаменты образованы
разными белками из довольно «обширного и неоднородного» семейства. Фила¬
менты этого типа выполняют разные функции: обеспечивают опору для клетки и
образуют сеть вокруг ядерной мембраны.Составляющие цитоскелет полимеры уже используются в нанотехнологии.
К актиновым филаментам удалось ковалентно «пришить» наночастицы серебра
(Patolsky et al., 2004). Далее модифицированные филаменты «разобрали», удали¬
ли излишки серебра и снова собрали, добавив «чистые» мономеры. В результате
были получены филаменты, состоящие из «чистых» и меченных серебром мо¬
номеров. После этого на филаменты каталитическим методом нанесли золотое
покрытие, используя частицы серебра как центры кристаллизации. В результате
получились золотые проводники длиной 1—4 мкм и толщиной 80-200 нм, обла¬
дающие очень хорошей электропроводностью (Patolsky et al., 2004). Также было
показано, что актиновые филаменты с золотым нанопокрытием способны пере¬
мещаться относительно миозина с использованием энергии АТФ (Patolsky et al.,2004). Это очень наглядные примеры использования биологических структур в
качестве наноматриц для неорганических материалов.3.6.	Нуклеиновые кислоты: носители генетической информации
и матрицы для нанотехнологийБольшинству читателей знакома двойная спираль ДНК (дезоксирибонуклеи¬
новая кислота). Открывшие ее в 1953 г. Уотсон и Крик получили в 1962 г. Нобе¬
левскую премию. Долгое время это соединение не считали типичным нанома¬
териалом, но спиральная молекула ДНК представляет собой характерную упо¬
рядоченную наноструктуру. Ее диаметр составляет около 2 нм, длинна варьирует
от нескольких нм до многих микрон (длина каждой пары оснований - 0,34 нм).
Двойная спираль ДНК формируется спонтанно путем самосборки комплемен¬
тарных цепей, в которых цитозин (Ц) из одной цепи взаимодействует с гуани¬
ном (Г) из другой цепи, а тимин (Т) «находит» в противоположной цепи аденин(А). Общая структура стабилизируется взаимодействием ароматических колец
азотистых оснований, подобное наблюдается и в других наноструктурах, речь о
которых пойдет ниже.Молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты) также образуют сложные нано¬
структуры. В отличие от ДНК, эти структуры - одноцепочечные, а их образование
направляется внутримолекулярными (а не межмолекулярными) взаимодействия¬
ми. В результате образуются сложные трехмерные структуры, такие как транс¬
портная РНК (тРНК) и компоненты наномашин - рибосом.Большинство первых работ по применению ДНК в качестве строительного
материала для наноструктур выполнил Нэдриен Зееман из Нью-Йоркского уни¬
верситета (Seeman, 2005). Он получил комплементарные спирали ДНК, способ¬
Самосборка природных биологических наноструктур43ные формировать сложные двухмерные структуры и даже нанокубы (подробнее
об этом - в главе 6). Похоже, что ДНК - очень привлекательный материал для
нанотехнологий, поскольку ее молекулы достаточно термостабильны по сравне¬
нию с белками. Кроме того, благодаря революционному прорыву в генетической
инженерии стал возможен грандиозный прогресс и в области химии ДНК. Теперь
можно сравнительно дешево синтезировать большие количества очень крупных
олигомеров ДНК и подвергать их химической модификации.Другая важная работа, в которой использовалась ДНК как наноматериал, - соз¬
дание металлических нанопроводников на матрице ДНК (Braun et al., 1998). Под¬
робно об этом рассказывается в главе 6, но суть работы - в покрытии молекул
ДНК серебром для получения нанопроводников. Следующий шаг в работе той
же группы исследователей - разработка белковой литографии на ДНК-матрицах
(Keren et al, 2002). Здесь ДНК-связывающий белок, RecA, используется для защи¬
ты определенных участков молекулы ДНК от нанесения металлического покры¬
тия. Таким образом, можно кодировать участки ДНК, подлежащие химической
модификации, определенной последовательностью нуклеотидов. В принципе, ис¬
пользуя сайты, которые точно опознаются белковыми молекулами, можно очень
точно «разметить» участки ДНК для нанесения металлического покрытия.Короткие олигонуклеотиды могут выполнять в организме структурную и ряд
других функций. Так, показано, что небольшие молекулы РНК, известные как
рибозимы, могут обладать разнообразной ферментативной активностью, которая
наблюдается, например, у некоторых РНК-компонентов рибосом. Позже это свой¬
ство было открыто у множества малых молекул РНК и ДНК. Также было пока¬
зано, что некоторые олигомеры нуклеиновых кислот (аптамеры) специфически
связывают различные лиганды.3.7.	Олигосахариды и полисахариды:
еще один класс биополимеровОлиго- и полисахариды - это полимеры, состоящие из молекул сахаров, соеди¬
ненных гликозидными связями. Эти связи образуются при реакции альдегидной
или кетогруппы одной молекулы с гидроксильной группой другой молекулы са¬
хара. Небольшие полимерные молекулы сахаров с линейной либо разветвленной
структурой называются олихосахаридами. Так, гликоген - этот длинный олигомер,
образованный из глюкозных мономеров, собранных в крупную разветвленную
молекулу. Большинство полисахаридов, построенных из одинаковых мономеров,
выполняют функции запасания энергии. Сложные полисахариды, такие как пеп-
тидогликан - комплекс сахаридов, связанных с белковой матрицей, - служат ме¬
ханическим нанокаркасом для бактериальных клеток. Различные олигосахариды
также играют роль в молекулярном узнавании компонентами иммунной системы
различных бактерий и выработке антител, специфичных к этим полисахаридным
структурам. Возможности применения олигосахаридов в нанотехнологиях еще не
исследованы, но в будущем это направление может оказаться очень важным.
3.8.	Амилоидные фибриллы - биологические наноструктуры,
образующиеся путем самосборкиКак сказано в этой главе, большинство молекулярных структур, функциониру¬
ющих в живых организмах в норме, образуется путем самосборки. Другой класс
структур, образующихся тем же путем, приводит к развитию патологий.Амилоидные сборки - это нанофибрилы, обычно возникающие при ряде за¬
болеваний различной этиологии. В качестве примера можно привести болезнь
Альцгеймера, диабет II типа, вторичный амилоидоз, а также прионные заболе¬
вания, такие как губчатая энцефалопатия, или «коровье бешенство». В зависи¬
мости от заболевания, амилоидные сборки обнаруживаются в различных орга¬
нах и тканях (например, в мозгу при болезни Альцгеймера и в поджелудочной
железе при диабете II типа).Ультраструктурный анализ амилоидных сборок с помощью электронной ми¬
кроскопии (ЭМ) и атомной силовой микроскопии (ACM) показал, что эти образо¬
вания достигают 7-10 нм в диаметре и длины несколько микрон. Эти фибриллы,
обладающие высокоупорядоченной структурой, имеют вид волокон с четко вы¬
раженной меридиональной картиной дифракции рентгеновских лучей (размер -
4,6-4,8 А). Их каноническая вторичная структура - вытянутый P-слой, диаметр
-7-10 нм, после окрашивания Конго красным наблюдается сильное двойное лу¬
чепреломление. Регулярная структура фибрилл, выявляемая вдоль длинной оси, в
сочетании с классическими механизмами кристаллизации и роста позволило на¬
звать процесс образования амилоидных фибрилл «одномерной кристаллизацией»
(Jarrett and Lansbury, 1992).Раньше амилоидным наносборкам приписывали исключительно патологичес¬
кую роль, но последние исследования четко показали, что эти структуры могут
выполнять важные физиологические функции. Первые указания на возможную
физиологическую роль амилоидных фибрилл были получены при исследовании
образования биопленок бактерией Escherichia coli. Оказалось, что этому процес¬
су способствует самосборка мажорного белка CsgA в типичные амилоидные фи¬
бриллы (Chapman et al., 2002). Это открытие стало важной вехой в развитии пред¬
ставлений об амилоидных фибриллах как участницах нормальных физиологиче¬
ских, а не только патологических процессов. Дальнейшие исследования выявили
роль амилоидных структур в образовании воздушных гиф бактерии Streptomyces
coelicolor (Elliot et al., 2003). Также показано, что возникающие путем самосборки
амилоидные структуры участвуют в образовании дрожжевого приона (King et al.,
1997), возможно, сыгравшего важную роль в эволюции дрожжевых грибов (True
etal, 2004).Уже доказано, что амилоидные фибриллы могут служить строительными бло¬
ками для наноэлектроники - на примере модифицированного белка дрожжевого
приона, использованного в качестве матрицы для выращивания нанопроводников.
При этом наночастицы золота, связанные с белковой молекулой посредством ци-
стеиновых остатков, добавленных методами генной инженерии, доращивались до
Самосборка природных биологических наноструктур45непрерывных нанопроводников (Scheibel et al, 2003; см. также главу 6). Принци¬
пы узнавания в самосборке амилоидных фибрилл, а именно взаимодействие типа
«ключ-замок» на основе ароматических группировок, позже были использованы
для проектирования и изготовления нанотрубок и наносфер.3.9.	Паутина и шелк - природные надмолекулярные сборки
из фибриллярных белковПаутина и шелк - природные надмолекулярные структуры нитчатой формы,
близкие к амилоидным фибриллам. Эти фибриллы сложены главным образом из
двух видов белковых молекул, связывающихся в микроскопические нити за счет
точного молекулярного узнавания и самосборки (Kubic, 2002; Jin and Kaplan,
2003). Замечательное свойство шелковых нитей - выдающаяся прочность и гиб¬
кость. Хотя такие нити являются нековалентно связанными надмолекулярными
структурами, паутина намного прочнее и более гибкая, чем равная по толщине
стальная нить. Столь необычные механические свойства обеспечивают функ¬
циональность и прочность паутины и шелковых коконов. Это яркий пример
уникальных свойств надмолекулярных биоматериалов, демонстрирующий их
превосходство над традиционными неорганическими и органическими мате¬
риалами.3.10.	Рибосома - конвейер для сборки белковПока в этой главе приводились примеры образования сборок, выполняющих
структурную функцию либо участвующих в переносе генетической информации.
Но самосборка может давать и настоящие молекулярные машины. Самой слож¬
ной биологической наномашиной, структура которой описана с разрешением на
уровне отдельных атомов, является рибосома - гибридный механизм из РНК и
белков, производящий новые белки. Рибосома, следуя программе, записанной в
матричной РНК (мРНК), собирает различные белки в ходе процесса под назва¬
нием трансляция. Для записи информации о структуре белка используются коды
из четырех букв - А, Ц, Г и Т. Каждый из этих кодов включает по три буквы, эти
тройки называются триплетами или кодонами. Вырожденный избыточный код из
64 трехбуквенных комбинаций кодирует 20 аминокислот, он также включает три
стоп-кодона, которые служат сигналом к остановке трансляции. Молекула мРНК
также содержит область с информацией, необходимой для инициации синтеза
белка.Рибосома - очень сложный формирующийся путем самосборки комплекс диа¬
метром примерно 200 нм. Рибосома состоит из двух субъединиц, каждая из них
содержит одну или две очень крупные молекулы РНК (называемые рибосомаль-
ными РНК, или рРНК). Типичная бактериальная рибосома состоит из 55 различ¬
ных белков и трех молекул РНК. Этот сложный комплекс образуется путем спон-
46Глава 3тайной самосборки. На самом деле, смешав очищенные компоненты рибосом в
пробирке, можно получить работоспособную рибосому. Самосборка рибосомы
происходит поэтапно и координированно. Первые белки специфическим образом
связываются с крупной молекулой РНК, что делает возможным связывание сле¬
дующих белков, и т.д., пока не получится работоспособная рибосома с типичной
структурой. Некоторые аспекты этого процесса напоминают самосборку намного
более простого ВТМ (см. главу 3). Как и в случае ВТМ, некоторые молекулы, а
именно РНК, служат матрицей для координированной спонтанной самосборки,
также приводящей к образованию структуры с наименьшей свободной энергией,
но значительно превышающей ВТМ по сложности.3.11.	Сложные машины для реализации генетического кодаКак сказано выше, главная машина для синтеза белка хорошо изучена. До¬
вольно много известно и о процессах передачи и копирования генетической ин¬
формации, которые также выполняются весьма сложными комплексами. Разные
молекулярные машины отвечают за копирование биологических носителей ин¬
формации - молекул ДНК - и переписывание их в мРНК - форму, пригодную для
ввода информации в рибосомы. Клеточные белки, называемые факторами транс¬
крипции, включают и выключают реализацию этой информации в зависимости от
внешних условий либо (в случае многоклеточного организма) стадии дифферен¬
циации клетки. Другие машины клетки поддерживают целостность ДНК, выявляя
и исправляя ошибки. Они, например, отвечают за репарацию повреждений ДНК,
вызванных радиацией. При неполадках в работе этих механизмов резко возрас¬
тает вероятность онкологических заболеваний.3.12.	Протеосома - система контроля качества белковВажно отметить, что в живой клетке имеет место не только биосинтез белка.
Белки, синтезированные на рибосомах в процессе реализации генетической ин¬
формации, находятся в динамическом биохимическом равновесии. В клетке име¬
ются машины для разборки белков на составляющие их аминокислотные блоки.
Время полураспада типичного белка варьирует от нескольких минут до несколь¬
ких суток. Деградация белков - координированный процесс, который выполняют
в клетке сложные молекулярные машины, открытые Hersko, Ciechanover и Rose.Белки, предназначенные для разборки, помечаются особой меткой, в роли ко¬
торой выступает белок убиквитин. Помеченные или, как говорят, убиквитиниро-
ванные, белки подвергаются разборке с участием сложных молекулярных ком¬
плексов - протеосом. Протеосома - это наномашина в форме вытянутого цилин¬
дра диаметром около 10 и длиной несколько десятков нм. Протеосомы разбирают
комплексы белковых молекул с убиквитином с использованием энергии АТФ на
отдельные аминокислоты.
Самосборка природных биологических наноструктур473.13.	Биологические нанодвигатели: кинезин и динеинЖивые организмы могут создавать нанодвигатели, которые на несколько по¬
рядков меньше самых маленьких моторов, созданных человеком. В главе 3 описы¬
вается два типа биологических двигателей - кинезин и динеин, называемые также
белками, связанными с микротрубочками (Microtubule Associated Proteins, MAP).
Эти биодвигатели транспортируют грузы - органеллы, везикулы и другие компо¬
ненты цитоскелета (Marx et al., 2005), двигаясь вдоль микротрубочек, как поезда
по рельсам. Кинезины влекут грузы от центросомы (это так называемый антеро-
градный транспорт), а динеины - к центросоме (ретроградный транспорт).Энергию, необходимую для перемещения белковых двигателей вдоль микро¬
трубочек, предоставляют молекулы АТФ. Кинезиновый мотор намного меньше и
проще динеинового: молекулярный вес кинезина и динеина - 380 ООО и больше1	ООО ООО соответственно, поэтому кинезиновый комплекс интенсивно изучался.
Молекула кинезина содержит три домена: два крупных головных домена глобу¬
лярной формы, связывающих АТФ и обеспечивающих движение, и длинный би-
спиральный хвостовой домен, соединяющий головные домены и связывающий
груз. Эксперименты с очищенным кинезином и микротрубочками позволили рас¬
шифровать молекулярные механизмы движения. Оказалось, что этот мотор пере¬
мещается шагами по 8 нм и обладает тягой около 6 пиконьютон (пн, 10'12 нью¬
тон).3.14.	Другие нанодвигатели: жгутики и ресничкиДругая форма механического движения живых систем основана на движении
ресничек и жгутиков. Подобные «водные двигатели» характерны для бактерий,
простейших и сперматозоидов. Движение эукариотических организмов с помо¬
щью ресничек обеспечивают те же молекулярные механизмы, что приводят в дви¬
жение динеиновый двигатель. Это наноустройство, преобразующее химическую
энергию в механическую, необходимую для движения разных элементов.Еще один тип биологического наномотора - FO-АТФаза. Он встречается у бак¬
терий и в митохондриях - энергетических станциях эукариотной клетки, ведущих
свое начало от прокариот. В митохондриях этот белковый комплекс используется
для синтеза АТФ. Движение мотора за счет протондвижущей силы приводит к
синтезу АТФ. У бактерий точно такой же двигатель «крутится» в обратную сторо¬
ну, сообщая бактериальной клетке движение за счет энергии гидролиза АТФ.3.15.	Ионные каналы: селективные нанопорыДругой тип наносборок с особыми функциями - трансмембранные ионные ка¬
налы, уже упоминавшиеся в этой главе. Белки этого класса в результате самосбор¬
48Глава 3ки образуют внедренные в мембрану селективные фильтры, пропускающие одни
ионы и задерживающие другие. Наиболее распространены натриевые, калиевые
и кальциевые каналы. Эти каналы играют ключевую роль в электрофизиоло-
гических процессах, обеспечивающих управление мышцами со стороны цен¬
тральной нервной системы.Современные представления о структурных основах высокой селективности
ионных наноканалов сформировались под влиянием работ Родерика Маккинона
(Roderick MacKinnon). Он первый кристаллизовал белок ионного канала и опре¬
делил его структуру с высоким разрешением (Morais-Cabral et al, 1998), за что
получил в 2003 г. Нобелевскую премию по медицине. Позже была определена
структура ряда других ионных каналов. Данные о структуре, биохимии и био¬
физике каналов будут использованы при проектировании селективных нанофиль¬
тров в будущем.Молекулярные сборки, выполняющие функции каналов, очень широко распро¬
странены в природе и встречаются во всех организмах. У высших организмов
имеется несколько форм каналов каждого типа, управляемых разными сигнала¬
ми - физическими (каналы, управляемые напряжением) и химическими (каналы,
управляемые лигандами). Это реальные примеры прецизионных наноклапанов,
открывающихся и закрывающихся под действием внешнего управляющего сигна¬
ла. Замечательные свойства этих каналов стимулировали попытки использования
в нанодетекторах и наносенсорах природных каналов, а также разработку искус¬
ственных наноканалов.Образование пор в клеточной мембране происходит в результате действия ток¬
синов, вырабатываемых некоторыми организмами (Parker and Feil, 2005). Такие
токсины внедряются в липидную мембрану и образуют в ней сквозные поры. В
результате возникает неконтролируемый ток ионов через мембрану, который при¬
водит к расстройству функций и часто к гибели клетки. Такие токсины, вызы¬
вающие образование нанопор, уже используются в нанотехнологии (Meller et al.,2005). Например, а-гемолизин, образующий поры диаметром 2 нм, используется
для транспорта через мембраны нуклеиновых кислот. Создав трансмембранный
потенциал, удается перемещать через мембрану даже крупные молекулы ДНК и
РНК. Предполагается, что мониторинг изменений трансмембранного тока, сопро¬
вождающих перемещение олигонуклеотидов через поры, ляжет в основу метода
для быстрого секвенирования ДНК, который найдет широкое применение в гено¬
мике и диагностике (Meller et al., 2000; Mathe et al., 2005).
Глава 4Молекулярные и химические основы взаимодействия
компонентов биологических наносборокСпецифичность взаимодействия строительных блоков имеет решающее зна¬
чение для процесса самосборки, о чем уже не раз говорилось выше. В этой гла¬
ве кратко описаны химические и молекулярные основы процессов узнавания и
связывания, что полезно читателям, не имеющим специальных знаний в области
химии. Речь идет о термодинамических основах взаимодействия молекул, рассма¬
тривается роль энтропии и энтальпии в этих процессах, а также рассказывается
о кинетике образования комплексов макромолекул в связи с их биологическими
функциями.4.1.	Возникновение биологической активности
в результате самосборкиПроцесс самоорганизации уже обсуждался в предыдущих главах. Этот процесс
определяет возникновение выполняющих важные функции сложных комплексов с
упорядоченной структурой путем спонтанного связывания отдельных биомолекул.
Как правило, в живых системах этот процесс идет последовательно, от молекулы к
молекуле. Таким образом, для образования сложных наномашин путем последова¬
тельного узнавания и спонтанного связывания молекул ключевое значение имеют
высокая аффинность и специфичность взаимодействия определенных фрагментов
биомолекул. Обычно это фрагменты белковых молекул и нуклеиновых кислот (ДНК
и РНК), но аффинность и специфичность может возникать с участием и других ви¬
дов биомолекул, таких как сахара и их полимеры - полисахариды.Начнем с химических основ молекулярного узнавания, аффинности и специ¬
фичности: на них базируются теоретическое понимание и экспериментальные ме¬
тоды оценки самосборки упорядоченных структур. В следующей главе эта тема
получает развитие, но уже в контексте узнавания биомолекул и образования сбо¬
рок с определенными функциями, таких как комплексы нуклеиновых кислот и
взаимодействие рецепторов с лигандами.4.2.	Узнавание и химическая аффинность молекулМолекулярное узнавание - ключевое понятие надмолекулярной химии. Этот про¬
цесс является химической основой нековалентных взаимодействий между опреде¬
ленными молекулярными группами. Оно актуально не только для живых систем, но
50Глава 4и для взаимодействия молекул и комплексов в общем. Под молекулярным узнавани¬
ем понимают способность двух и более молекул к высокоаффинному и специфич¬
ному взаимодействию. Как сказано в главе 2, этот процесс - один из краеугольных
камней надмолекулярной химии и один из важнейших аспектов нанотехнологии.Афинность молекулярных сборок обычно описывают с помощью константы
диссоциации (Kd) образованного ими комплекса. Значение Kd количественно харак¬
теризует силу связывания молекул. Эта величина постоянна для данной системы
молекул и при термодинамическом равновесии выражается следующей формулой
(для простой двухкомпонентной системы, включающей две молекулы - А и В, об¬
разующие димер; естественно, чем больше компонентов в системе, тем сложнее
будет ее математическое описание):К=[А]х[В]/[АВ],	(4.1)где [А], [В] и [АВ] - равновесные молярные концентрации молекул А, В и обра¬
зованного ими комплекса соответственно. Из этого равенства легко вывести раз¬
мерность Kd: для данной простой системы это моли (сокращенно М). Величину
Kd часто также называют аффинностью системы макромолекул. «Наномолярная
аффинность» соответствует значению Kd порядка 10 9 М.Следует отметить, что на практике бывает очень сложно определить концен¬
трации всех компонентов. Если же концентрация одной из молекул, скажем В,
намного превышает концентрацию другой молекулы (А), т.е. [В]«[А], можно
допустить, что концентрация добавленной А ([А^]) равна концентрации свобод¬
ной А ([А]). В этих условиях общая концентрация А, при которой связывается
половина молекул В, равна Kd:[В]	= [АВ] ^ к:а = [А] ~ [А^н 3 .Этот подход позволяет довольно просто определять значения Kd и потому ча¬
сто используется в эксперименте. При условии, что концентрации А и В сильно
отличаются, молекулу В снабжают меткой, которую можно определить с высокой
чувствительностью (например, вводят в нее радиоактивные атомы или флуорофо-
ры с высоким квантовым выходом флуоресценции). Так определяют аффинность
антител и антигенов, ДНК и связывающихся с ней белков, рецепторов и лиган¬
дов (подробнее об этом - в следующей главе).Специфическим обычно считают связывание при значениях Kd ниже 10-6 М
(1 микромоль), но, как будет показано ниже, с точки зрения специфичности отно¬
сительная аффинность важнее абсолютной. Высокоспецифичному связыванию,
например антител и антигенов, ДНК и факторов транскрипции, соответствуют на-
номолярные значения (10‘9 М). Возможна и более высокая аффинность: например,
для некоторых комплексов антиген - антитело значения Kd достигают величины
10'11 М. Самый прочный нековалентный бимолекулярный комплекс образуется ави-
дином и биотином, поэтому он часто используется для «стыковки» компонентов в
биотехнологии и нанотехнологии (Wilchek and Bayer, 1990). Из-за высокой прочно¬
Молекулярные и химические основы взаимодействия компонентов..51сти комплекса авидин - биотин точно определить силу связи в нем не удается, но
предполагается, что она составляет примерно 1015 М, т.е. практически равноценна
ковалентной межатомной связи.4.3.	Аффинность и специфичность биологических взаимодействийВысокая аффинность, несомненно, важна для взаимодействия биологических
молекул и комплексов, но для высокой специфичности взаимодействия ее недо¬
статочно. Специфичность биологического взаимодействия определяется относи¬
тельной аффинностью, т.е. аффинностью данной молекулы по отношению к ее
молекуле-мишени по сравнению с аффинностью к другим, неспецифичным ми¬
шеням. Например, ДНК-связывающие белки, которые обычно несут положитель¬
ный заряд, способны взаимодействовать с любыми фрагментами отрицательно
заряженной ДНК. Однако для неспецифического взаимодействия ДНК с белком
значения ^составляют 10'3-10'4 М, тогда как для специфического связывания
белка с его молекулярной мишенью ^находится в диапазоне 10'7—109 М. Есть и
другие примеры молекул-рецепторов, способных связывать различные лиганды с
разной аффинностью и регулировать тем самым активность всего комплекса.Понятие специфичности применяется при описании образования простых ком¬
плексов, а также ионных каналов - пронизывающих мембрану нанопор, пропуска¬
ющих одни ионы, но задерживающих все остальные. Так, калиевые каналы хорошо
проницаемы для ионов калия, но препятствуют прохождению очень похожих на них
ионов натрия. Другой пример специфичности в живых системах связан с работой
ферментов, способных различать сходные субстраты и катализировать строго опре¬
деленные химические реакции. Так, ферменты, модифицирующие сахара (имею¬
щие ключевое значение для путей энергетического обмена, таких как гликолиз),
четко различают сходные молекулы глюкозы и фруктозы.4.4.	Связь между термодинамикой и кинетикой диссоциацииТермодинамический параметр Kd непосредственно связан с кинетическими
свойствами реакции образования комплекса. Продолжим наш пример с образо¬
ванием димера из двух молекул:Kd=k/k2,	(4.2)где:kt - скорость диссоциации, АВ —► А + Вк2 - скорость образования комплекса, А + В —* АВ.Скорость образования комплекса (к2) связана с концентрацией исходных ком¬
понентов, но скорость его диссоциации (Ц) не зависит от концентрации комплек¬
52Глава 4са. Скорости образования комплексов в ходе бимолекулярных реакций из сходных
по размеру молекул близки и ограничены скоростью диффузии, тогда как ско¬
рость диссоциации комплекса непосредственно связана с его аффинностью.
Таким образом, когда концентрации исходных компонентов комплекса сильно раз¬
личаются (см. уравнение 4.2), мерой аффинности молекул служит скорость диссо¬
циации. Скорость диссоциации высокоаффинных комплексов исчисляется часами
и днями, а комплексов с низкой аффинностью - миллисекундами.При наличии специфичных антител скорости этих реакций можно опреде¬
лить с помощью общих методов, таких как твердофазный иммуноферментный
анализ (ELISA, enzyme-linked immunosorbent assay), основанный на реакции меж¬
ду связанными лигандами и антителами в многолуночных планшетах. В других
случаях оценить скорость образования комплекса можно колориметрическим или
флуорометрическим методом. Однако в последние годы для определения кинети¬
ки связывания немеченных молекул все чаще используется метод поверхностного
плазмонного резонанса (surface plasmon resonance, SPR). Оборудование для него
выпускают разные компании, наиболее известная среди них - Biacore.Этот метод основан на иммобилизации одной из взаимодействующих молекул
на поверхности с последующим измерением оптических свойств этой поверх¬
ности в ходе связывания другой молекулы. Поверхностным плазмоном называ¬
ется электромагнитная волна, распространяющаяся по поверхности раздела фаз
металлической основы и покрытия. Серийные приборы для SPR регистрируют
изменение показателя преломления при связывании целевого соединения с био¬
покрытием, нанесенным на металлическую поверхность (рис. 4.1).При SRP-измерениях раствор, содержащий молекулы, для которых требуется
оценить кинетику связывания, вводится в камеру, на поверхности которой иммо¬
билизована другая молекула, участвующая в связывании. В ходе измерения реги¬
стрируются изменения резонансного сигнала в реальном времени. Такая кривая,
называемая также сенсограммой (senosgram), содержит информацию о скорости
связывания этих молекул (рис. 4.1). Когда ввод связываемой молекулы в камеру
прекращается и туда поступает только раствор-носитель, начинается диссоциация
комплекса, которая также регистрируется. Как показано выше, определив скоро¬
сти образования и диссоциации комплекса, можно вычислить термодинамическую
константу Kd. Метод SPR очень удобен, но применим он только когда иммобилиза¬
ция молекул не меняет их свойств в отношении связывания, а молекулы, вводимые
в камеру, не вступают в неспецифическое взаимодействие с ее поверхностью.4.5.	Химические основы молекулярного узнавания
и специфического связыванияОбразование сложных нековалентно связанных биологических структур часто
«складывается» из множества взаимодействий с малой энергией. В результате
этих взаимодействий образуется сложная структура с высокой аффинностью. Ка¬
ким взаимодействиям относится образование водородных связей (относительная
Молекулярные и химические основы взаимодействия компонентов.53Рис. 4.1. Измерение кинетики связывания и диссоциации биомолекул методом SPR. Под
влиянием взаимодействия молекул на металлической подложке изменяются ее
оптические свойства. По графику можно определить кинетику связывания и дис¬
социации этих изменений во времени.энергия меньше 1,0 ккал/моль), а также вандерваальсовы, гидрофобные и электро¬
статические взаимодействия. Общую свободную энергию взаимодействия можно
вывести из значения константы диссоциации следующим образом:AG = RT ln(Kd),	(4.3)где AG - свободная энергия взаимодействия, R - газовая постоянная, Т - абсолют¬
ная температура.4.6.	Образование специфических комплексов
за счет повышения энтропииКак сказано в предыдущем разделе, образование высокоаффинных комплек¬
сов основано на изменении свободной энергии в реакции связывания:AG = АН -TAS,(4.4)
54Глава 4где АН - изменение энтальпии, AS - изменение энтропии в результате взаимодей¬
ствия. Полное описание термодинамики этого процесса выходит за рамки дан¬
ной книги, коротко же энтальпию можно определить как меру теплоты реакции,
а энтропию - как меру неупорядоченности системы. Реальный вклад энтропии
и энтальпии в образование комплексов биомолекул определяют методом изотер¬
мической калориметрии (isothermal calorimetry, ITC). Это очень чувствительный
калориметрический метод, основанный на регистрации тепла, выделяющегося
при взаимодействии молекул, содержащихся в калориметрической ячейке и вве¬
денном в нее растворе. С помощью данного метода можно определить энтальпию
взаимодействия, АН, и значение Kd связывания. По результатам измерения этих
параметров вычисляется вклад энтропии в изменение свободной энергии при вза¬
имодействии, AS (см. выше).Можно думать, что образование комплекса из двух молекул - процесс, ведущий
к повышению упорядоченности и, соответственно, к снижению энтропии. Тем не
менее, по результатам калориметрии, во многих случаях образование комплексов
направляется изменением энтропии, а не энтальпии. То есть образование упоря¬
доченного комплекса в действительности приводит к повышению общей неупо¬
рядоченности системы. Объяснить этот парадокс можно тем, что биологические
молекулы, растворенные в воде, окружены слоями упорядоченно расположенных
молекул воды (рис. 4.2). В ходе взаимодействия часть «упорядоченных» молекул
воды освобождается с поверхности соприкосновения биомолекул, что и приводит
к повышению беспорядка в системе.IСвободные
молекулы воды
с высокой энтропиейСвязываниебиомолекулСвязанные
молекулы воды
с низкой энтропиейРис. 4.2. Связывание макромолекул
направляется изменением
энтропии.
Глава 5Молекулярное узнавание и образование
биологических структурВ предыдущей главе были изложены основы кинетики и термодинамики узна¬
вания макромолекул. В ней же обсуждались формальные аспекты связывания и
диссоциации динамических кинетических процессов и равновесного термодина¬
мического состояния. В этой главе приводятся примеры, иллюстрирующие узна¬
вание и сборку компонентов биологических комплексов, и обсуждаются возмож¬
ности их использования в нанотехнологии.5.1.	Антитела как молекулярные сенсоры узнаванияБелковые антитела наиболее эффективно из клеточных компонентов узнают
самые разные соединения - органические и неорганические, биологического и
небиологического происхождения. Уникальные способности к узнаванию, кото¬
рыми обладают эти довольно крупные белковые молекулы, обеспечивают очень
высокую аффинность при взаимодействии антител с различными лигандами. Зна¬
чения Kd для взаимодействия антител с их лигандами могут достигать пикомо¬
лярных (10'12 М) и даже фемтомолярных (10'15 М) значений. Антитела обладают
не только высокой аффинностью, но и высочайшей специфичностью: они узнают
«свой» антиген среди очень похожих молекул. Прежде всего, антитела являются
ключевым компонентом иммунной системы. Они играют ведущую роль в защи¬
те организма от инфекций и злокачественной трансформации. Здесь невозможно
привести детальное описание работы иммунной системы, и мы настоятельно ре¬
комендуем читателям, не знающим основ иммунологии, самостоятельно воспол¬
нить этот пробел.Высокая аффинность антител достигается за счет образования специальных
узнающих поверхностей со сложной аминокислотной структурой (рис. 5.1). Ти¬
пичная молекула антитела - иммуноглобулина G (IgG) - имеет Y-образную форму
и состоит из V- (от англ. variable - изменчивый) и С-областей (от англ. constant-	постоянный), см. рис. 5.1. Подвижная область в середине молекулы (так на¬
зываемая область шарнира) обеспечивает гибкость структуры антитела. Прочное
связывание антител с их лигандами достигается и за счет авидности. У клеточ¬
ных антител имеется несколько сайтов связывания соответствующего лиганда -
от двух (в случае IgG) до пяти (как у IgM). Значение множественных сайтов для
прочности связывания лиганда проще понять, оперируя константой скорости дис¬
социации (см. выше). Так, чтобы комплекс антиген - антитело распался, антиген
должен освободиться сразу из двух сайтов связывания. Поскольку каждый из двух
56Глава 5Вариабельная областьЛегкая иепьРис. 5.1. Строение простого антитела. Молекула Y-образной формы образуется путем
взаимодействия тяжелых и легких цепей. За узнавание антигена отвечает уникальная
структура вариабельной области молекулы антитела.шагов диссоциации является статистически независимым событием, вероятность
освобождения антигена в этом примере равна произведению вероятностей этих
событий-шагов.В книге рассматривается применение антител для решения различных техноло¬
гических задач. О применении антител в биотехнологии говорилось в главе 1, где
рассказывалось о распространенных диагностических наборах. В качестве при¬
мера приводился тест на беременность, основанный на высокой специфичности
антител и их способности определять присутствие минимальных количеств це¬
левого вещества в сложной смеси. Комбинированное применение антител, мето¬
дов и инструментов нанотехнологии дополнительно усилит их чувствительность.
Показано, что конъюгаты специфических антител с ДНК-маркированными маг¬
нитными наночастицами позволяют обнаруживать антиген PSA (prostate-specific
antigen), основной индикатор рака простаты, в аттомолярных (1018 М) концен¬
трациях (Nam et al, 2003). Это показывает перспективность объединения воз¬
можностей биотехнологии и нанотехнологий для создания сверхчувствительных
биосенсоров. В случае PSA-сенсора это откроет возможность для ранней диагно¬
стики рака простаты. Впрочем, сверхчувствительные сенсоры, способные обна¬
руживать минимальные количества химических и биологических агентов, найдут
очень широкое применение и за пределами медицины, например в экологическом
мониторинге и обеспечении национальной безопасности.5.2.	Селекция антител и эквивалентных систем in vitroКак сказано выше, антитела являются одним из самых совершенных биоло¬
гических «распознающих устройств». Высокая аффинность и специфичность
Молекулярное узнавание и образование биологических структур	57стимулируют их применение в системах in vitro. Антитела, обладающие высокой
аффинностью, отбираются из больших библиотек искусственных антител, экс¬
прессируемых в бактериях. Такой подход позволяет получить антитела с высокой
специфичностью и аффинностью к лигандам, обладающим низким антигенным
потенциалом. В последнее время селекция антител приобрела особую важность.
Одно из важнейших направлений исследований в этой области - создание одно¬
цепочечных антител, обладающих высоким потенциалом для применения в меди¬
цине.Другое средство для создания биологических систем с высокой аффинностью-	фаг-ассоциирование системы (phage display systems, рис. 5.2). В таких системах
антитела и другие белки ассоциированы с поверхностью нитчатых бактериофа¬
гов. За несколько циклов связывания и отбора (этот процесс называется panning)
удается получить частицы, связывающие молекулы-мишени с высокой аффинно¬
стью и специфичностью. Другой способ получения компонентов для молекуляр¬
ного узнавания - использование небиологических систем, например библиотек
белков, созданных химическим путем. Такие библиотеки обладают молекуляр¬
ным разнообразием порядка 10'12 и даже выше, что позволяет получать малые
белки, связывающие молекулы-мишени с относительно высокой аффинностью.Рис. 5.2. Селекция антител, связывающих заданный антиген, с помощью антиген-
презентирующих фагов (метод фагового отображения, phage display). Циклическое
обогащение культуры позволяет из фаговых библиотек случайного состава отобрать
фаги с антителами, аффинными к заданному антигену, и заражать ими бактерии-
продуценты.Библиотека фаговПовторновыращива»инфицирова!бактери!Отмывка
инфицировг
только фага
связывающ
нужный лигОчистка фаговСвязываниеспецифическихлигандов
58Глава 5Их недостаток - невозможность обогащения путем последовательных panning-
циклов, преимущество - возможность использования молекул, не встречающихся
в живых системах. Несомненно, это позволит значительно увеличить химическое
разнообразие и получать нерасщепляемые пептиды. Это особенно важно для ме¬
дицинской промышленности. Естественно, метод синтетических библиотек мо¬
жет применяться не только для пептидов. Молекулы, способные к связыванию с
различными биомолекулами, можно искать и среди других классов органических
и даже неорганических молекул.Впервые возможность использования бактериофагов в качестве строительных
блоков в нанотехнологиях показали Анжела Белчер (Angela М. Belcher) и ее кол¬
леги. Суть подхода в том, что малые размеры фагов и возможность наделять их
разнообразными свойствами узнавания позволяют создавать из модифицирован¬
ных фагов наноструктуры с уникальными возможностями в плане молекулярного
узнавания (подробнее об этом - в 6 главе).5.3.	Узнавание нуклеиновых кислот белкамиОсобые белки, способные узнавать определенные последовательности ДНК
(ДНК-связывающие белки), уже упоминались выше. На этой способности к узна¬
ванию основано сложное управление экспрессией генов в различных органах и
тканях у многоклеточных организмов и в разных условиях существования - у
микроорганизмов.ДНК-связывающие белки обладают уникальной способностью к узнаванию
определенных последовательностей (даже небольших, длиной 6-8 пар основа¬
ний) в геноме размером в миллионы и миллиарды пар. Для индукции правильного
молекулярного ответа эти белки должны обладать не только высокой аффинно¬
стью к регуляторным последовательностям ДНК, но и высокой специфичностью.
Сложный каскад взаимодействия белков с ДНК, управляющий живой системой,
впервые был продемонстрирован на примере лактозного оперона Escherichia coli,
а затем обнаружен в существенно более сложных организмах и клетках челове¬
ка. Одно из восхитительных свойств ДНК-связывающих белков - способность
очень быстро и точно узнавать свои сайты связывания среди миллионов вари¬
антов. Хотя структура некоторых ДНК-белковых комплексов уже описана доста¬
точно подробно, точный механизм поиска белковой молекулой своей цели еще
не известен. Предполагается, что белок сначала неспецифически связывается с
ДНК за счет электростатических сил, после чего он движется по молекуле ДНК,
пока не встретит последовательность, с которой он связывается специфически,
т.е. образует комплекс, который распадается очень медленно. Тщательно выпол¬
ненные биофизические исследования показали, что специфическое взаимодей¬
ствие ДНК с белками направляется энтропией, а не энтальпией (Gamer and Rau,
1995). Таким образом, первоначальное неспецифическое связывание опосредо¬
вано электростатическим взаимодействием положительно заряженной молекулы
ДНК-связывающего белка с отрицательно заряженной цепью ДНК, а специфи¬
Молекулярное узнавание и образование биологических структур	59ческое связывание зависит от освобождения нескольких сотен молекул воды из
опознанного сайта связывания (см. главу 4).ДНК-связывающие белки, такие как RecA, уже применялись в нанотехноло¬
гии. Так, способность белков связываться со строго определенными сайтами ДНК
использовалась в биолитографии, где белки служили наномасками для молекулы
ДНК (подробнее об этом - в главе 7).5.4.	Взаимодействие рецепторов с лигандамиМолекулярное узнавание лежит также и в основе многих функций живых си¬
стем, осуществляемых вне клетки. Так, внедренные в клеточную мембрану рецеп¬
торы позволяют клетке реагировать на различные сигналы. Лучше всего изучены
рецепторы, воспринимающие гормональные сигналы, которые переносятся по
кровяному руслу и вызывают определенные реакции после узнавания молекул
гормона мембранными рецепторами.Классическим примером гормонального рецептора является инсулиновый.
Уровень инсулина в крови определяется рецепторами, расположенными в мем¬
бранах клеток периферических тканей. Узнавание гормона осуществляется за
счет нековалентных взаимодействий, лежащих в основе образования надмоле¬
кулярных сборок. Высокая аффинность инсулина и его рецептора обеспечивает
высокую чувствительность к инсулину, но молекула инсулина недолго остается
связанной с рецептором. При образовании связи инсулина с его рецептором за¬
пускается молекулярный каскад, который завершается активацией определенных
генов, регулирующих метаболизм сахаров в клетках.Взаимодействие рецепторов и лигандов также может найти применение в
нанотехнологии. Так, характерная для этого процесса высокая аффинность и
специфичность способна обеспечить точность сборки наноструктур и управле¬
ния наноустройствами, что было бы полезно, в частности, для диагностики.5.5.	Взаимное узнавание нуклеиновых кислотОдин из важнейших для живых систем видов узнавания - взаимодействие ком¬
плементарных цепей ДНК и РНК. Как наверняка известно читателям, ДНК со¬
стоит из четырех типов азотистых оснований - А, Ц, Г и Т, и молекулярной осно¬
вой специфичности взаимодействия комплементарных цепей является сродство
между молекулами А и Т, а также Ц и Г. Энергия взаимодействия этих пар совсем
невелика (пара Г-Ц удерживается тремя водородными связями, а А-Т - двумя).
Однако в типичной двойной спирали ДНК таких пар много - сотни и тысячи, и
вместе они обеспечивают весьма высокую химическую аффинность.ДНК также способна образовывать гетеромолекулярные комплексы с РНК.
Они образуются за счет вышеописанных взаимодействий. Однако в РНК вместо Т
содержится урацил (У), и образуется пара A-У. Молекулы РНК и ДНК способны к
60Глава 5межмолекулярному комплементарному взаимодействию с образованием трехмер¬
ных наноструктур. Самый известный пример - создание молекул транспортной
РНК (тРНК).Специфичное взаимодействие нуклеиновых кислот уже используется в био¬
нанотехнологии, например для нацеливания и мечения молекул. Кроме того, ДНК
может служить матрицей для плоских и объемных сборок (подробнее об этом - в
главе 6).
Глава 6Самосборка биоматериалов и наноматериалов,
построенных по их образцуВ предыдущих главах описано образование биологических наноструктур в
различных живых организмах и термодинамические и кинетические основы про¬
цессов молекулярного узнавания и самосборки. Также были рассмотрены важные
примеры этих процессов в живых системах. Эта глава посвящена вопросам разра¬
ботки новых биологических материалов, а также материалов, построенных по их
образцу (bio-inspired materials) на основе вышеописанных принципов. Нанострук¬
туры, созданные с использованием такого подхода, обладают огромным потен¬
циалом для применения как в бионанотехнологии, так и в нанобиотехнологии.6.1.	Материалы на основе ДНКОдними из первых среди наноматериалов, образующихся путем самосборки,
были изучены плоские и объемные структуры ДНК. Основы взаимодействия мо¬
лекул ДНК описаны в главе 2, а здесь рассказывается о применении этих прин¬
ципов на практике. Первопроходцем в этой области является Н. Зееман, работы
которого появились за несколько десятилетий до бума нанотехнологии (Seeman,
1990, 2005). Будучи физиком-кристаллографом по образованию, Зееман увидел
большой потенциал молекулярного узнавания и комплементарных взаимодей¬
ствий олигомеров ДНК (см. главу 4) для создания сложно структурированных
материалов, которые могут формироваться исключительно путем узнавания и
самосборки (рис. 6.1). Задолго до бума в области нанотехнологии Зееман мани¬
пулировал наносборками из молекул ДНК, создавая из них сложные структруы
(Seeman, 1990).Зееман использовал олигомеры ДНК со «встроенными» комплементарными
участками, игравшими роль узнающих интерфейсов (рис. 6.1). При смешивании
этих олигомеров в водных растворах происходила спонтанная самосборка пло¬
ских «сеток» ДНК. В следующих работах были получены более сложные объем¬
ные структуры, например кубические ДНК-сборки. В одной из последних работ
этой исследовательской группы представлена архитектура молекул ДНК, форми¬
рующих нанотрубки (Sherman and Seeman, 2006).После новаторских работ Зеемана было описано множество способов при¬
менения наноматериалов на основе ДНК (подробнее см. в обзоре Feldkamp and
Niemeyer, 2006). Олигмеры ДНК как молекулярные материалы обладают по
сравнению с белками (но не пептидами; см. ниже) рядом преимуществ, напри¬
мер высокой термостабильностью. Кроме того, в результате революции в моле-
5'21Одноцепочечная ДНК5Самосборка
в растворе3’5*5’3*112222Г13* Двухмерная
5' ДНК-сборкаРис. 6.1. Самосборка двухмерных комплексов ДНК из линейных полимеров путем взаи¬
модействия комплементарных участков одноцепочечной молекулы ДНК (1 и Г,кулярной биологии возникала большая потребность в синтетических олигомерах
ДНК, применяемых в различных реакциях. Как следствие, был усовершенствован
метод массового твердофазного химического синтеза олигонуклеотидов ДНК и
снижены цены на услуги по синтезу молекул ДНК заданной структуры. Так, за
последние 20 лет цены на олигомеры ДНК снизились на порядки. К тому же рост
спроса на модифицированные молекулы ДНК привел к повышению разнообразия
коммерчески доступных олигонуклеотидов. Одним из недостатков ДНК-сборок
является их уязвимость для деградации различными нуклеазами, которые встре¬
чаются почти на всех поверхностях.ДНК используется не только как материал, но и как матрица для сборки мо¬
лекулярных наноструктур, таких как белки и пептиды. Коллективы под руковод¬
ством Кристофа Нимайера (Christof М. Niemeyer) и Вольфганга Помпе (Wolfgang
Pompe) разработали очень интересные способы сборки наноустрйоств из белков и
неорганических наночастиц с применением ДНК (Simon et al., 2004; Feldkamp and
Niemeyer, 2006). В одном из них используются биотинилированные олигонуклео¬
тиды ДНК, специфически связывающиеся с поверхностями, к которым пришиты
молекулы авидина. Благодаря очень высокой аффинности авидина и биотина сбор¬
ка высокоупорядоченных наноструктур из молекулярных компонентов происходит
чрезвычайно эффективно. Далее на поверхность наноматериала наносят металли¬
ческое покрытие, получая в результате различные электронные нанокомпоненты.2 и 2’).
Самосборка биоматериалов и наноматериалов, построенных по их образцу 636.2.	Наноматериалы на основе пептидовКак и молекулы (олигомеры) ДНК, пептиды являются представителями об¬
ширного класса биологических макромолекул. Эти состоящие из аминокислот
полимеры являются одними из самых важных и разнообразных биомолекул. Син¬
тетические пептиды варьируют по длине от димеров (дипептидов) до молекул, со¬
стоящих из 40 аминокислотных остатков; это самый важный и разнообразный тип
молекул, применяемых в нанотехнологиях (Zhang, 2003; Reches and Gazit, 2006).
Подобно олигомерам ДНК, пептиды легко синтезировать с помощью твердофаз¬
ных методов. В действительности метод для химического синтеза пептидов был
открыт задолго до метода синтеза олигомеров ДНК. Еще в 1960-х годах Брюс Мер-
рифилд (Bruce Merrifield) с коллегами создал метод твердофазного синтеза пепти¬
дов, принципы которого используются по сей день (Merrifield, 1965). За эту вы¬
дающуюся работу Меррифилд получил Нобелевскую премию по химии в 1984 г.Одним из важных преимуществ пептидов перед олигомерными нуклеиновыми
кислотами является высокое химическое разнообразие. Олигомеры ДНК состоят
всего из четырех «букв». Таким образом, химическая сложность олигонуклеоти¬
да ДНК составляет 4N, где N - длина олигонуклеотида; тогда как для пептидов,
включающих только основные биологические аминокислоты (их насчитывается
20), эта величина составляет 20N. Соответственно, даже очень короткие пептиды
обеспечивают изрядное разнообразие. Например, химическая сложность природ¬
ных пентапептидов составляет 205 = 3 200 000, в то время как для пентануклео¬
тида ДНК эта величина равна 55 = 3 125, что на три порядка меньше. В действи¬
тельности это различие еще больше, поскольку в пептиды могут включаться и
небиологические аминокислоты (на рынке доступны сотни разновидностей этих
молекул); также возможны разнообразные химические модификации концевых
аминокислот. Последние оказывают значительное влияние на биохимические и
биофизические свойства пептидов. В итоге число вариантов структуры простого
пентапептида, включающего небиологические аминокислоты, достигает 1010.Пептиды легко (и, в случае коротких молекул, дешево) синтезировать, их полу¬
чают килограммами. Яркий пример массово синтезируемого пептида - метиловый
эфир аспартилфенилаланина, известный под маркой «аспартам». Это вещество широ¬
ко используется в качестве подсластителя и продается по несколько центов за грамм.6.3.	Первые пептидные нанотрубкиЕще в 1990-х годах пептиды считались отличными строительными блоками
для нанотехнологий. Как сказано выше, они отличаются разнообразием и ши¬
рокими возможностями химической модификации. У них есть и другие преиму¬
щества с точки зрения нанотехнологии: биосовместимость и стабильность.Одна из важнейших новаторских работ, посвященных применению пептидов
для создания наноструктур, была выполнена М.Р. Гадири (М. Reza Ghadiri) с кол¬
64Глава 6легами, синтезировавшими пептидные нанотрубки (Ghadiri et al, 1993). Эти ис¬
следователи продемонстрировали самосборку полых нанотрубок из искусствен¬
ных циклических пептидов, синтезированных из четного числа чередующихся
D- и L-аминокислот (рис. 6.2). В основе этих структур лежат уникальные свой¬
ства оптических изомеров аминокислот, встречающихся в некоторых природных
антибиотиках. Особая структура этих пептидов позволяет им принимать форму
плоских колец, которые собираются в стопки за счет водородных связей между
молекулами в конформации p-слоев (Ghadiri et al, 1993, 1994; Bong et al, 2001).
Такая конформация напоминает структуру амилоидных фибрилл, о которых рас¬
сказывалось в главе 3.В замкнутом кольце из чередующихся D- и L-аминокислот боковые цепи ами¬
нокислотных остатков направлены от центра кольца, а амидные группы пептид¬
ных связей - примерно перпендикулярно плоскости кольца. Показано, что процесс
самосборки и геометрия нанотрубок определяются числом и типом аминокислот
в кольцевой молекуле. Внутренний диаметр нанотрубок варьирует от 0,7 до 0,8 нм
в зависимости от состава циклического пептида.В последующих работах этой группы была показана возможность модификации
боковых цепей пептидных наноструктур (Bong et al.y 2001). Это особенно важно
для создания токопроводящих нанотрубок за счет добавления органических групп
в определенной ориентации, обеспечивающих передачу электрона в пространстве
через нековалентную систему (Home et al., 2005). Такие пептидные наноструктуры
могут применяться для решения очень важных задач наноэлектроники. Кроме того,
пептидные нанотрубки могут использоваться как антибактериальные агенты. Анти¬
бактериальное действие нанотрубок обусловлено их способностью к образованию
в мембранах бактерий наноканалов, аналогичных каналам, которые образуют при¬
родные пептидные антибиотики.По сообщениям, другой пептид - ланреотид - образует путем самосборки упо¬
рядоченные трубчатые структуры. Этот октапептид синтезируется в живых орга-Рис. 6.2. Образование пептидных нанотрубок путем самосборки пептидов, состоящих
из чередующихся L- и D-аминокислот. Благодаря особенностям аминокислотного
состава, такие пептиды образуют плоские кольцевые молекулы, которые собира¬
ются в полые нанотрубки.
Самосборка биоматериалов и наноматериалов, построенных по их образцу 65низмах, в которых выполняет функции гормона роста. По данным ультраструк-
турного анализа, молекулы этого пептида в водном растворе образуют нанотрубки
(Valery et al. 2003). Предполагается, что в основе процесса лежит самосборка за
счет сегрегации алифатических и ароматических остатков, способствующая об¬
разованию фибрилл в конформации p-слоя. Роль взаимодействия ароматических
остатков пептидов намного меньшего размера, таких как дипептиды, обсуждается
ниже.6.4.	Амфифильные и ПАВ-подобные пептидные блокиАльтернативный способ сборки упорядоченных пептидных наноструктур
основан на тех же физических принципах, что и образование фосфолипидных
мембран, описанных в главе 3. В этом случае создают пептиды с амфифильной
структурой, напоминающей структуру фосфолипидов. Такие пептиды образуют
упорядоченные наноструктуры в результате гидрофобных взаимодействий. Этот
подход (рис. 6.3) выбрали исследовательские группы под руководством С. Стаппа
(Samuel Stupp), X. Мацуи (Hiroshi Matsui) и Ш. Цзянь (Shugunag Zhang).В работе Стаппа использовались аналогичные по структуре фосфолипидам
амфифильные молекулы, включающие длинный алифатический хвост и гидро¬
фильную пептидную головку (Hartgerink et al, 2001; Silva et al, 2004). При этом
пептидные группы, играющие роль головки, позволяют «записывать» в наносбор¬
ки биологическую информацию. Предполагается, что нанофибриллы-мономерыАмфифильные молекулыПАВ-подобные молекулыКомплементарные разноименные зарядышл+тгш.щРис. 6.3. Образование трубчатых и фибриллярных структур из коротких пептидов путем
самосборки под влиянием гидрофобных и электростатических взаимодействий.
С любезного разрешения Hiroshi Matsui и Shugunag Zhang. По Reches and Gazit,
2006, с изменениями.
66Глава 6будут образовывать цилиндрическую мицеллу, располагаясь перпендикулярно ее
оси, при этом гидрофобные хвосты будут ориентированы внутрь фибриллы, а ги¬
дрофильные головки - наружу. Также использовались различные модификации
наноструктур, такие как поперечные сшивки и минерализация. С этой целью в
пептидные части включали цистеиновые остатки, взаимодействующие с другими
компонентами сборки через «мостики», образованные тиоловой группой и атома¬
ми металлов.Пептидные трубчатые структуры могут образовываться и из линейных пеп¬
тидов, что было показано Matsui и коллегами для пептидов из семейства так на¬
зываемых боло-амфифильных молекул (Banerjee et al., 2003; Djalali et al, 2003;
Nuraje et al., 2004). Такие молекулы образуются путем сшивки двух гидрофиль¬
ных пептидов через алифатический пептидный линкер (рис. 6.3). В результате
их самосборки за счет межмолекулярных взаимодействий гидрофобных остат¬
ков в водном растворе образуются упорядоченные структуры, напоминающие
мицеллы. Один из пептидов - представителей этой группы, бис(Ы-а-амидо-
глицилглицин)-1,7-гептан дикарбоксилат - образует трубчатые структуры, при¬
годные к использованию в качестве матриц для металлических проводников.
Эти нанотрубки также были иммобилизованы на активированных золотых по¬
верхностях посредством водородных связей.В последующих работах S. Zhang и коллег было показано, что нативные (а не
конъюгированные) пептиды могут быть использованы как строительные блоки
для упорядоченных наноструктур (Holmes et al., 2000; Kisiday et al., 2002; Vauthey
et al., 2002). Алифатические свойства этим пептидам придавали боковые группы
аминокислот, а не пришитые алкильные группы (рис. 6.3). Эта группа сконструи¬
ровала ряд коротких (из 7-8 аминокислотных остатков) пептидов, в которых за¬
ряженные аминокислтные остатки играли роль гидрофильной головки, а непо¬
лярные алифатические остатки - роль гидрофобного хвоста. Такие пептиды были
названы ПАВ-подобными (surfactant-like; рис. 6.3). Оказалось, что из них путем
самосборки образуются нанотрубки и нановезикулы. ПАВ-подобные пептиды
также применялись для имитации биомембран с целью стабилизации мембран¬
ных белков при их экстракции.Эти упорядоченные нанопептиды использовались и для получения макроско¬
пических гидрогелей. В свою очередь, матрицы из гидрогелей, содержащие чере¬
дующиеся гидрофильные и гидрофобные аминокислоты, применялись в тканевой
инженерии для выращивания тканей и клеток, в частности нейритов, для образо¬
вания действующих нервных окончаний (Holmes et al, 2001).6.5.	Электростатическое взаимодействие как движущая
сила самосборкиПодход, ранее использовавшийся S. Zhang с коллегами для самосборки ли¬
нейных неконъюгированных пептидов, базировался не столько на гидрофобных,
сколько на электростатических взаимодействиях комплементарных зарядов ион¬
Самосборка биоматериалов и наноматериалов, построенных по их образцу 67ных пептидов (Altman et al., 2000; рис. 6.3). Эти пептиды несут противоположные
заряды благодаря значительному (>50%) содержанию основных и кислых ами¬
нокислотных остатков в участках, аналогичных по структуре дрожжевому белку
зуотину. Одна из поверхностей их молекулы обладает гидрофильным свойствами,
а другая - гидрофобными. В результате эти пепетиды принимают конформацию
P-слоя и образуют путем самосборки нановолокна. В некоторых случаях наново¬
локна образуют гидрогель, на котором хорошо растут нейриты, благодаря чему
такие гидрогели могут применяться как матрицы в тканевой инженерии.6.6.	Самосборка конъюгированных пептидовДругой подход к получению пептидных наноструктур путем самосборки осно¬
ван на использовании попарно конъюгированных коротких пептидов (рис. 6.4).
Сандип Верма (Sandeep Verma) с коллегой получили очень интересные результа¬
ты, используя симметричные конъюгированные короткие пептиды, образующие
хорошо структурированные наносборки (Madhavaiah and Verma, 2004, 2005). Та¬
кой подход позволяет создать путем самосборки структуры, которые невозмож¬
но построить с использованием обычных, неконъюгированных пептидов. В эту
группу конъюгированных молекул входят пептиды, полученные на основе при-
онных белков, образующих амилоидные структуры при смертельном заболевании-	губчатой энцефалопатии, или «коровьем бешенстве». О свойствах амилоидных
нанофибрилл, образующихся путем самосборки, рассказывалось в главе 3, нижеРис. 6.4. Образование фибриллярных наноструктур искусственными пептидными конъю¬
гатами. С любезного разрешения Sandeep Verma.
68Глава 6эта тема будет продолжена. Ясно, что самоорганизация амилоидных фибрилл -
важный процесс образования биомолекул, который может найти широкое при¬
менение в технологии.6.7.	Роль взаимодействия ароматических групп
в образовании наноструктурКак сказано выше, гидрофобные взаимодействия составляют одну из главных
движущих сил образования пептидных наноструктур. Этот процесс близок к сбор¬
ке упорядоченных структур путем взаимодействия алифатических остатков. Дру¬
гой тип гидрофобных взаимодействий, обеспечивающий направленную сборку
упорядоченных структур, - взаимодействие ароматических групп аминокислот.Этот процесс имеет направленный характер благодаря жестко ограниченной
геометрии взаимного расположения ароматических остатков (Hunter, 1993). Как
сказано в главе 3, подобные взаимодействия предположительно играют ключевую
роль в процессах молекулярного узнавания и самосборки при образовании ами¬
лоидных фибрилл.Возможность использования определенного взаимодействия ароматических
групп для получения наносборок была показана еще в 1990-х годах (Aggeli et
al, 1997). Ш. Рэдфорд (Sheena Radford) с коллегами сконструировали линейный
пептид в конформации P-слоя, содержащий специфически взаимодействующие
остатки ароматических аминокислот (рис. 6.5). Как видно из рисунка, специфи¬
ческие парные взаимодействия боковых групп триптофана и фенилаланина в со¬
ставе пептидов приводит к образованию высокоупорядоченных наносборок.6.8.	Образование нанотрубок из ароматических
дипептидов (ADNT)Как сказано выше, взаимодействия ароматических боковых групп играют
ключевую роль в процессах молекулярного узнавания и самосборки амилоидных
нанофибрилл. Рядом исследовательских групп было показано, что короткие пеп¬
тиды (тетрапептиды), содержащие ароматические аминокислоты, способны об¬
разовывать упорядоченные амилоидные нанофибриллы.В поисках самого короткого пептида, способного к формированию амилоидных
пептидов, исследовали основную последовательность, содержащую дифенилала¬
нин, у образующегося при болезни Альцгеймера Р-амилоидного пептида (рис. 6.6).
Результат оказался весьма неожиданным: было установлено, что эта чрезвычайно
простая последовательность способна к образованию высокоупорядоченных нано¬
трубок (Reches and Gazit, 2003; Song et al, 2004). Эти нанотрубки имели вид длин¬
ных полых цилиндров с внутренним диаметром около 20 нм и внешним диаметром
от 80 до нескольких сотен нм. Строительными блоками для них служили пептиды
из L- либо D-аминокислот, идентичные по структуре, но отличающиеся по стабиль-
Самосборка биоматериалов и наноматериалов, построенных по их образцу 69Рис. 6.5. Образование нанопленок путем самосборки искусственно сконструированных
пептидов в конформации p-слоя с ароматическими боковыми цепями. С любезного
разрешения Sheena Radford и Neville Boden. Воспроизводится с разрешения Macmillan
Publishers Ltd: Nature (Aggeli et al), (C) 1997.ности при действии протеолитических ферментов. Уже найдены способы использо¬
вания таких нантрубок в нанотехнологии (Reches and Gazit, 2003; Song et al, 2004;
Yenimi et al, 2005a,b), вы прочтете подробнее о них в следующих главах.Нанотрубки из дипептидов, содержащих ароматические аминокислоты (Aromatic
Dipeptide Nanotubes, ADNT), очень удобны в качестве строительных блоков для на¬
нотехнологий, поскольку они обладают замечательной хемо- и термостабильно¬
стью (Adler-Abramovich et al, 2006), а также выдающейся механической прочно¬
стью. Значение модуля Юнга, равное примерно 20 ГПа, позволяет считать такие
нанотрубки самыми жесткими наноструктурами, созданными по образцу биомо¬
лекул. По-видимому, чрезвычайно высокая механическая прочность пептидных
нанотрубок является следствием взаимодействия множества ароматических остат¬
ков в молекулах, слагающих эти наноструктуры. Полимеры, основанные на ADNT,
по своим механическим свойствам близки к ароматическим материалам Nomex и
Kevlar (рис. 6.7).Эти органические полимеры отличаются очень высокой прочностью и поэто¬
му используются в разных областях техники. По структуре они весьма напомина¬
ют нейлон, в котором алифатические сшивки между молекулами заменены аро¬
70Глава 6ЯШШ9 Способствует образованию
■шчя Препятствует образованию
Препятствует образованиюРис. 6.6. Образование пептидных нанотрубок молекулами Р-амилоидного полипептида,
содержащими основную узнаваемую последовательность.матическими. Основное различие между этими полимерами и ADNT состоит в
том, что нанотрубки являются надмолекулярными комплексами, образующимися
путем самосборки простых, по сравнению с высокомолекулярными полимерами,
строительных блоков.6.9.	Образование сферических наноструктур из коротких пептидовПозже было установлено, что дифенилглицин, простейший гомодимер арома¬
тических аминокислот, образует не нанотрубки, а наносферы (рис. 6.8; Reches and
Gazit, 2004). Введение в этот дипептид тиоловой группы также «заставляет» его об¬
разовывать сферические наноструктуры. Процесс образования нанотрубок и нано¬
сфер простейшими пептидами сходен с образованием углеродных и неорганичес¬
ких нанотрубок и фуллеренов путем сворачивания плоских слоев (см. главу 2).Эти сферические наноструктуры могут найти широкое применение для достав¬
ки лекарств и визуализации благодаря тому, что они легко образуются из простых
пептидов, однородны по форме и размерам, а также обладают биосовместимостью.
В настоящее время эти возможности применения пептидных наносфер активно
изучаются.
Самосборка биоматериалов и наноматериаюв, построенных по их образцу 11h2n—сн—с-
1	N	СН—СADNT1СНтЛСНоr-SРис. 6.7. Химическая структура пептидных нанотрубок и прочнейших ароматических по¬
лимеров, применяющихся в технике.Рис. 6.8. Образование сферических наноструктур из коротких ароматических пептидов
путем самосборки.
72Глава 66.10. PNA-полимерыИтак, основное внимание в этой главе было уделено структурам на основе
ДНК, в которых узнавание основано на взаимодействии комплементарных ну¬
клеотидных последовательностей, и пептидам - надежным и удобным строитель¬
ным блокам. В результате комбинирования этих биомолекул образуются так на¬
зываемые пептидно-нуклеиновые кислоты (peptide nucleic acids, PNA) - особый
класс полимеров, в которых пептиды играют роль каркаса, а азотистые основания
нуклеиновых кислот являются боковыми заместителями (Nielsen, 1995). Такие
молекулы синтезируют обычными методами пептидной химии (см. выше), но по
специфичности и способности взаимодействия и узнаванию PNA близки к нукле¬
иновым кислотам. PNA-полимеры также способны к образованию гетеродуплек¬
сов с ДНК и РНК, что позволяет использовать их там, где требуется молекулярное
узнавание.
Глава 7Применение сборок из биомолекул в нанотехнологииОсновное внимание в этой главе уделяется бионанотехнологии (согласно дан¬
ному в 1 главе определению, эта наука изучает применение в нанотехнологии сбо¬
рок из биомолекул, а также молекулярных конструкций, построенных по образцу
биологических систем). В действительности биологические сборки уже некото¬
рое время с успехом применяются в различных областях нанотехнологии. Одна
из наиболее отработанных технологий - использование биологических сборок
для производства металлических нанопроводников. С этой целью брались разные
биомолекулы, включая ДНК, белки и полипептиды. Среди новых технологий, раз¬
работанных на базе этого подхода, можно отметить молеклярную литографию и
производство коаксиальных нанокабелей. Эти наноструктуры больше применя¬
ются не в биологии, а в молекулярной электронике.7.1.	Применение S-слоев в нанолитографииУстановлено, что S-слои - замечательные наноструктуры, образующиеся в ре¬
зультате самосборки (см. главу 3), - очень удобны для применения в литографии.
In vitro (в растворе) очищенные строительные блоки S-слоев спонтанно образуют
высокоупорядоченные двухмерные кристаллы. Используя это свойство, У. Слейтр
с коллегами показали возможность перекристаллизации субъединиц S-слоев на
различных нанотехнологических субстратах, таких как чипы из кремния или ок¬
сида кремния (рис. 7.1). Другие исследователи обнаружили, что эти слои могут
формироваться на липидных мембранах и на поверхности раздела воздушной и
водной сред. Использовались S-слои и как матрицы для связывания и образования
наночастиц, таких как полупроводниковые и металлические точки (Gyorvary et
al, 2004), и для создания биомолекул - ферментов и антител. Такой тип самосбор¬
ки и взаимодействия молекул позволяет применять кристаллические матрицы для
нанесения рисунка в нанолитографии (рис. 7.1).Также было установлено, что УФ лучи можно использовать для нанесения ри¬
сунка на S-слои (рис. 7.2). На сформированный на поверхности кремниевого чипа
S-слой накладывается фотомаска, после чего он подвергается УФ облучению.
Литографию, основанную на применении таких слоев вместе с биомолекулами
и неорганическими соединениями, можно применять для производства так на¬
зываемых лабораторий на чипе. S-слои также используются для создания ультра¬
фильтрующих мембран, пропускающих соединения определенной молекулярной
массы, а также для иммобилизации молекул на слои с четко определенной гео¬
метрией.
74Глава 7Кремниевый чипРис. 7.1. Схема нанесения рисунка по S-слою с помощью коротковолнового УФ излучения
эксимерного ArF-лазера. С любезного разрешения Uwe Sleytr.Рис. 7.2. АСМ-изображение рисунка на S-слое, сформированном на поверхности крем¬
ниевого чипа. Длина масштабного отрезка - 1000 нм. С любезного разрешения
Uwe Sleytr.7.2.	Производство нанопроводников с помощью ДНКДНК - очень удобный строительный материал для нанотехнологий, что изящ¬
но продемонстрировал в своих работах Н. Зееман (см. главу 6). Тем не менее по¬
Применение сборок из биомолекул в нанотехнологии75лученные из ДНК структуры довольно инертны. Как будет показано ниже, особые
свойства ДНК и ее способность к специфичному взаимодействию с различными
белками находят прямое применение в нанотехнологии. В этом случае ДНК ис¬
пользуется как матрица для создания нанопроводников, в которой закодирована
необходимая для производства информация.Авторами одной из первых и наиболее изящных демонстраций применения
ДНК в качестве биоматериала для нанотехнологий являются Ури Сиван (Uri
Sivan) и Эрец Браун (Erez Braun) с коллегами (рис. 7.3). Их первые работы по при¬
менению ДНК в нанотехнологиях были посвящены управляемой металлизации
молекул ДНК (Braun et al., 1988). В этом методе частицы серебра осаждались на
двухцепочечной молекуле ДНК и наращивались до образования металлического
проводника равномерной толщины. Так были получены проводники длиной до
100 нм, обладающие омической проводимостью.Одно из важнейших преимуществ нанопроводников на основе ДНК состоит
в возможности «записи» в молекулу ДНК информации, необходимой для ее свя¬
зывания с другими компонентами. Это открывает дорогу для создания электри¬
ческих цепей, образующихся путем самосборки. Дальнейшие достижения этой
группы связаны с методом молекулярной литографии (Keren et al., 2002). В дан¬
ной работе использовался белок RecA, специфически связывающийся с уникаль¬
ными последовательностями в цепи ДНК (рис. 7.4).Молекулы данного белка, связываясь с ДНК, закрывают определенные участ¬
ки цепи от химической металлизации. Таким образом, этот метод обеспечивает
осаждение металла на строго определенных участках ДНК, заданных ее последо¬
вательностью. Авторы назвали метод молекулярной литографией. Если провести
аналогию с традиционной литографией (см. главу 2), информация, закодирован¬
ная в молекуле ДНК, играет роль маски, а связывающийся с ДНК белок является
эквивалентом защитного слоя.7.3.	Амилоидные фибриллы как матрицы для производства
нанопроводниковПомимо ДНК существуют и другие материалы, весьма удобные для нанокон¬
струирования. Примерами могут служить белковые и полипептидные фибриллы
(Luckey et al., 2000; Papanikolopoulou et al., 2005; Mitraki and van Raaij, 2005). Ами¬
лоидные фибриллы (см. главу 3) - интересные структуры, обладающие при малом
(7-10 нм) диаметре выдающейся механической прочностью и химической устой¬
чивостью. Они легко образуются из очень простых строительных блоков - корот¬
ких пептидов из пяти-шести аминокислот (Tenidis et al., 2000; Reches et al., 2002).Возможность использования амилоидных фибрилл в качестве матриц для про¬
изводства наноматериалов была показана на примере прионных белков дрожжей
(Scheibel etal., 2003). Эти белки подвергаются самосборке in vitro, их легко синте¬
зировать в больших количествах. Методами генной инженерии в прионный белок
ввели дополнительный остаток цистеина, отсутствующий в исходной молекуле.
76Глава 7100 мкмИпыи Дп++Гиппп*инпн/Н+Серебряный нанопроводникРис. 7.3. Производство нанопроводников путем металлизации олигомеров ДНК. Нанопро¬
водники образуются в результате покрытия серебром одноцепочечных молекул ДНК,
специфически связывающих комплементарные ДНК-олигомеры. Воспроизводится
с разрешения Macmillan Publishers Ltd: Nature (Braun et al.), (C) 1998.Ее тиоловая группа является точкой начала осаждения металла на фибриллы (рис.
7.5). Подобно металлическим нанопроводникам на основе ДНК проводники на
основе фибрилл обладают отличной проводимостью.Использование амилоидных фибрилл в качестве матриц для производства ме¬
таллических проводников удобно и тем, что даже очень короткие пептиды об¬
разуют длинные проводники, сильно похожие на те, что получают из крупных
белковых молекул и полипептидов. Более того, типичные амилоидные фибрил¬
лы удалось получить даже из модифицированного дипептида (Reches and Gazit,
Применение сборок из биомолекул в нанотехнологии77О О оСпецифическое
связывание
с определенной
последовател ьностью
ДНКБелок RecAДНКСайт
связывания
RecAМеталлизация
и удаление белкаРис. 7.4. Молекулярная литография с применением белка RecA. RecA специфически связы¬
вается с уникальными последовательностями ДНК, закрывая эти участки молекулы
от металлизации.Волокна nmk154C
с частицами
коллоидного золотаОООчттРНаращиваниесеребромНаращиваниезолотомРис. 7.5. Покрытие металлом амилоидных нанофибрилл, а) Сначала с определенными
тиоловыми группами молекул - строительных блоков - связывается коллоидное
золото, затем серебро и снова золото, в результате фибрилла полностью покрывает¬
ся металлом, что видно под микроскопом (b-d). Воспроизводится из Scheibel et al,
(2003) с разрешения. (С) 2003, Национальная академия наук США.Металлизированнаяфибрилла«Голая» фибрилла
78Глава 72005). Это обстоятельство делает возможным массовое производство амилоидных
матриц для металлизации, что может оказаться экономически рентабельным.7.4.	Металлизация химически модифицированных актиновых
филаментовЕще один вид нанофибрилл, упомянутый в этой книге, - актиновые филамен¬
ты. Эти фибриллы диаметром 7 нм образуются путем самосборки и обладают вы¬
сокоупорядоченной структурой. Кристаллическая структура мономеров актина
известна, что позволяет конструировать их модифицированные варианты, обла¬
дающие нужными функциями. Эти фибриллы также весьма интересны как плат¬
форма для конструирования наноматериалов. Одним из преимуществ актиновых
филаментов является возможность их управляемой полимеризации и деполиме¬
ризации в присутствии АТФ. Так, Итамар Вилнер (Itamar Willner) с коллегами
продемонстрировали реполимеризацию покрытых золотом актиновых филамен¬
тов, из которых после каталитического наращивания наночастиц были получены
металлические нанопроводники (рис. 7.6; Patolsky et al, 2004). Те же авторы пока¬
зали, что в присутствии АТФ проводники на базе актина способны перемещаться
по поверхности миозина. Таким образом, актиновые компоненты сочетают воз¬
можность металлизации с особыми механическими, что позволяет создавать из
них настоящие биомолекулярные наноэлектромеханические устройства (так на¬
зываемые BioMEMS-системы).7.5.	Применение пептидных нанотрубокСледующая группа наноматериалов, спроектированных по образцу биомолекул
и применявшихся для создания металлических проводников, - ADPN-нанотрубки
(нанотрубки из содержащих ароматические аминокислоты дипептидов). Это по¬
лые цилиндры, внутренний диаметр которых исчисляется десятками нанометров.
В результате селективного входа ионов металлов в просвет нанотрубки образу¬
ются нанокабели с проводящим «сердечником», а не покрытием (рис. 7.6; Reches
and Gazit, 2003). После обработки протеолитическими ферментами пептидное по¬
крытие удаляется и остается серебряный проводник диаметром всего лишь 20 нм-	это меньше, чем удается достичь с помощью традиционной литографии. Благо¬
даря выдающейся жесткости нанотрубок удается получать очень длинные прово¬
дники (рис. 7.7).Как и другие описанные выше биоматериалы, пептидные нанотрубки можно
покрывать металлом и снаружи. Комбинируя образование внутреннего проводя¬
щего стержня с наружным металлическим покрытием, удается получать из пеп¬
тидных нанотрубок коаксиальные нанопроводники, которые найдут широкое при¬
менение в молекулярной электронике.
Применение сборок из биомолекул в нанотехнологии79Рис. 7.6. Металлизация актиновых фибрилл. После химического пришивания частиц золота
и диализа актиновые мономеры сополимеризуют с дополнительными мономерами,
после чего метлаллические частицы наращивают до образования золотых нанопро¬
водников. Воспроизводится из Macmillan Publishers Ltd: Nature Materials (Patolsky
et al.), (C) 2004. С любезного разрешения Itamar Willner.Цитрат натрия^ Afl* АЙ )	►х - 20 нмНанотрубка,	Серебряныйзаполненная серебром	нанопровод100 птРис. 7.7. Образование серебряных нанопроводников на основе пептидных нанотрубок. В
просвете трубки ионы серебра восстанавливаются до металлического серебра, после
чего пептидное покрытие расщепляется ферментом. По Reches and Gazit (2003), с
изменениями.
80Глава 77.6.	Бактериофаги как новые биоматериалыОчень интересный тип строительных блоков для нанотехнологий представ¬
ляют бактериофаги - вирусы, поражающие бактерии. А. Белчер первой удалось
использовать модифицированные фаговые частицы в нанотехнологии. Важное
преимущество фагов заключается в их способности нести на поверхности мно¬
жество экземпляров нужных белковых молекул. Использование этих свойств для
селекции высокоаффинных пептидов из библиотек описано в главе 5.А. Белчер со своей группой создали метод получения магнитных, полупрово-
дящих и проводящих нанокабелей из коротких пептидов, обладающих высокой
аффинностью к неорганическим материалам (Lee et al., 2002а; Мао et al., 2004).
Короткие пептиды с аффинностью к различным пептидам и полупроводникам
презентировались на поверхности оболочки фага, частицы которого использова¬
лись для сборки более крупных наноконструкций. В одной из последних работ
этого коллектива описан процесс сборки электродов для ионно-литиевых батарей
с применением фаговых частиц (Nam et al., 2006).7.7.	Применение пептидных матриц для биоминерализацииБольшинство строительных блоков живых систем, включая белки, нуклеиновые
кислоты, полисахариды и фосфолипиды, представляет собой органические мо¬
лекулы на основе углерода. Однако не следует забывать и о роли неорганических
материалов. Именно они обеспечивают механическую прочность костей и зубов.
Самым распространенными минералами в живых системах являются, конечно же,
различные соединения кальция. Соответственно, поглощение и включение в состав
организма кальция играет ключевую роль в обеспечении здоровья человека. Такая
болезнь, как остеопороз, связана с нарушениями накопления кальция в костной тка¬
ни. Другие организмы используют иные минералы, например кремний, подробнее
о них - ниже в этой главе.Очевидно, что в костной ткани неорганических материалов содержится больше,
чем в других тканях. Около 30 % костной ткани составляют органические компонен¬
ты, представленные, главным образом, коллагеновыми фибриллами, обеспечиваю¬
щими прочность и гибкость костей. Такие же фибриллы являются одним из основ¬
ных компонентов соединительных тканей, включая кожу и сухожилия (см. главу 3),
остальные 70 % приходятся на неорганические составляющие. Они представлены ми¬
нералом гидроксиапатитом, включающим различные соединения кальция - фосфат,
карбонат, фторид, гидроксид и цитрат. В костях кальций существует главным образом
в виде кристаллических стержней толщиной 1-2, шириной 2-4 и длиной 20-40 нм.У животных еще одна важная группа тканей, состоящих главным образом из
неорганического материала, - ткань зубов. Так, дентин содержит около 70 % неор¬
ганических компонентов, а твердая эмаль - около 98 %. Как и в костях, основным
неорганическим компонентом этих тканей является гидроксиапатит.
Применение сборок из биомолекул в нанотехнологии817.8.	Производство композитных неорганических наноматериаловМногие биомолекулы служат матрицами, на которых строятся макроскопи¬
ческие неорганические структуры в ходе процесса, называемого биоминерали¬
зацией. При образовании твердых тканей (костей, зубов и раковин) происходит
кристаллизация неорганических материалов, таких как карбонат кальция, на био-
полимерной матрице. Подобные биокомпозитные материалы сильно отличаются
от кристаллов, образующихся в отсутствие матриц. Кристаллы обычно «встраи¬
ваются» в сложные макроструктуры и не имеют характерных для кристаллов гра¬
ней. Естественно, все эти процессы происходят при физиологических значениях
температуры и давления.Карбонат кальция - важнейшее соединение для биоминерализации неоргани¬
ческих структур человеческого тела. Однако следует заметить, что биоминерали¬
зация очень часто встречается и у морских организмов; у некоторых из них в ходе
этого процесса формируются замечательные наноструктуры. Одним из ярчайших
примеров являются диатомеи - одноклеточные водоросли размером несколько
микрон. Эти крошечные создания покрыты восхитительной оболочкой, постро¬
енной из кремния. Детали оболочки диатомей похожи на рисунки, которые обра¬
зуются во время литографии на кремнии при высокой температуре и давлении.Рис. 7.8. Структуры, которые морские организмы «строят» из соединений кремния. С лю¬
безного разрешения Carole Perry.
82Глава 77.9.	Применение биоминерализации в нанотехнологииПрименение биоминерализации в нанотехнологии вызывает большой инте¬
рес. Возможность создания сложных неорганических структур, таких как искус¬
ственные кости и зубы, с использованием биологических матриц, управляющих
формированием неорганической структуры, может изменить лик современной
медицины. Значительные усилия в настоящее время предпринимаются для иссле¬
дования различных биоорганических матриц, на которых путем кристаллизации
образуются неорганические макроструктуры.Другое направление исследований связано с конструированием наноструктур
из кремния «по приницпу» диатомей. Это особенно интересное направление, про¬
рыв в котором дал бы метод одновременного создания кремниевых структур (со¬
временные литографические методы позволяют делать это только последователь¬
но). В одном из методов, базирующихся на таком подходе, используется фрагмент
силаффина-1 - белка, направляющего формирование кремниевых структур. Этот
фрагмент содержит повторяющуюся последовательность аминокислот, опреде¬
ляющую морфологию кремниевых структур (Naik et al., 2003).
Глава 8Применение достижений бионанотехнологии в медицине
и в других областяхОдно из ключевых направлений развития нанобиотехнологии и бионанотех¬
нологии определяется возможностью их использования в медицине. Как сказано
в предыдущих главах, наноструктуры с успехом применялись для решения раз¬
ных задач, включая адресную доставку лекарств к заданным органам, создание
сверхчувствительных сенсоров и диагностических средств. Эта глава начинается
с описания применения в медицине методов нанотехнологии, а также нанострук¬
тур как биологического, так и небиологического происхождения. Одни методы
уже используются на практике (для них приводятся реальные примеры примене¬
ния), другие только предстоит внедрить. Нанотехнологическим методам будуще¬
го, таким как тканевая инженерия и лечение генетических дефектов путем моди¬
фикации клеточной ДНК in situ, посвящена 9 глава. Медицина - главная область
применения достижений нанотехнологии, но не следует забывать и о других, не
менее важных сферах жизни. Это - сельское хозяйство, использование водных
ресурсов, косметическая и другие отрасли промышленности, о которых рассказы¬
вается во второй части этой главы.8.1.	Совершенствование лекарств за счет нанокристалловОдин из менее сложных путей совершенствования лекарственных препаратов
состоит в получении их нанокристаллов, существенно отличающихся от аморф¬
ных порошков, доминирующих в настоящее время. Размер этих нанокристаллов
больше, чем у вышеописанных неорганических кристаллов, и составляет 200-500
нм. Нанокристаллы принимают внутрь в виде водных суспензий.Данный метод обладает целым рядом преимуществ перед традиционными ме¬
тодами приема лекарств. Лекарственные препараты в виде нанокристаллов лучше
всасываются в пищеварительном тракте, т.е. их биодоступность намного выше.
Кроме того, в такой форме лекарства более устойчивы к биодеградации в организ¬
ме, а также более стабильны при хранении, что увеличивает срок их годности.В последние годы несколько видов «нанолекарств» разрешены FDA (Food
and Drug Administration - управление пищевыми продуктами и лекарственными
препаратами США) к применению. Одобрение FDA одним из первых среди на-
нокристаллических препаратов получил иммунодепрессант Rapamune производ¬
ства корпорации Wyeth (это было в 2000 г.). Новая формула препарата обладала
большей биодоступностью и улучшенной фармакокинетикой. В настоящее время
предпринимаются попытки создания наноформ для препаратов на основе белков
84Глава 8(крупных пептидов), таких как инсулин и другие гормоны, что сделало бы воз¬
можным пероральный прием этих лекарств (прим. ред.: гормоны, как правило,
относят к белкам. Инсулин принято считать самым маленьким белком).8.2.	Наноконтейнеры для доставки лекарствБолее сложные нанотехнологии, применяемые для транспортировки лекарств
в организме, используют гетерологичные наноконтейнеры. Как отмечено выше,
адресная доставка лекарств к заданным органам была одной из первых областей
применения липосом, образующихся путем самосборки липидов (рис. 8.1). У
липосом множество преимуществ, обусловленных их относительной стабильно¬
стью, способностью эффективно удерживать биомолекулы и низкой скоростью
утечки. Кроме того, липосомы состоят из природных биомолекул и поэтому ор¬
ганизм воспринимает их как «свои» структуры. Организация липосом позволяет
метить их поверхность различными по аффинности биомолекулами (и не толькоДоставка лекарств
с помощью липосомРис. 8.1. Доставка лекарств с помощью фосфолипидных липосом. Липосомы - это замкну¬
тые контейнеры, которые могут применяться для доставки различных приложений.
Липосомы обладают биосовместимостью и могут нести на поверхности молекулы,
обеспечивающие их нацеливание на заданные органы и ткани тела. Липосомы
способны доставлять не только лекарства, но и генетический материал для генной
терапии.
Применение достижений бионанотехнологии в медицине и в других областях 85ими), что дает возможность нацелить их на клетки и ткани, несущие определен¬
ные лиганды и рецепторы.Аффинность чрезвычайно важна для доставки токсичных препаратов, напри¬
мер при химиотерапии. Точное нацеливание таких липосом на пораженные орга¬
ны и ткани позволяет увеличивать дозу препарата, снижая риск побочных эффек¬
тов и повреждения здоровых тканей.Возможность использовать лекарства в наноконтейнерах также влияет на ско¬
рость всасывания, распределение и вовлечение препарата в метаболизм, что по¬
зволяет разрабатывать более совершенные и комфортные для пациентов способы
лечения.Как сказано выше, липосомы могут применяться для доставки не только ле¬
карств, но и других веществ, например молекул ДНК. В последнем случае липосо¬
мы используются для генной терапии, основанной на доставке в клетки, несущие
некоторый ген, «испорченный» мутацией, копий нормального гена. Возможно,
таким способом удастся излечивать различные генетические заболевания, напри¬
мер кистозный фиброз, развивающийся в результате определенной мутации. Тот
же метод может помочь в борьбе с опухолями, возникающими вследствие сома¬
тической мутации генов-супрессоров опухолевого роста, вызванных действием
канцерогенов. Липосомы, помеченные молекулами, узнающими нужные клетки,
могут заменить вирусные векторы, которые применяются в настоящее время для
доставки генов. С использованием вирусных векторов связан ряд проблем. Это,
в частности, побочные эффекты, вызываемые встраиванием вирусов в геном па¬
циента. В подобном случае «биологически инертная» система доставки обладает
рядом преимуществ. Для доставки генов применяются липосомы, собранные из
катионных липидов вместо анионных природных липидов. Катионные липиды
несут положительный заряд и образуют везикулы совершенно так же, как природ¬
ные фосфолипиды (Hart, 2005). Преимущество катионных липидов в том, что их
положительный заряд позволяет им взаимодействовать с отрицательно заряжен¬
ными молекулами ДНК.До сих пор упоминались главным образом фосфолипидные липосомы, но су¬
ществуют и другие биосовместимые наноконтейнеры, которые можно использо¬
вать в тех же целях, что и липосомы. К ним относятся структуры на основе био¬
молекул, такие как пептидные наносферы и нановезикулы (см. главу 6), и другие
органические и даже неорганические материалы, образующие капсулу, которая
освобождает полезные молекулы в строго определенном месте.8.3.	Применение нанопроводников для биологической детекцииДля создания сверхчувствительных сенсоров необходимы полупроводниковые
нанопровода, особенно выполненные из кремния. Чарльз Л ибер (Charles М. Lieber)
с коллегами разработали очень эффективный метод применения кремниевых на¬
нопроводников для решения биологических задач (Patolsky et al, 2004; Zheng et
al, 2005; Wang et al., 2005). К этим проводникам пришиваются высокоаффинные
86Глава 8антитела (см. главу 5), их взаимодействие с лигандами можно детектировать при
помощи полевых нанотранзисторов (рис. 8.2). Такие нанопроводники настолько
чувствительны, что изменяют проводимость даже при связывании единственной
вирусной частицы, что позволяет обнаруживать единичные вирусы (Patolsky et
al, 2004). Подобный уровень чувствительности чрезвычайно важен для решения
самых разных задач: ранней диагностики заболеваний, обеспечения безопасности
окружающей среды и национальной безопасности, защиты от химического и био¬
логического оружия, а также для управления различными наномашинами.Недавно эти же авторы продемонстрировали метод обнаружения биологи¬
ческих меток с использованием мультиплексированных сенсоров на основе ма¬
триц из нанопроводников (Zheng et al., 2005). Подобные устройства позволяют
одновременно отслеживать взаимодействие с большим числом лигандов. Как
и в случае детекции вирусов, чувствительность такого сенсора очень высока:
вещества-биомаркеры обнаруживаются в пикограмовых и даже более низких
концентрациях. Возможность отслеживать изменение электрического сигнала
позволяет определять кинетику связывания и освобождения молекул во време¬
ни. Таким образом, нанопроводниковые мультиматрицы являются альтернати¬
вой методу SPR (см. главу 4). Как и SPR, нанопроводники обеспечивают обна¬
ружение целевых молекул без использования внешних меток с очень высокой
чувствительностью. Необходимо также подчеркнуть, что нанопроводники ра¬
ботают по принципу транзистора, и связывание лиганда может приводить к
усилению либо ослаблению тока в зависимости от типа проводника. Проводи¬
мость нанопроводников p-типа, созданных из кремния с трехвалентными при¬
месями (такими как атомы бора и алюминия, у которых отсутствует электрон
на внешней электронной оболочке), снижается при связывании положительно
заряженных лигандов, а при связывании отрицательно заряженных молекул -
повышается. Для нанопроводников n-типа (сделанных из кремния с атомамиРаспознающий	Определяемыйэлемент	* лигандМеталлический %	фконтакт \® mi	^ ® ш ^КремниевыйнанопроводникРис. 8.2. Обнаружение взаимодействия биомолекул с помощью кремниевых нанопровод¬
ников. В результате связывания заряженных лигандов изменяется ток через крем¬
ниевые нанопроводники р- или n-типа. Отслеживая интенсивность взаимодействия
биомолекул, можно получить информацию не только о количестве лиганда, но и о
кинетике его связывания и освобождения.
Применение достижений бионанотехнологии в медицине и в других областях 87примесей, обладающих неспаренным электронами, такими как мышьяк) верно
обратное.8.4.	Применение «мягкой» литографии в биотехнологииТрадиционная литография (см. главу 2) является ключевой технологией в совре¬
менной микроэлектронной промышленности. Другой тип изготовления поверх¬
ностных наноматериалов называется «мягкой» литографией, или микроконтакт-
ной печатью. Джордж Уайтсайдс (George М. Whitesides) с коллегами, создатели
этой технологии, считают, что она найдет широкое применение в нанотехнологии
и в нанобиотехнологии в частности (Whitesides et al., 2001; Shim et al., 2003). В
методе «мягкой» литографии используется штамп с микроскопическим рисунком,
сделанный из полидиметилсилаксана (ПДМС,РОМ8), эластичного и прозрачного
в видимой и УФ области (до 240 нм) материала. Рисунок на этот штамп наносится
с помощью мастер-формы.Штампы из ПДМС сами по себе весьма удобны для решения различных био¬
логических задач. Вышеупомянутые физические свойства таких штампов на¬
ряду с отличной химической устойчивостью, высокой термостабильностью
и биосовместимостью делают их отличным инструментом для изготовления
гидравлических микроустройств, основанных на заполненных водой микрокана¬
лах. Такие устройства позволяют исследовать свойства отдельных клеток в самых
разных экспериментальных условиях. Этот метод дает возможность изучать реак¬
ции отдельных клеток и одноклеточных организмов на различные внешние сигна¬
лы, изменения этих реакций в различных химических и биологических условиях,
хемотаксис (отклик на градиент концентрации некоторого вещества; примером
может служить химический сигнал, привлекающий сперматозоиды к яйцеклетке),
химический состав и дифференциацию клеток (Li Jeon et al., 2002; Wang and Ho,
2004; Wu et al., 2004).Другая очень интересная область применения «мягкой» литографии - «печать»
органическими молекулами, в том числе белковыми. Штамп в этом случае обма¬
кивается в раствор нужных молекул, как в раствор чернил, а после прикладывания
к поверхности промывается и высушивается. Так удается получать нанорисунки
из различных белковых и пептидных молекул (Kane et al., 1999; Foley et al., 2005)-	это удобный способ производства биосенсоров, белковых и ДНК-матриц, а так¬
же нанесения на поверхности сигнальных молекул для тканевой инженерии (под¬
робнее об этому - в главе 10).8.5.	Контрастирующие магнитные наноматериалыСреди важных технологий, которые будут значительно усовершенствованы
благодаря внедрению достижений нанотехнологий, следует отметить создание
контрастирующих агентов для магнитно-резонансной визуализации (Magnetic
Resonance Imaging, MRI). Этот метод замечателен своей безопасностью и возмож¬
88Глава 8ностью очень точного картирования структур (в случае магнитно-резонансной
томографии (МРТ). В отличите от компьютерной томографии, основанной на
использовании вредных рентгеновских лучей, МРТ базируется на дифференци¬
альном взаимодействии различных биологических структур с интенсивным маг¬
нитным полем. Этот метод намного безопаснее при длительных исследованиях и
потому используется для мониторинга состояния организма. Такие методы, как
функциональная МРТ, позволяют отслеживать сложные процессы, в частности
рассудочную деятельность мозга, путем непрерывного мониторинга изменений,
происходящих в мозгу при решении различных задач. С другой стороны, МРТ, по¬
добно другим магнитно-резонансным методам, является не самым чувствитель¬
ным методом.Для визуализации в МРТ применяются ферромагнитные соединения. К ним
относятся вещества на основе железа, например его окислы (те же самые ма¬
териалы используются для изготовления компьютерных жестких дисков), а
также металлы, такие как гадолиний. В чистом виде применение металлов-
ферромагнетиков ограничено из-за токсичности и малой доступности, поэтому
предпочтение отдается органическим комплексам. Использование нановезикул
обеспечит более плотную упаковку ферромагнитных частиц, что позволит су¬
щественно увеличить чувствительность метода. Кроме того, как и везикулы для
доставки лекарств, везикулы с ферромагнетиком можно нацеливать на нужные
структуры. Направив такие наноносители на определенные связанные с заболе¬
ванием рецепторы, можно будет выявлять местоположение пораженных участ¬
ков, например опухолей.8.6.	Сельское хозяйство с приставкой «нано»Большинство областей применения нанотехнологий связано с медициной, од¬
нако не стоит забывать о такой обширной и важной с социальной и экономической
точек зрения отрасли, как сельское хозяйство. Оно является поставщиком пищи и
некоторых строительных материалов. Кроме того, истощение природных ресур¬
сов и повышение цен на нефть и природный газ в будущем приведут к тому, что
сельское хозяйство станет источником энергоносителей, а также сырья для хи¬
мической промышленности. Многие нанотехнологические методы диагностики и
лечения, первоначально разработанные для применения в медицине, пригодны и
для использования в сельском хозяйстве. Простейшим примером служит ветери¬
нария: многие лечебные и диагностические средства, разработанные для людей,
применятют и для лечения домашних животных. Как и в случае с вакцинами и
антибиотиками, внедрение достижений нанотехнологий должно в корне изменить
ветеринарную практику. Значительный прогресс благодаря внедрению нанотех¬
нологий ожидается и в растениеводстве. Следует заметить, что за последние годы
растениеводство шагнуло далеко вперед, и продуктивность сельского хозяйства
в расчете на единицу площади постоянно растет. В этой области нанотехноло¬
гии могут применяться, например, для создания наноконтейнеров для удобрений,
Применение достижений бионанотехнологии в медицине и в других областях 89медленно отдающих заключенные в них питательные вещества. Возможно, эти
контейнеры будут освобождать удобрения не только по «зашитой» в них програм¬
ме, но и учитывать при этом состояние растения и окружающей среды, обеспечи¬
вая максимально эффективное использование удобрений для роста растений.8.7.	Нанотехнологии и водные ресурсыТехнологии использования водных ресурсов, или «водные» технологии (water
technologies, WaTech), быстро завоевали одно из центральных мест в индустрии
XXI века. К этой категории относятся различные методы опреснения и очистки
воды, а также мониторинг ее качества. В более совершенных «водных» техно¬
логиях нуждаются жители не только пустынных территорий, но и мегаполисов,
в которых остро стоит проблема очистки все возрастающего количества сточ¬
ных вод. Крупные компании, такие как General Electric, прилагают много усилий
для завоевания лидерства в этой быстро развивающейся отрасли (см. http://www.
gewater.com/).Нанотехнологии способны принести значительную пользу для «водных» тех¬
нологий. Для очистки воды чаще всего применяются фильтры с нанопорами, про¬
пускающими воду и задерживающие соли и другие примеси. Разработка новых
мембранных фильтров должна повысить качество и снизить стоимость очистки
воды. Бионанотехнологиям отводится особая роль в этом процессе. Поскольку ма¬
териалы для мембранных фильтров должны быть гидрофильными, нетоксичными
и биосовместимыми, их можно изготавливать из биомолекулярных сборок, таких
как нанотрубки.Бионанотехнологии также помогают бороться с обрастанием фильтрующих
мембран микроорганизмами (бактериями и плесневыми грибами). Для этого в
фильтры внедряют биоматериалы, препятствующие росту нежелательной микро¬
флоры. Такой эффект достигается благодаря особой наноструктуре материала,
включающего физические и (био)химические соединения, ингибирующие рост
бактерий. Для этой цели также могут использоваться определенные вещества,
медленно освобождающиеся из нанокапсул, в которые они заключены.Другая важная область применения био- и нанотехнологий в «водных» техно¬
логиях - мониторинг качества воды. Необходимо иметь возможность обнаружить
вредоносные биологические и химические примеси, которые могут попасть в
воду в результате действий злоумышленников либо в прроцессе опреснения (на¬
пример, при опреснении воды из некоторых источников повышается уровень бора
и солей радиоактивных металлов).8.8.	НанокосметикаЕще одна из интересных областей применения нанотехнологий с потенциаль¬
но необъятным рынком сбыта - нанокосметика. Косметические компании стре¬
мятся насытить кожу омолаживающими веществами, улучшающими ее внешний
90Глава 8вид и физиологические показатели. К ним относятся питательные вещества, такие
как витамины (пример - витамин Е, липофильный антиоксидант, который невоз¬
можно принимать перорально в больших количествах), кофакторы (Q10) и даже
белки (например, фибриллы коллагена).Наноконтейнеры - очень подходящее средство доставки вышеперечисленных
веществ в кожу человека. Для этого в косметической индустрии давно исполь¬
зуются липосомы: еще в 1986 г. фирма Диор включила липосомы в состав своей
линии «Каптюр». Здесь, как и при доставке лекарств (см. предыдущую главу),
липосомы играют роль контейнеров, переносящих препарат к месту применения.Однако в липосомы можно заключать только гидрофильные (водораствори¬
мые) вещества, поскольку гидрофобные соединения нарушают целостность ли-
посом, самосборка которых идет за счет гидрофобных взаимодействий. Более ве¬
роятными кандидатами на роль наноконтейнеров для доставки в кожу гидрофоб¬
ных соединений являются везикулы из пептидов, самосборка которых основана
на электростатических взаимодействиях.8.9.	Использование солнечной энергииСчитается, что в будущем достижения бионанотехнологии обеспечат более
эффективное использование солнечной энергии. Эта область всегда привлекала
большое внимание ученых, поскольку значительную долю мировой потребности
в энергии удалось бы покрыть за счет солнца при наличии достаточно эффектив¬
ной техники. В отличие от ископаемого топлива и атомной энергии, энергия солн¬
ца обходится дешево, а ее добыча и использование не наносят вреда окружающей
среде. Повышение цен на нефть и истощение ее мировых запасов стимулируют
поиски альтернативных источников энергии (таких как геотермальные скважины
и ветряные электростанции).Текущие конструкции солнечных элементов основаны на твердотельных
полупроводниках с определенными примесями, преобразующих фотоны в
электрический ток. Одним из ограничений использования солнечной энергии яв¬
ляется низкая (около 10 % у серийных образцов) продуктивность фотоэлементов.
Эффективное использование солнечной энергии - важная задача, поэтому в нано¬
технологии большие усилия вкладываются в повышение КПД устройств, преоб¬
разующих световой поток в электрический ток. Для этого вместо кристалличес¬
ких полупроводников применяются новые типы органических полупроводников,
материалы на основе пористого оксида титана и квантовые точки. Уже получены
весьма многообещающие результаты: эффективность опытных образцов дости¬
гает 30 %.Использование биологических систем позволит дополнительно увеличить эф¬
фективность использования солнечной энергии. Как известно читателям, одной
из основ жизни является преобразование энергии солнца в ходе фотосинтеза.
Этот процесс осуществляют растения и фотосинтезирующие бактерии. Струк¬
туры, обеспечивающие фотосинтез - наносборки, ответственные за поглощение
Применение достижений бионанотехнологии в медицине и в других областях 91света и преобразование его в химическую энергию, - совершенствовались в те¬
чение миллиардов лет эволюции. Общая эффективность этой системы невероят¬
но высока и составляет 1,0, то есть каждый поглощенный фотон переводит один
электрон в возбужденное состояние. В бионанотехнологии предпринимаются по¬
пытки встроить фотосистемы живых организмов в солнечные ячейки. Особенно
перспективно использование для этой цели «фотосинтетических» белков фото¬
бактерий, способных функционировать в экстремальных условиях.Группа из MIT, которую возглавляет Ш. Цзянь (Shugaung Zhang), автор нова¬
торской работы по самосборке пептидов (см. выше), вместе с коллегами уже дока¬
зала возможность использования биологических фотосистем в солнечных батаре¬
ях (рис. 8.3, Kiley et al, 2005). Эти исследователи нанесли толстый слой молекул
светособирающего комплекса на поверхность органического полупроводника, в
свою очередь нанесенного на металлический электрод.Металлический
электродПоток электроновБиологическаяфотосистемаОрганический
полупроводникhv Падающий поток фотоновРис. 8.3. Солнечная батарея на основе биомолекул. Как в кремниевых и прочих полупрово¬
дниковых фотоэлементах, в биомолекулярной солнечной батарее электромагнитное
излучение возбуждает ток электронов в полупроводнике. Биологическая фотосистема
существенно повышает эффективность поглощения фотонов солнечного света.
Глава 9Перспективы нанобиотехнологии и бионанотехнологииНанобиотехнология и бионанотехнология - новые научные дисциплины, кото¬
рые еще не вышли из детского возраста. Перед ними открываются невообразимо
широкие перспективы, но еще больше возможных направлений развития толь¬
ко предстоит исследовать. В этой главе вы познакомитесь с главными направле¬
ниями, по которым, как предполагается, пойдет развитие этих наук в будущем.
Некоторые идеи стоят на пороге реализации, в то время как другие пока живут
лишь в мыслях смелых мечтателей. Глава начинается с описания направлений,
рождающихся на стыке генной инженерии и нанотехнологии, от них мы перейдем
к «химической» проблематике, а закончим перспективами, которые в настоящее
время выглядят совершенно фантастическими.9.1.	На стыке молекулярной биологии и биотехнологииБесспорно, молекулярная биология играла центральную роль в науке второй
половины XX столетия. Начался прошлый век настоящей революцией в физике,
но вторая его часть прошла под знаменем революции в биологии. Стало возможно
без особого труда «читать» последовательности ДНК самых разных организмов,
клонировать гены и добиваться экспрессии клонированных последовательностей,
а также манипулировать структурой белков и РНК - вот лишь некоторые примеры
революционных прорывов. Бюджет биологических исследований в США и дру¬
гих странах постоянно увеличивается, в то время как финансирование прочих от¬
раслей науки - уменьшается. Один из индикаторов этой тенденции - соотношение
бюджетов Национального института здоровья (National Institute Health, NIH) и
Национального агентства по аэронавтике и космическим исследованиям (National
Aeronautics and Space Administration, NASA). В 1960-х годах оба учреждения по¬
лучали примерно одинаковые средства, а в 2006 бюджет NIH был примерно втрое
больше, чем NASA (28 миллиардов долларов против 11). Кроме того, на физи¬
ческих и инженерных факультетах, включая механические и электротехнические
отделения, в традиционно «технических» вузах, таких как Массачусетский и Ка¬
лифорнийский институты технологий (Massachusetts Institute of Technology, MIT
и California Institute of Technology, CalTech), ведутся биологические исследования.
На химических факультетах и факультетах наук о материалах биологии намного
больше. Таким образом, в науке, как и в других областях, уже давно происходит
интеграция физики и биологии. То же самое происходит и в экономике. В При¬
ложении II приводятся данные многочисленных крупных и мелких компаний, ко¬
Перспективы нанобиотехнологии и бионанотехнологии93торые производят продукцию по технологиям, возникшим в результате этого объ¬
единения. Многие крупные «полупроводниковые» компании, такие как Motorola,
также запускают программы, весьма тесно связанные с биологией.9.2.	Разработка модифицированных биосистем
для сборки наноструктурКак сказано выше, в бионанотехнологии используются главным образом при¬
родные молекулы, в основном ДНК, белки и небольшие пептиды. Пока еще мало
изучено направление, возникшее на стыке молекулярной биологии, генной ин¬
женерии и дисциплин, изучающих строительные блоки, из которых путем само¬
сборки образуются компоненты живых систем. Методы молекулярной биологии и
генной инженерии позволяют наделять различными биологическими функциями
белки, обладающие свойством самосборки. Полученные в результате компоненты,
способные выполнять определенные функции в живых системах, можно встраи¬
вать в различные наноструктуры. Предполагается, что в будущем это направление
станет одним из центральных. В принципе такой подход позволит получать не
просто упорядоченные наноструктуры, а наноструктуры с различными функция¬
ми, из которых можно будет собирать наноконвейеры для обработки отдельных
молекул. Вполне вероятно, что в скором будущем инженеры-бионанотехнологи
смогут проектировать типовые схемы линий для производства наноустройств.Значительный прогресс в области нанобиотехнологии ожидается и от слия¬
ния теоретических и методологических основ физики и молекулярной биологии.
Множество методов, исходно разработанных для небиологического применения,
могут принести огромную пользу в биологических исследованиях. И наоборот,
множество рутинных методик, применяемых в молекулярной биологии, можно
значительно усовершенствовать благодаря внедрению в них достижений нанотех¬
нологии. Так, требующие грандиозных затрат труда методы модификации и ам¬
плификации ДНК радикально изменятся благодаря использованию микроканаль-
ных дозаторов и «лабораторий на чипе». Можно предвидеть, что вскоре станет
возможной полностью автоматизированная обработка образцов ДНК с использо¬
ванием наночипов-конвейеров.9.3.	Нанотехнология и тканевая инженерияТканевая инженерия - одно из интереснейших направлений современной био¬
технологии. Под термином «тканевая инженерия», автором которого является Ро¬
берт Лэнгер (Robert S. Langer) из MIT, понимают совокупность методов, обеспе¬
чивающих конструирование и выращивание in vitro тканей человеческого тела.
Методами тканевой инженерии из клеток пациента или других доноров выращи¬
вают ткани, которые в дальнейшем пересаживают этому пациенту. Этот подход
должен радикально изменить многие медицинские методы и искоренить ряд тя¬
94Глава 9желых болезней. Пример - диабет I типа, который можно будет полностью изле¬
чивать путем пересадки искусственно выращенной поджелудочной железы. Более
того, этот метод позволит лечить даже рак поджелудочной железы - одну из самых
тяжелых форм рака с неблагоприятным прогнозом (время жизни пациентов после
постановки диагноза обычно не превышает нескольких месяцев). Другие приме¬
ры возможного применения тканевой инженерии включают выращивание тканей
печени, сердца и почек. В настоящее время единственный способ «замены» отка¬
завшего органа - трансплантация донорского, при этом добыть его не всегда воз¬
можно, возникают проблемы из-за осложнений, вызванных несовместимостью.
Как сказано выше, бионантехнология позволит выращивать «резервные» органы
из собственных клеток пациента либо из клеток его родителей. Организм реципи¬
ента не сможет отличить такие ткани и органы от собственных, что сведет на нет
проблемы из-за отторжения трансплантата.Нанотехнология должна создать «умные» матрицы с определенной нанострук¬
турой и сигнальными свойствами, обеспечивающие управляемую пролиферацию
и дифференциацию клеток (рис. 9.1). Такие матрицы будут играть роль каркасов,
фиксирующих положение стволовых клеток (эмбриональных либо от взрослых
доноров), и обеспечивать подходящие условия для развития искусственных орга¬
нов. Стволовые клетки имеют уникальное свойство дифференцироваться в клетки
с самыми разными функциями. Поскольку каждая клетка обладает полным на¬
бором генетической информации, стволовые клетки могут превращаться в любые
клетки организма со специализированной морфологией, набором функций и спо¬
собностью к восприятию сигналов и синтезу определенных веществ. По данным
некоторых исследований, процессом дифференцировки можно управлять с помо¬
щью внешних электрических сигналов, обеспечивая таким образом нужное на¬
правление развития искусственных органов. Применение полимерных каркасов
для манипуляций с тканями уже продемонстрировано на примере хрящевой тка¬
ни. Так, в старческом возрасте нередко наблюдается дегенерация хрящевой ткани.
Добавление в пищу глюкозамина и хондроитина обеспечивает лишь некоторое
улучшение, далекое от полного излечения. Впрочем, хрящевая ткань довольно
проста по строению и ее образование не требует сложного процесса клеточной
дифференцировки. Соответственно получение искусственной хрящевой ткани
может быть одной из первых задач тканевой инженерии. Из клеток хрящевой тка¬
ни пациента выращиваются фрагменты хряща, которые затем пересаживаются
ему же. Так удастся предотвратить отторжение из-за иммунологической несовме¬
стимости и максимально быстро восстановить функциональность пересаженной
ткани. Намного сложнее для современной биотехнологии проблема воспроизве¬
дения таких органов, как сердце или печень, для которых критически важна диф-
ференцировка клеток согласно определенному и весьма сложному плану.В других случаях наноматериалы могут стимулировать регенеративную функ¬
цию, заложенную в человеческом организме. Это особенно важно для восстанов¬
ления после повреждений нервной системы. Предполагается, что наличие ис¬
кусственных опорных структур, распадающихся в организме после выполнения
своей функции, и правильно организованных в пространстве сигналов для кле-
Перспективы нанобиотехнологии и бионанотехнологии95Полимерныйкаркасэлементы	молекулыРис. 9.1. Применение молекулярного каркаса для выращивания структурированных тканей.
Управление морфологией и функциями растущих тканей обеспечивается направляю¬
щими элементами и модулирующими факторами.точной пролиферации позволят восстанавливать спинной мозг и зрительный нерв
при условии, что лечение начато вскоре после травмы. Если эти методы станут
реальностью, они откроют возможности для пересадки органов чувств, в первую
очередь глаз (как донорских, так и - когда соответствующие технологии достиг¬
нут необходимого уровня - искусственно выращенных методами тканевой инже¬
нерии).9.4.	Конструирование тканей мозгаЕще одно из важнейших направлений тканевой инженерии, которое реже об¬
суждается, но тем не менее чрезвычайно важно для медицины, - выращивание
тканей мозга in vitro. При реализации этого замечательного подхода станет воз¬
можным лечение таких ужасных заболеваний, как болезни Альцгеймера и Пар¬
кинсона. Эти недуги ученые связывают с образованием путем самосборки ами¬
лоидных фибрилл (см. главу 4), что приводит к гибели соседних тканей. Данные
заболевания являются одной из серьезнейших проблем современной медицины.
Согласно оценкам, в 2006 г. в США было около 4 миллионов пациентов с болез¬
нью Альцгеймера, аналогичная ситуация наблюдается и в остальном мире. Эти
болезни возникают преимущественно у пожилых людей; следовательно, по мере
роста средней продолжительности жизни частота этих болезней, связанных с об¬
разованием амилоидных фибрилл, также будет увеличиваться.Методы выращивания отдельных нейронов хорошо отработаны, но соз¬
дать из нейронов функциональную нервную ткань пока не удается. Одно из
направлений решений этой проблемы - использование «умных» полимерных
матриц, формирующих структуру нервной ткани и направляющих путем ор¬
ганизованных в пространстве химических сигналов образование межнейрон-
ных контактов.
96Глава 9Другой подход к инженерии нервных клеток - настоящий нанобиотехнологи-
ческий подход (Kaul et al., 2004). Он основан на закреплении нейронов на кремни¬
евом субстрате, созданном путем литографии, для изучения электрической актив¬
ности этих клеток. Возможно, таким способом удастся создавать нейронные сети
для вычислений. Естественно, конечная цель - создание подобия биокомпьюте¬
ра, аналогичного современным вычислительным устройствам, построенным на
кремниевых чипах. Конечно, подобные исследования обладают громадным по¬
тенциалом, но они сопряжены с серьезными рисками, о которых пойдет речь в
следующей главе.9.5.	Создание композитных материалов из биомолекул
и неорганических соединенийСоздание искусственных тканей - важная биологическая задача, но не
менее важно создать композитные материалы на основе биологических и
неорганических компонентов. Естественно, самыми яркими примерами служат
искусственные кости и зубы. Как упоминалось выше, биоминерализация явля¬
ется важным процессом и в живых, и в искусственных нанобиотехнологических
системах. Результаты исследования этих процессов in vitro могут быть исполь¬
зованы для конструирования данных тканей и органов. Впрочем, возможны и
другие направления, не связанные с имитацией биоминерализации соединениями
кальция. Пример - создание наносистем на основе металлов, таких как платина и
титан, которые в настоящее время используются при конструировании макроско¬
пических протезов.Методы нанотехнологии позволяют создавать упорядоченные наноструктуры
из неорганических веществ, например из соединений кальция, внедрять в них
биологические сигнальные молекулы и получать в итоге материалы с исключи¬
тельной механической прочностью и химической стойкостью.9.6.	Нанобиомашины и нанороботыВажнейшая задача нанобиотехнологии - создание функциональных биоробо¬
тов размером в несколько десятков или сотен нанометров. Такие машины заме¬
нили бы большинство методов современной микрохирургии, обеспечив при этом
более высокую точность операций. Вообразите себе крошечного робота разме¬
ром с клетку, вооруженного микроскопическими скальпелями! Такие микро- и
нанороботы-хируги произвели бы революцию в нейрохирургии благодаря спо¬
собности с исключительной точностью проводить операции на мозге, например
удалять опухоли и зашивать поврежденные кровеносные сосуды, не разрушая
здоровые ткани. Сложные операции на мозге нередко приводят к тяжелым и не¬
излечимым осложнениям. Избежать их позволит применение подобных наноро¬
ботов. Первыми нанороботов придумали писатели-фантасты. Примером может
Перспективы нанобиотехнологии и бионанотехнологии97быть классический роман Айзека Азимова «Фантастическое путешествие», на¬
писанный в 1966 году. В этом романе устройство, которое мы бы сейчас назвали
нанороботом, вводится в тело человека для разрушения опасного тромба, закупо¬
рившего один из сосудов в мозге.Нанороботов можно было бы использовать и для лечения рака на клеточном
уровне. Ключевое событие, которое приводит к трансформации нормальных кле¬
ток в раковые, - мутация ДНК. Большинство случаев рака у человека связано с
мутацией гена р53, кодирующего белок-супрессор опухолевого роста. «Исправле¬
ние» дефектного белка-супрессора на молекулярном уровне - один из ярких при¬
меров медицинских методов будущего. Есть и другие направления, которые пока
что относятся к категории фантастических. Среди них - создание наномашин,
способных обнаруживать мутирвавшие последовательности ДНК, связываться с
ними и вносить исправления путем направленных химических реакций.
Глава 10Заключительные комментарии: будущее и риски
нанобиологической революцииПрогнозирование будущего - одна из самых сложных задач для интеллекта. В
50-х годах прошлого века никто и помыслить не мог о технологической и культур¬
ной революции, вызванной появлением компьютеров и Интернета. Впрочем, тог¬
да и без прогнозов было ясно, что вторая половина XX века пройдет под эгидой
развития электроники и глобальных телекоммуникаций. Сейчас, когда мы стоим
на пороге XXI века, можно с уверенностью сказать, что следующие 50 лет будут
определяться быстрым развитием и революционными прорывами в биологии и
нанотехнологии. Пусть детали этого процесса пока не ясны, но общая тенденция
просматривается весьма четко. В первом десятилетии XXI века биология занима¬
ет примерно то же место, что век назад занимала физика. Общие концепции в этой
области знания уже выработаны, объем экспериментальных данных увеличивает¬
ся взрывными темпами, и необходимая для их интерпретации теория уже суще¬
ствует. Важно, что эти исследования привлекают самое пристальное внимание и
вызывают неподдельный интерес в обществе.Одним из ярких примеров проявления интереса является телемост с участием
Билла Клинтона и Тони Блэра, состоявшийся в конце 1990-х. В ходе мероприя¬
тия было объявлено об успешном завершении проекта по расшифровке генома
человека, затем последовало обсуждение последствий этого события для буду¬
щего всего мира. Несмотря на впечатляющий прогресс, еще не все фрагменты
этой головоломки собраны, и следующие пятьдесят лет уйдут на выяснение не¬
достающей информации. И сейчас с уверенностью можно сказать, что мир сто¬
ит на пороге перехода от классической к новой, современной биологии. Вот-вот
будут сформулированы теории, по своему масштабу и значению близкие к тео¬
рии относительности и квантовой механике. Развитие физики является хорошей
моделью, описывающей развитие науки вообще и биологии в частности. Физика
начинала свой путь как дисциплина, в которой доминировало накопление эмпи¬
рических данных с последующей аппроксимацией их простыми математически¬
ми моделями. Теперь эта область знаний способна давать, благодаря глубокому
теоретическому пониманию, невероятно точные прогнозы в отношении любых,
даже очень сложных процессов. Лишь годы спустя подтвердилась верность пред¬
сказаний некоторых свойств Вселенной, сделанных на основе теории относитель¬
ности Эйнштейна. Биология, главная научная дисциплина XXI века, как и физика
в прошлом столетии, стоит на пороге концептуального переворота. Объединение
биологии с нанотехнологией позволит применить принципы физики и техники
при изучении сложных живых систем, которые представляют собой богатейший
«парк» наномашин, наноустройств и молекулярных сборок.
Заключительные комментарии: будущее и риски нанобиологической революции 99Биологию как научную дисциплину можно рассматривать под разными угла¬
ми зрения и обсуждать на разных уровнях сложности. Самый «поверхностный»
уровень - открытие и формулирование правил, по которым функционирует лю¬
бая живая клетка в нормальном состоянии и при разного рода нарушениях. Тре¬
буется глубокое понимание причин, заставляющих клетки жить, делиться, вы¬
полнять свои функции и в конце концов умирать. Каков полный каскад событий,
определяющих судьбу живой клетки? Почему одни клетки в процессе развития
начинают отличаться от других? Что заставляет одинаковые клетки по-разному
функционировать у разных особей одного вида? Какие нарушения предшествуют
трансформации нормальных клеткок в злокачественные? В чем различие только
что поделившихся клеток в организме младенца и старика?Это лишь очень краткая выдержка из длинного списка вопросов, которые ин¬
тересуют не только ученых, но и всех, кому небезразлично, в чем состоит смысл
жизни. Многие загадки уже разгаданы но развитие таких дисциплин, как геноми¬
ка и протеомика, позволит существенно углубить и расширить понимание этих
вопросов. Недавно завершенный проект «Геном человека», несомненно, является
одной из ключевых вех в этом направлении. Следующий этап - «чтение» геномов
всех видов и отдельных особей, населяющих Землю. Получив эту информацию,
можно будет осмыслить причины сходства и различия между живыми существа¬
ми, что позволит взглянуть на многие проблемы генетики в совершенно новом
свете. Одного знания последовательности ДНК недостаточно. Следующий этап
познания секретов жизни - изучение белков, кодирующих гены. Этим занима¬
ется активно развивающаяся наука протеомика. Ее успехи выводят наше пони¬
мание «устройства» живых систем на более высокий уровень. Впрочем, и этого
мало: необходимо понять, как белки взаимодействуют между собой и с ДНК (это
основной механизм управления потоком информации от геном к клетке), а также
изучить их аминокислотную последовательность и структуру.Следующий этап - выяснение устройства строительных блоков, способов их
сборки и функционирования. Эти знания необходимы для конструирования функ¬
циональных аналогов компонентов живых систем. Объединение возможностей
производства и формирования структуры, которыми обладает нанотехнология, с
пониманием принципов работы живых систем открывает невероятные перспек¬
тивы. Смогут ли люди проектировать и собирать на конвейере живые организмы,
как сегодня проектируют и собирают компьютеры? Удастся ли манипулировать
строением и функциями организмов так же, как создаются сегодня электронные
устройства? Будущее даст ответы на эти вопросы.Одна из самых интересных загадок биологии - механизм работы мозга. В сущ¬
ности, исследования мозга направлены на постижение биохимических и молеку¬
лярных основ мышления и рассудочной деятельности. Несомненно, мозг явля¬
ется биологическим шедевром и самой большой тайной. Компьютеры считают
намного быстрее людей, запоминают миллиарды телефонных номеров и финан¬
совых операций, но ни один компьютер не умеет думать и принимать морально
обоснованные решения. Более того, ни один компьютер не может по-настоящему
узнавать предметы, что умеет даже ребенок. Так, четырехлетний малыш легко
100Глава 10отличит лошадь от осла, но это не «по плечу» даже самому мощному суперком¬
пьютеру с лучшим программным обеспечением. Существенный прогресс в об¬
ласти искусственного интеллекта связан с появлением новых математических
методов, таких как нечеткая логика и нейронные сети. Эти методы были созданы
для имитации «вычислительной» деятельности мозга. Но даже они не позволят
современному суперкомпьютеру достичь уровня годовалого младенца или хотя
бы плодовой мушки. По-видимому, причина в том, что все эти методы не учи¬
тывают неизвестных пока фундаментальных принципов работы мозга. По мне¬
нию автора, исследования мозга и рассудочной деятельности все еще находятся
в ожидании совершенно новой теории, способной вызвать переворот подобно
тому, что вызвали в свою время теория относительности и квантовая механика.
Только революционная теория даст настоящее объяснение процесса мышления.
В создании такой теории одну из главных ролей может сыграть нанотехнология.
Разве не полезно было бы узнать отличие умственно отсталого человека и гения
на молекулярном уровне? Чем отличается мозг мыши, узнавшей путь к кусочку
сыра через лабиринт, от ее мозга в «неведении»? Если когда-либо удастся создать
искусственный мозг, наделенный искусственным разумом, то это будет сделано с
помощью технологий (и прежде всего - нанотехнологий).Многие задаются вопросом, научатся ли машины когда-нибудь думать. Ответ
ясен: такие машины существуют. Самая сложная из них называется Homo sapiens.
Если не принимать безоговорочно идею дуализма тела и разума, исповедуемую
Декартом, придется признать, что мозг - это машина, способная думать, и мышле¬
ние осуществляется на основе элементарных и конечных химических процессов.
Мозг - очень сложная, но все же машина, подчиняющаяся химическим и физиче¬
ским законам. В принципе ничто не препятствует созданию аналогичной машины
в лаборатории, а в будущем - и ее серийному производству на конвейере. Оттал¬
киваясь от описанных в этой книге принципов бионанотехнологии, позволяющих
создавать сложные сетевые структуры из нейронов и кремниевых компонентов,
можно представить себе и способы производства даже таких сложных машин.В завершение скажем несколько слов о рисках, связанных с нанобиотехноло¬
гией и бионанотехнологией. Здесь снова уместны параллели между биологией и
физикой. Самым опасным «продуктом» современной физики стала атомная бом¬
ба. С момента ее появления люди живут в страхе перед третьей мировой войной,
грозящей миру уничтожением в результате применения атомного оружия. Много
раз мир оказывался на волоске от атомной войны, и только всеобщее понимание
ужасных последствий спасло его от уничтожения. По разрушительному потен¬
циалу достижения нанотехнологической революции не отстают, а в действитель¬
ности превосходят атомное оружие. Сделать так, чтобы нанотехнологи использо¬
вались только во благо - наш общий долг.
Приложение АНеизведанное в глубинах нашего мира:
приглашение в новую область физикиР. Фейнман
Стенограмма лекции Ричарда Фейнмана воспроизводится здесь с разрешения
журнала Engineering & Science (California Institute of Technology), где она была
опубликована в феврале 1960 года (т. 23, №5). Автор решил привести полный
текст этой лекции как яркий пример живого воображения и пророческого дара
одного из величайших ученых XX века.Хотя вы не найдете термин «нанотехнология» (он появился спустя несколько
лет после прочтения лекции; см. главу 2), предмет, о котором идет речь, без со¬
мнения, является краеугольным камнем современной нанотехнологии. Потряса¬
ет актуальность высказываний Фейнмана, сделанных полвека назад. Читателям
этой книги следует обратить особое внимание на то, как ученый видит связь
предмета своей лекции с биологией. В отличие от большинства физиков, своих
современников, Фейнман очень хорошо понимал важность биологии для нано¬
технологий будущего.Неизведанное в глубинах нашего мира:
приглашение в новую область физикиР. ФейнманМогу себе представить, какие завистливые взгляды бросают физики-экспери-
ментаторы на первооткрывателей областей науки, которым не видно конца и
края. Примером может быть Камерлинг Оннес и открытая им область низкотем¬
пературной физики. Такой первооткрыватель становится лидером в новой обла¬
сти и удерживает в ней временную монополию. Так, Перси Бриджмэн, достиг¬
ший в своих экспериментах высоких давлений и тем самым открывший новое
поле исследований, стал лидером этого направления. Та же история произошла
с исследованиями в области высокого вакуума.Я хочу рассказать об огромном поле деятельности, где пока еще мало что сде¬
лано. Оно близко к физике твердых тел, и что может дать много интересных све¬
дений о странных явлениях, возникающих в сложных ситуациях. Другая важная
особенность новой области науки - возможность ее широчайшего применения
в технике.Итак, я хочу поговорить о проблеме манипулирования и управления чрезвычай¬
но малыми предметами. Стоит мне упомянуть об этом, как начинается разговор о
миниатюризации и современных достижениях в этой области. Мне рассказывают
об электродвигателях размером с ноготь мизинца, а также о серийных устрой¬
ствах, с помощью которых можно поместить текст «Отче наш» на булавочной
головке. Однако в области, о которой я хочу рассказать, это самый примитивный и
бесперспективный подход. А речь пойдет о «мире внизу» - мире мельчайших раз¬
Неизведанное в глубинах нашего мира: приглашение в новую область физики 103меров и предметов. Наши потомки в 2000 году будут удивляться: почему до 1960
года никто не предпринимал серьезных попыток изучения этого мира?А почему бы не записать на булавочной головке все 24 тома энциклопедии -
«Британики»? Давайте подумаем, что для этого потребуется. Диаметр булавоч¬
ной головки - 1/16 дюйма, площадь страниц «Британики» в 25 000 раз больше.
То есть для решения нашей задачи достаточно уменьшить текст в 25 000 раз.
Возможно ли это? Разрешающая способность глаза составляет примерно 1/120
дюйма, это соответствует размеру точки растра, использованного для печати ил¬
люстраций в энциклопедии. Если уменьшить ее в 25 000 раз, диаметр будет 80
ангстрем, т.е. в 32 раза больше атома. Другими словами, на площади, занятой
уменьшенной точкой, уместится целая тысяча атомов. Так можно уменьшить
каждую точку до размеров, необходимых для фотолитографии, и, следователь¬
но, вся «Британика» спокойно уместится на булавочной головке.Если удастся записать текст подобного размера, то его можно и прочитать.
Предположим, будет использована высокая печать и металлические литеры. То
есть линиям букв и точкам рисунка на страницах соответствуют металлические
возвышения, которые в 25 000 меньше оригинала. Как прочитать такой текст?Записанный таким образом текст может быть прочитан с помощью традици¬
онных современных методов. (Несомненно, ко времени появления методов для
столь плотной записи будут созданы и более совершенные способы чтения та¬
ких текстов, но во избежание лишних фантазий я ограничусь методами, извест¬
ными в настоящее время.) Металлическую матрицу нужно вдавить в поверх¬
ность полимерной пленки, затем очень аккуратно снять отпечаток и осадить на
него пары кремния - в результате получится очень тонкая пленка. Чтобы мелкие
буквы проступили на ней четко, потребуется напылить на нее пары золота под
углом к поверхности. После растворения полимерной пленки текст можно будет
читать под электронным микроскопом!Ясно, что современные технологии позволят легко прочитать уменьшенный в
25 000 раз текст, записанный на булавочной головке. Также ясно, что можно бу¬
дет без труда получать копии такого текста - достаточно сделать нужное число
оттисков на полимерной пленке.Как уменьшить текст?Следующий вопрос - как записать текст столь миниатюрными буквами? В
настоящее время у нас нет стандартного метода, который позволил бы сделать
это. Однако позвольте мне показать, что эта задача не так трудна, как кажется
на первый взгляд. «Перевернув» электронную оптику микроскопа, можно заста¬
вить его не только увеличивать, но и уменьшать. Такой «перевернутый» микро¬
скоп позволит сфокусировать пучок ионов в точке очень малой площади. Ею
можно писать, как пучком электронов по экрану осциллоскопа с электронно¬
лучевой трубкой. Манипулируя количеством ионов, сформируют изображение
текста строка за строкой.
104Приложение АОднако запись таким методом пойдет очень медленно из-за ограничения на
величину заряда в пространстве. Но есть и более быстрые способы. Во-первых,
можно подобрать фотопроцесс, который позволит получить трафарет с проре¬
зями в форме букв. Останется «прорисовать» буквы путем дугового напыления
металла или того же сфокусированного ионного пучка.Вот более простой способ (правда, я не гарантирую его работоспособность).
Можно сфокусировать с помощью «перевернутого» микроскопа световой пучок
на светочувствительном экране очень малых размеров. В том месте, где пучок
света упадет на такой экран, начнется эмиссия электронов. Полученный таким
образом электронный пучок фокусируется до еще меньших размеров на метал¬
лической поверхности с помощью электронной оптики. Не знаю, удастся ли на¬
нести текст на металлическую поверхность, даже если обрабатывать ее лучом
достаточно долго. Если с металлом этот метод не сработает, можно покрыть бу¬
лавочную головку другим материалом, пригодным для проявки после облучения
электронным пучком.Такой метод не страдает от снижения яркости: это при увеличении приходится
«размазывать» ограниченное число электронов по большей поверхности, здесь же
все наоборот. Свет, отраженный страницей, потребуется сфокусировать на малой
площади, поэтому такой пучок будет очень ярким. Электроны, испускаемые све¬
точувствительным экраном, фокусируются еще сильнее, в результате также полу¬
чается очень плотный пучок. Странно, что этот метод еще никем не реализован!Давайте расширим наш пример с «Британикой», записанной на булавочной
головке: а что, если попытаться уместить на ней все книги в мире. В Библиоте¬
ке Конгресса США хранится примерно 9 миллионов томов, в Библиотеке Бри¬
танского музея - 5 миллионов, столько же книг в Национальной библиотеке во
Франции. За вычетом дубликатов получается примерно 24 миллиона томов.Что будет, если уменьшить эти книги так же, как и в предыдущем приме¬
ре? Какую площадь займут все эти тексты? Естественно, она будет примерно
в миллион раз больше булавочной головки, поскольку вместо 24 томов речь
идет о 24 миллионах. Миллион булавочных головок можно расположить в виде
квадрата 1000 х 1000 штук площадью примерно 3 квадратных ярда. Таким об¬
разом, кремниевая реплика всего этого текста займет площадь, приблизительно
равную площади 35 страниц той же «Британики» или половины этого журна¬
ла. То есть вся информация, накопленная человечеством в книгах, уместится в
брошюре карманного размера - даже без использования кодирования, сниже¬
ния разрешения исходных иллюстраций и прочих ухищрений.Интересно, как отреагирует библиотекарь нашего института, если сказать ей,
что через десять лет вся информация, которую она с таким трудом отслеживает-	120 000 томов, заполнивших библиотеку от пола до потолка, полные ящики ка¬
таложных карточек плюс хранилища - уместится на одной карточке! Например,
если вдруг сгорит библиотека Бразильского университета, мы можем послать им
копию всех книг из нашей библиотеки. В считанные часы можно будет сделать
оттиск нашей «книжной» матрицы и отправить ее в конверте, не превышающем
по размеру и весу обычное письмо.
Неизведанное в глубинах нашего мира: приглашение в новую область физики 105Обратимся к названию лекции: внизу, в глубинах микроскопического мира,
не просто есть место для исследований - его там очень много. То, что место есть,
я только что показал на реальных примерах, а теперь я продемонстрирую, как
много этого места. Не буду обсуждать конкретные способы, а остановлюсь лишь
на принципиальных возможностях, то есть на том, что не запрещают законы фи¬
зики. Я не собираюсь изобретать антигравитацию - это возможно, только если
наше настоящее представление о законах Вселенной далеко от истины. Здесь же
пойдет речь о том, что можно сделать, не перекраивая картину Вселенной, и до
сих пор это не сделано лишь потому, что мы не придумали подходящий способ.Миниатюризация и информацияПредположим, что вместо воспроизведения всех книг в том виде, в котором
они были напечатаны, мы попытаемся передать только содержащуюся в них
информацию, закодированную «морзянкой» или как-то иначе. В таком случае
каждая буква будет представлена шестью-семью битами информации, то есть
шестью-семью точками и тире. А теперь задействуем не только поверхность, но
и внутренние слои материала булавочной головки.Предположим, что точка станет маленьким пятном из атомов одного металла,
а тире - пятном из атомов другого металла и т.д. По скромным прикидкам, бит1
информации можно записать в кубе размером 5 х 5 х 5 атомов, т.е. из 125 атомов.
Возможно, часть из них придется отвести для избыточности, защищающей от
потери информации из-за диффузии и других процессов.Я оценил число букв в «Британнике» и в 24 миллионах томов, сходных по
размеру с томами энциклопедии, а затем вычислил объем содержащейся в ней
информации (1015бит). Если отвести по 100 атомов для записи каждого бита, то
окажется, что вся информация, накопленная человечеством в книгах, уместится
в кубе со стороной в две сотых дюйма - это песчинка, едва различимая глазом.
Так что «внизу» действительно много места! И не говорите мне ничего о микро¬
пленке!Естественно, возможность записи огромного количества информации в чрез¬
вычайно малом объеме хорошо известна биологам. Этот факт лежит в основе
разгадки тайны, существовавшей до тех пор, пока не стало ясно, как в крошеч¬
ной клетке умещается вся информация об устройстве столь сложного создания,
как человек. Вся эта информация - о цвете глаз, способности мыслить, о том,
что в челюстной кости зародыша должно быть отверстие, через которое впо¬
следствии прорастет нерв - хранится в небольшой области клетки в длинноце¬
почечных молекулах ДНК, в которых для записи одного бита информации отво¬
дится примерно 50 атомов.1 Видимо, здесь и далее под словом «бит» автор понимает не современный бит (эле¬
ментарную единицу информации), а минимальное количество информации, необходимое
для кодирования одного символа текста) - Прим. перев.
106Приложение АСовершенствование электронных микроскоповЕсли кодировать информацию битами в виде кубов 5><5х5 атомов, возникает
вопрос: как прочитать такой код с помощью современных методов? Электрон¬
ная микроскопия для этого совсем не годится: максимальное разрешение, кото¬
рого удается добиться этим методом, составляет примерно 10 ангстрем. Важно
понять, что для исследования столь малых объектов, о которых здесь говорит¬
ся, придется повысить разрешающую способность электронного микроскопа в
100 раз. Эта цель не противоречит законам дифракции электрона. Длина волны
электрона в таком «улучшенном» микроскопе составляет лишь 1/20 ангстрема.
Позволит ли он разглядеть отдельные атомы, и что это даст?У нас есть друзья, занятые в других областях науки, например в биологии.
Мы, физики, часто спрашиваем у них: «Почему вы так медленно продвигаетесь
вперед?» (На самом деле я не знаю ни одну область знания, которая бы разви¬
валась так же быстро, как современная биология.) «Чаще пользуйтесь матема¬
тикой, как делаем мы». Биологи могли бы ответить на это, но им не позволяет
вежливость, поэтому я отвечу за них: «Чтобы мы быстрее шли вперед, сделайте
нам электронный микроскоп в 100 раз лучше тех, что есть сейчас».Каковы наиболее фундаментальные и важные проблемы современной био¬
логии? Вот они. Какова последовательность оснований в ДНК? Что происхо¬
дит при возникновении мутации? Как связаны последовательности оснований
в ДНК и аминокислот в белках? Какова структура РНК: это одно- или двух¬
цепочечная молекула, как ее последовательность связана с таковой ДНК? Как
организованы микросомы? Как происходит синтез белка? Куда поступает РНК
и какова ее конфигурация? Где находятся различные белки, как вовлекаются в
процесс аминокислоты? Где и как располагаются молекулы хлорофилла при
фотосинтезе, какова роль каротиноидов в этом процессе? Как устроена система
преобразования световой энергии в химическую?На многие из этих вопросов было бы очень просто дать ответ: достаточно
просто взглянуть на предмет изучения! Так можно было бы наблюдать последо¬
вательность оснований и устройство микросом, но, к сожалению, у современ¬
ных электронных микроскопов для этого недостаточно «острый» взгляд. Уве¬
личьте в сто раз разрешающую силу микроскопа, и решить многие проблемы
в биологии станет намного проще. Естественно, я утрирую, но биологи будут
весьма благодарны - от этого им будет намного больше пользы, чем от советов
чаще применять математику.Современная теория химических процессов базируется на теоретической фи¬
зике. В этом смысле физика является основой для химии. Однако в химии есть
и такой раздел, как анализ. Чтобы определить незнакомое вещество, приходится
подвергать его сложным и длительным процедурам химического анализа. В на¬
стоящее время можно проанализировать практически что угодно, так что я не¬
много опоздал со своей идеей. И все же физики при желании могли бы внести
свой вклад вместе с химиками в проблему химического анализа. Анализ любого
Неизведанное в глубинах нашего мира: приглашение в новую область физики 107сложного вещества можно было бы облегчить, если бы удавалось определить
расположение атомов в молекуле визуально. Но проблема состоит в том, что для
этого нужны электронные микроскопы в сто раз лучше современных. (Важен и
вопрос о вкладе физиков в решение третьей проблемы химии - синтеза: можно
ли синтезировать вещества физическим путем? Подробнее об этом - ниже.)Причина недостаточной силы электронных микроскопов в малой апертуре
электронных линз: она составляет примерно 1/1000, значение числовой апер¬
туры слишком мало. Есть теоремы, которые утверждают, что лучшего добиться
невозможно. Дело в том, что электронная линза со стационарным полем, сим¬
метричным по оси, не может дать большей апертуры, следовательно, разрешаю¬
щая способность современных электронных микроскопов достигла теоретиче¬
ского максимума. Но в любой теореме есть допущения. Кто сказал, что поле
непременно должно быть симметричным? Этот вопрос звучит как вызов: разве
нет способа улучшить электронный микроскоп?Восхитительные живые системыПример миниатюрной записи информации в живых системах вдохновил меня
на поиск других способов. Живые системы не просто записывают информацию,
но и используют ее. Многие клетки очень малы, но при этом чрезвычайно ак¬
тивны: они синтезируют различные вещества, двигаются, изгибаются и делают
множество других чудесных вещей - все это в миниатюрных масштабах. Кроме
этого они хранят информацию. Подумайте, что будет, если мы научимся делать
миниатюрные устройства, выполняющие нужные действия, например микрома¬
нипуляции!Возможно, создание миниатюрных устройств может быть актуально и с эко¬
номической точки зрения. В этой связи напомню вам о некоторых проблемах
вычислительных устройств. Нам приходится хранить в компьютерах огромные
массивы информации. Методы, о которых говорилось выше, такие как напыле¬
ние металла, обеспечивают лишь однократную запись. Куда полезнее для ком¬
пьютера метод, позволяющий не только записывать, но также стирать и переза¬
писывать информацию. (Это так, поскольку было бы слишком расточительно
выбрасывать носители после первой записи; другое дело - миниатюрная запись:
здесь это можно позволить себе, поскольку стоимость миниатюрного носителя
будет невелика).Миниатюризация компьютеровХорошо известно, что мыслительные машины очень велики: они занимают
несколько комнат, но предложить реальный метод для их миниатюризации я не
могу. Но почему бы не делать их из маленьких проводников и элементов? Я
имею в виду по-настоящему маленьких. Например, провода должны быть диа¬
108Приложение Аметром 10-100 атомов, а платы - размером несколько тысяч ангстрем. Каждо¬
му, кто изучал теоретические основы логики построения компьютеров, должно
быть очевидно, что компьютеры обладают очень интересными возможностями.
Так, их можно сделать на порядки более сложными. Если увеличить число со¬
ставляющих их элементов в несколько раз, компьютеры смогут выносить вер¬
дикт. Им хватит времени на поиск оптимального способа вычисления до того,
как выполнить это вычисление. На основании прежнего опыта они смогут вы¬
бирать более подходящий метод анализа, чем метод, предложенный оператором.
У таких компьютеров будет и много других свойств.Если я взгляну на вас второй раз, то сразу пойму, что уже видел ваше лицо
(вообще-то, мои друзья указывали, что это неудачный пример; но, по крайней
мере, я легко отличу человека от яблока). Однако ни одна машина не сможет с
такой скоростью определить, что на фотографии - человек, тем более - что это
тот же самый человек, которого показывали раньше. Единственное исключение -
если фотографии будут абсолютно идентичными. Если немного изменить черты
лица на фото, расстояние до него, освещение - я все равно узнаю, кто на фото¬
графии. Маленький компьютер, который у меня в голове, легко справится с этим,
чего нельзя сказать о компьютерах, которые делают люди. Число элементов в моей
черепной коробке невероятно больше числа элементов, составляющих «замеча¬
тельные» компьютеры, сделанные нами. Но искусственные компьютеры слишком
велики, тогда как элементы «природного» компьютера имеют микроскопические
размеры. Я же пытаюсь найти способ делать элементы еще меньшего размера.Компьютер, обладающий вышеперечисленными замечательными свойствами,
должен быть по размеру, наверное, с Пентагон. У такого устройства будет целый
ряд недостатков. Во-первых, на его постройку уйдет слишком много материала:
во всем мире может не хватить германия на транзисторы для такой огромной шут¬
ки. Во-вторых, такой компьютер будет потреблять гигаватты энергии. Но главное
то, что скорость этого компьютера все равно будет ограничена. Из-за огромных
размеров на обмен информацией между разными частями системы будет уходить
заметное время. В любом случае, информация не может передаваться быстрее
света, поэтому чем сложнее и быстрее компьютер, тем меньше он должен быть.Но компьютеры вполне возможно уменьшить. Я не вижу среди законов фи¬
зики ограничений, которые помешали бы радикально уменьшить элементы ком¬
пьютера по сравнению с их современными размерами. В действительности это
дало бы определенные преимущества.Миниатюризация за счет напыленияКак создать такое устройство? С помощью какого технологического процес¬
са? Один из вариантов, о которых упоминалось выше в связи с нанесением ато¬
мов в нужной конфигурации, - испарение и осаждение сначала слоя металла,
затем изолятора. Далее можно напылить следующий слой с другим расположе¬
нием проводников и т. д. Эта процедура повторяется, пока не будет создан чрез¬
Неизведанное в глубинах нашего мира: приглашение в новую область физики 109вычайно компактный блок, содержащий все необходимые элементы - катушки,
конденсаторы, транзисторы и пр.Но давайте забавы ради обсудим и другие варианты. Почему нельзя произво¬
дить миниатюрные элементы так же, как производятся крупные детали? Поче¬
му нельзя сверлить отверстия, резать, паять и штамповать детали микроминиа¬
тюрных размеров? Каковы ограничения, определяющие минимальный размер
детали для механической обработки? Сколько раз вы бились над какой-нибудь
мелочью вроде механизма наручных часов супруги, восклицая про себя: «Как
кстати был бы здесь дрессированный муравей!». То, что я предлагаю, похоже
на дрессировку муравьев, которые будут дрессировать более мелких созданий,
чтобы те делали нужные вещи. Какими возможностями будут обладать миниа¬
тюрные подвижные машины? Сложно сказать об их пользе, но конструировать
их точно будет очень весело.Возьмите любую машину, например автомобиль, и подумайте, с каким про¬
блемами придется столкнуться при производстве его многократно уменьшенной
копии. Прежде всего, детали автомобиля должны изготавливаться с определен¬
ной точностью, скажем в 4/10000 дюйма. Если допустить более существенные
погрешности, например при обработке блока цилиндров, двигатель будет плохо
работать. В случае достаточно мелких предметов ограничение накладывают раз¬
меры и форма атомов. Так, невозможно выложить круг из шариков, если этот круг
слишком мал. При соответствии допуска 4/10000 погрешности в 10 атомов авто¬
мобиль можно будет уменьшить в 4000 раз, т.е. примерно до 1 мм. Естественно,
изменив конструкцию автомобиля так, чтобы он работал и с намного большими
допусками (что вполне вероятно), можно уменьшить его еще сильнее.Миниатюрным машинам присущи интересные проблемы. Во-первых, при рав¬
ных механических нагрузках силы, действующие на детали, убывают пропорцио¬
нально площади, поэтому такие вещи, как инерция и вес, практически не важны в
случае малых деталей. Другими словами, прочность миниатюрных частей намного
выше по сравнению с их крупными аналогами. Так, при уменьшении размеров ма¬
ховика можно пропорционально увеличивать скорость его вращения, в результате
центробежные силы, растягивающие маховик, останутся постоянными. С другой
стороны, применяемые в технике металлы обладают зернистой структурой, кото¬
рая доставляет массу неприятностей в случае миниатюрных деталей, нарушая их
однородность. Пластмассы, стекло и прочие аморфные материалы намного более
гомогенны, поэтому миниатюрные устройства лучше делать из них.Во-вторых, возникают проблемы, связанные с электрическими компонента¬
ми - медными проводами - и магнитами. Магнитные свойства больших и малых
деталей отличаются, это связано с доменной структурой магнитного материала.
Большой магнит включает миллионы доменов, размер миниатюрного магнита
не может быть меньше размера домена. Словом, электрические компоненты не
удастся просто уменьшить, придется изменять их конструкцию. Но я не вижу
причин, по которым это было бы невозможно.Некоторые интересные моменты связаны со смазкой. Так, с уменьшением раз¬
меров и скорости движения деталей увеличивается эффективная вязкость смаз¬
110Приложение Аки. Если не увеличивать скорости движения и перейти на более легкие смазки,
такие как керосин, эта проблема не будет столь острой. Но в действительности
смазка может просто не потребоваться! У нас есть большой запас по силе, а под¬
шипники способны крутиться вовсе без смазки и без риска перегрева, поскольку
миниатюрные устройства отдают тепло очень и очень быстро. Это препятствует
взрыву паров бензина, что делает невозможным работу двигателя внутреннего
сгорания. Возможно, удастся использовать другие реакции, в которых энергия
освобождается при низких температурах. Вероятно, удобнее всего питать ми¬
ниатюрные устройства от внешнего источника тока.Будет ли польза от таких машин? Кто знает? Естественно, ездить в микроав¬
томобилях смогут разве что микроскопические клещи, но я не думаю, что наш
альтруизм настолько велик, чтобы предоставить им такой транспорт. Однако
возможность полностью автоматизированного производства мелких элементов
для компьютеров на фабриках, оснащенных микроскопическими станками и
другими инструментами, действительно заслуживает внимания. Естественно,
малый станок не будет уменьшенной копией большого. Думаю, вы и сами смо¬
жете представить себе, какие изменения придется внести в конструкцию станка,
чтобы в полной мере использовать преимущества микроскопических размеров
и добиться полной автоматизации с минимальными затратами.Мой друг Альберт Гиббс предложил очень любопытную область применения
для относительно малых машин. Сам он считает свою идею довольно фантастич¬
ной, но интересно было бы проглотить хирурга, как таблетку. Механический хи¬
рург попадает в кровяное русло, достигает сердца и начинает «осматриваться».
(Естественно, потребуется заранее снабдить его описанием маршрута.) Обнару¬
жив пораженный клапан, он вынимает маленький скальпель и приступает к опе¬
рации. Другие машины могут быть встроены в организм, чтобы частично заме¬
нить какой-либо неправильно функционирующий орган.Здесь возникает интересный вопрос: как собрать такой крошечный механизм?
Поиск ответа я оставляю вам. Разрешите мне предложить только один интерес¬
ный вариант. Если вам известно, на атомных электростанциях есть материалы
и механизмы, к которым нельзя прикасаться из-за их высокой радиоактивности.
Поэтому, чтобы откручивать гайки и закручивать болты, приходится использо¬
вать механические манипуляторы, которые следуют командам оператора. С их
помощью довольно удобно выполнять различные операции.Большинство подобных устройств сконструировано довольно просто: меха¬
нические «руки» связаны с управляющим узлом кабелями, по которым пере¬
даются команды. В движение «руки» приводятся сервомоторами, т.е. управ¬
ляющая и исполняющая части связаны скорее электрически, чем механически.
Поворачивая рукоятки, оператор приводит в действие сервомотор, который из¬
меняет силу тока в управляющих цепях, а те заставляют другие моторы двигать
манипуляторами.Я предлагаю построить очень похожее устройство, которое включает управ¬
ляющую и исполняющую систему, управляемую электрическими сигналами.
Единственное отличие заключается в том, что использовать опыт машинострои¬
Неизведанное в глубинах нашего мира: приглашение в новую область физики 111тельных компаний нужно для того, чтобы уменьшить исполняющее устройство
(манипуляторы) в четыре раза по сравнению с обычным размером. Так выглядит
общая схема, в которой все уменьшается вчетверо по отношению к управляюще¬
му устройству: маленькие сервомоторы приводят в действие маленькие манипу¬
ляторы, которые оперируют маленькими болтами и гайками, сверлят маленькие
отверстия. Вот! Так удастся собрать станок, который будет вчетверо меньше
обычного станка, и инструменты для него, которые также будут в четыре раза
меньше обычных. Теперь можно сделать другие манипуляторы, уменьшив их
еще в четыре раза по сравнению с исходным! В итоге получатся манипуляторы,
которые в 16 раз меньше обычных. Эти мини-манипуляторы можно подключить
к обычной управляющей системе (возможно, через трансформаторы) и сервомо¬
торам, которые также в 16 раз меньше обычных. В итоге у меня будет возмож¬
ность управлять с обычного пульта манипуляторами, которые в 16 раз меньше.В целом принцип должен быть ясен. Реализовать его непросто, но это все¬
го лишь один из вариантов. Можно уменьшать устройства намного больше,
чем в четыре раза за один шаг. Естественно, придется вложить много усилий
в проектирование, и вовсе не обязательно, чтобы манипуляторы имитировали
человеческие руки. Вероятно, после тщательного продумывания конструкцию
системы можно будет значительно улучшить.Даже современный пантограф позволяет управлять устройствами, которые
во много (а не в четыре) раз меньше. Однако сделать маленький пантограф, ис¬
пользуя пантограф большего размера, не получится из-за люфта соединений и
отклонений в размерах тяг. Помехи в движениях на «маленьком» конце панто¬
графа будут намного сильнее, чем помехи из-за дрожи в руках на «большом»
конце. Таким образом, если последовательно состыковать несколько пантогра¬
фов, один меньше другого, то окажется, что концы самого маленького пантогра¬
фа движутся так беспорядочно, что ими нельзя сделать ничего полезного.На каждом шаге потребуется увеличивать точность аппаратуры. Например,
если у маленького токарного станка, сделанного с помощью пантографа, обна¬
ружатся отклонения в геометрии ходового винта, более заметные, чем у ориги¬
нала, можно будет несколько раз прогнать винт через плашки, что обеспечит
точность не хуже, чем у большого станка.Плоские поверхности можно доводить шлифованием, обрабатывая сразу
три пары деталей. Это даст более ровную поверхность по сравнению с ис¬
ходной. Таким образом, вполне реально увеличить точность миниатюрного
оборудования, выбирая правильную технологию. При конструировании таких
устройств важно на каждом шаге добиваться высокой точности ходовых вин¬
тов, эталонных плиток и других элементов традиционной прецизионной ме¬
ханики. Путь, на котором приходится постоянно создавать инструментарий и
машинный парк все меньшего размера, очень труден и долог. Возможно, вам
удастся найти лучший способ, который позволит быстрее «спуститься» в мир
маленьких размеров.Однако после всех этих мучений у вас окажется единственный миниатюрный
станок, который в четыре тысячи раз меньше обычного. Но исходная цель была -
112Приложение Лпостроить сложный компьютер, для чего и нужен станок - скажем, чтобы сверлить
отверстия в шайбах. Но сколько шайб можно сделать на единственном станке?Сотни крошечных рукСобирая первые манипуляторы, уменьшенные в четыре раза, можно изгото¬
вить не одно, а десять устройств. Все десять затем следует подключить к одному
управляющему устройству, чтобы заставить совершать одни и те же движения
одновременно. На следующем шаге можно снова сделать на каждый манипуля¬
тор десять копий меньшего размера, в итоге получится сотня манипуляторов в
16 раз меньших, чем исходные.Куда деть миллион станков, который в результате получится? Это сущая
ерунда: в совокупности такие станки не займут площади и одного «настоящего»
станка. Например, на миллиард станков, каждый из которых в 4000 раз меньше
обычного, уйдет меньше 2 % материалов, необходимых для постройки одного
полноразмерного станка. Поэтому я собираюсь создать миллион крошечных фа¬
брик, являющихся точными копиями друг друга, которые станут одновременно
штамповать детали, сверлить отверстия и совершать прочие операции.Чем меньших размеров мы достигаем, тем больше возникает интересных
вопросов. Не все предметы удастся просто уменьшить. Одна из проблем свя¬
зана со склеиванием материалов под влиянием молекулярных (вандерваальсо-
вых) сил. Выглядит это примерно так: вы откручиваете гайку, а она не падает,
поскольку действующая на нее сила гравитации пренебрежительно мала. Бо¬
лее того, ее будет непросто даже снять с болта. Ситуация напоминает сцену из
старого фильма, в котором человек с вымазанными патокой руками пытается
избавиться от прилипшего к ним стакана с водой. Проблемы такого рода не¬
редко будут возникать, и это придется учитывать при конструировании кро¬
шечных устройств.Перекладывая атомыНе пугает меня и последний вопрос, к которому мы неизбежно (хотя, возможно,
только в далеком будущем) придем, следуя путем миниатюризации. Этот вопрос
касается манипулирования отдельными - да, отдельными атомами! Что будет,
если мы научимся располагать атомы в нужном порядке (естественно, в пределах
возможного: выложить химически нестабильный орнамент вряд ли получится).До сих пор люди добывают минералы из земли, плавят их и делают прочие
вещи, стремясь получить чистые вещества с заданным содержанием примесей,
и т.д. Однако атомы примесей всегда располагаются так, как определено при¬
родой. Скажем, естественным путем невозможно получить материал, в котором
атомы примесей располагаются строго в шахматном порядке на расстоянии в
1000 ангстрем друг от друга или как-либо иначе.
Неизведанное в глубинах нашего мира: приглашение в новую область физики 113Для чего нужны слоистые материалы с регулярным расположением слоев?
Какие бы свойства были у материалов, собранных из атомов в нужном порядке?
Было бы очень интересно исследовать эту проблему теоретически. Я уверен, что
если бы мы научились манипулировать мельчайшими предметами, то невероят¬
но расширили бы свои возможности по синтезу веществ с заданными свойства¬
ми, и не только.Рассмотрим в качестве примера фрагмент материала, в котором можно соз¬
дать маленькие катушки и конденсаторы (либо их твердотельные аналоги), по¬
лучив миниатюрную плату размером 1000 или 10000 ангстрем. Такие платы
можно собирать в более крупные конструкции и оснащать антеннами, способ¬
ными, скажем, испускать лучи света подобно тому, как упорядоченные радиоан¬
тенны излучают радиоволны для вещания на Европу. Так можно даже получить
направленный луч очень высокой яркости (хотя вряд ли от этого будет много
пользы как с технической, так и с экономический точки зрения).Размышляя о сложности построения миниатюрных электрических цепей, я
пришел к выводу, что одной из самых серьезных является проблема, связанная с
сопротивлением: в уменьшенном аналоге полноразмерной электрической цепи
возрастает частота колебаний, поскольку длина волны уменьшается с линейны¬
ми размерами платы, в то время как толщина поверхностного слоя - пропорцио¬
нально квадратному корню из них. Возможно, мы сможем прийти к нужному
результату путем использования сверхпроводимости, если частота не будет воз¬
растать слишком сильно, или иным способом.Атомы в «малом» миреВ маленьком, очень маленьком мире, в котором размеры электрических це¬
пей сопоставимы с размерами атомов, происходит множество явлений, откры¬
вающих широкие возможности перед конструкторами. Поведение атомов ма¬
лого мира совершенно непохоже на их поведение в макромире и определяется
законами квантовой механики. Таким образом, спускаясь в «маленький» мир и
манипулируя отдельными атомами, мы попадаем под юрисдикцию других за¬
конов и должны ожидать других явлений. Так, можно использовать не просто
электрические цепи, а системы с квантованными энергетическими уровнями,
взаимодействие частиц с квантованными спинами и т. д.Также следует заметить, что экземпляры устройств достаточно малых раз¬
меров могут быть точными копиями друг друга. При массовом производстве в
макромире невозможно сделать машины с абсолютно одинаковыми размерами.
Но если размер машины равен 100 атомам, достаточно обеспечить одинаковое
число атомов, и полная идентичность размеров гарантирована!На уровне отдельных атомов действуют другие силы, возникают другие яв¬
ления и открываются иные возможности. Проблемы при производстве и синтезе
также отличаются. Меня, в частности, вдохновляют живые системы, в которых
114Приложение Апериодические химические взаимодействия приводят к всевозможным и слож¬
ным эффектам (одним из которых является сам автор).Как сказано выше, законы физики не запрещают манипулировать отдельны¬
ми атомами. Это возможно в принципе, но на практике ничего не выходит из-за
того, что мы слишком велики.Этот подход можно использовать и для химического синтеза. Предположим,
к нам пришел химик и говорит, что ему нужна молекула с таким-то расположе¬
нием атомов. Обычно химику приходится проделывать замысловатые вещи, что¬
бы получить нужную молекулу. Так, если он знает, что в молекуле есть такие-то
кольца, он должен смешать определенные реагенты, взболтать смесь и сделать
кучу других вещей. После долгих мытарств ему обычно удается получить же¬
лаемое. Когда будет создано устройство для манипулирования атомами, любые
молекулы можно будет собирать физическим способом, и замысловатые хими¬
ческие манипуляции останутся в прошлом.Интересно, что когда-нибудь физики смогут (по крайней мере, я так думаю)
синтезировать любые вещества по заказу химиков. Как? Просто расставив атомы в
порядке, указанном химиком. Возможность визуального наблюдения за этим про¬
цессом на уровне атомов существенно упросит решение многих проблем в химии
и биологии. По-моему, разработка соответствующих методов - вопрос времени.Но кто и зачем будет этим заниматься, спросите вы? Я, конечно, могу назвать
несколько экономически обоснованных причин, но этим стоит заниматься даже
ради забавы. Можно устроить между лабораториями соревнования, например, кто
первый сделает крошечный двигатель и отправит его в другую лабораторию.Конкурс для студентов и школьниковПредлагаю ради забавы, а также для того чтобы привлечь внимание старших
школьников к этой проблеме, организовать конкурс. Как сказано выше, перед
нами совершенно нетронутое поле, и даже ребенок может уменьшить текст до
размеров, ранее недостижимых. Предположим, что в Лос-Анжелесе студенты
пишут на булавочной головке фразу «Как вам это?» и отправляют ее в Венецию,
а оттуда булавка возвращается с другой надписью (например, «Да ничего осо¬
бенного»), но сделанной уже в точке над «i».Не исключено, что просто так никто не захочет этим заниматься, и сработает
только экономический стимул (возможно, я еще недостаточно поработал над по¬
пуляризацией этой идеи). В таком случае обещаю приз в 1000 долларов тому, кто
первый сможет уменьшить страницу текста в 25000 раз так, чтобы уменьшен¬
ную версию можно было прочитать под электронным микроскопом.А вот еще один приз: другая тысяча достанется тому (правда, я еще не
придумал, как точно сформулировать задачу, чтобы не погрязнуть в спорах), кто
сконструирует работоспособный электродвигатель, управляемый внешними сиг¬
налами и способный (не считая управляющих проводов) уместиться в кубе со
стороной 1/64 дюйма. Не думаю, что эти призы долго будут ждать победителей.
Приложение ВСписок компаний, занятых в области
бионанотехнологии и нанобиотехнологии
Нанобиотехнологии и бионанотехнологии очень динамично развиваются.
Как и в других областях, связанных с высокими технологиями, здесь работают
крупные известные компании (гигантские химические концерны), более молодые
фирмы и «новорожденные» стартапы. Ниже приводится список активных игроков
этого рынка по состоянию на 2006 г.3DM: ('http://www.puramatrix.com/4): производство биоматериалов, основанных
на самосборке наноструктур, для тканевой инженерии и пластики.3DM Inc.P.O. Box 425025
Cambridge, MA02142, USA
E-mail: contact@puramatrix.comAcrongenomics: ('http://www.acrongen.comAl: научно-исследовательская компа¬
ния, занятая в области нанобиотехнологии, пионер в области уникальных средств
наномолекулярной диагностики для промышленности и наук о жизни.Acrongenomics, Inc.38А Poseidonos Ave.17455 AlimosAthens, GreeceE-mail: info@acrongen.comAdemtech: (http://www.ademtech.com/'>: производство калиброванных магнит¬
ных эмульсий для диагностики in vitro и лабораторного применения.AdemtechParc scientifique Unitec 1
4 а11ёе du doyen Georges Brus
33600 Pessac, France
E-mail: ademtech@ademtech.comAdnavance Technologies: (http://www.adnavance.com/): технологии на основе
проводников, созданы из обычных и новых металлизированных молекул ДНК
для конструирования биосенсоров. Продукция ориентирована на крупные рынки
диагностических средств на основе биосенсоров и молекулярной диагностики, а
также энергетического сектора.Adnavance Technologies Inc.860 - 410, 22nd St. East
Список компаний, занятых в области бионанотехнологии и нанобиотехнологии \ 17Saskatoon SK S7K 5Т6, CanadaE-mail: info@adnavance.comAlnis BioSciences: fhttp://www.alnis.com/): производство искусственных гидро¬
гелей с наноструктурой (NanoGels) из полимеров, биоактивных и маркерных мо¬
лекул для селективной терапии пораженных тканей. После применения наногели
распадаются на исходные компоненты.Alnis BioSciences, Inc.626 Bancroft Way #3BBerkeley, С A 94710, USAE-mail: alnis@alnis.comAdvance Nanotech: (http://www.advancenanotech.com): приобретение и коммерци¬
ализация нанотехнологий в области электроники, биофармакологии и материалов.Advance Naotech Inc.600 Lexington Ave.New York, NY 10022, USAE-mail: info@advancenanotech.comAgilent Technologies: (http://www.agilent.com) (дочерняя структура Hewlett-
Packard): сложная измерительная техника для наук о жизни и медицины.Agilent Technologies, Inc.395 Page Mill Rd.Palo Alto, CA 94306, USAE-mail: Contact Us@agilent.comArtificial Cell Technologies: (http://www.artificialcelltech.com/): создание искус¬
ственных клеток - бионаномашин на платформе сконструированных полипепти¬
дов.Artificial Cell Technologies, Inc.4	Research Dr.Shelton, CT 06484, USAAmbi Limited: (http: //www. ambr i. с от/): пионер в области интеграции биотех¬
нологии, нанотехнологии и электроники. Компания, ориентированная на рынок
медицинских диагностических средств.
118Приложение ВAmbri Ltd.126 Greville St.Chatswood NSW 2067, Australia
E-mail: communications@ambri.comAsklepios BioPharmaceutical: (http://www.askbio.com/): биотехнологическая
компания, занятая созданием новых лекарств и средств их доставки к заданным
органам, основанных на белках, клеточных компонентах и патентованных био¬
наночастицах (Biological Nano Particles, ‘BNP’).Asklepios BioPharmaceutical Inc.510 Meadowmount Village Circle
Chapel Hill, NC 27517, USA
E-mail: info@askbio.comBioCrytal: (http://www.biocrystal.com/): производство нанкристаллических
флуоресцентных меток для анализа и обнаружения соединений на поверхности
и внутри клеток.BioCrystal, Ltd.575 McCorkle Boulevard
Westerville, OH 43082, USA
Email: info@biocrystal.comBioForce Nanosciences: (http://www.bioforcenano.com/): разработка сверхми¬
ниатюрных матриц для высокопроизводительного анализа биомолекул.BioForce Nanosciences, Inc.1615 Golden Aspen Dr.Ames, IA 50010, USA
E-mail: info@bioforcenano.comBioNano International Singapore: (http://www.bionano.com.sg/): разработка вы¬
сокотехнологичных сенсоров на основе нанотехнологий и углеродных нанотрубок.BioNano International Singapore Pte Ltd
8 Prince George's Park
NUS Business Incubator, Singapore 118407
E-mail: info@bionano.com.sg
Список компаний, занятых в области бионанотехнологии и нанобиотехнологии 119Degussa Advanced Nanomaterials: (http://www.advancednano materials.com/):
производство наноматериалов и дисперсных систем на их основе.Degussa AG
Postcode 1040-004
Rodenbacher Chaussee 4
63457 Hanau-Wolfgang, Germany
E-mail: adnano@degussa.comDendritech: (http://www.dendritech.com/): специализированная компания по
разработке разветвленных и сверхразветвленных полимеров, а также полимеров
с заданными свойствами.Dendritech, Inc.3110Schuette Dr.Midland, MI 48642, USA
E-mail: scheibert@dendritech.comDendritic Nanotechnologies: (http://dnanotech.com/): мировой лидер в разработ¬
ке сложных разветвленных полимеров - материалов, обеспечивающих технологи¬
ческий прорыв в создании средств доставки соединений, широко применяемых в
диагностике и медицине in vitro и in vivo.Dendritic NanoTechnologies Inc 2
625 Denison Dr.Mount Pleasant, MI 48858, USA
E-mail: info@dnanotech.comEvident Technologies: (http://www.evidenttech.com/): производство квантовых
точек различного состава с модифицированной поверхностью для лабораторного
применения.Evident Technologies
216 River St.Troy, NY 12180, USA
E-mail: info@evidenttech.comFlamel Technologies: http://www.flamel.com/: разработка доставки лекарств к
заданным органам на основе полимеров. Производство систем доставки низко¬
молекулярных и пептидных лекарств, разработка решений для биотехнологии и
120Приложение Вфармацевтической промышленности, обеспечивающих оптимизированное управ¬
ляемое освобождение лекарственных препаратов.Flamel Technologies
33 avenue du Dr. Georges Levy
69693 Venissieux Cedex, France
E-mail: info@.flamel.comGeneFluidics: (http://www.genefluidics.com/): создатель революционной платфор¬
мы на основе комбинации бионанотехнологии и микрогидравлики, позволяющей
проводить в любое время и в любом месте сложные анализы, которые раньше про¬
водились только квалифицированными лаборантами на сложном оборудовании.GeneFluidics
2540 Corporate Place
Monterey Park, С A 91754
E-mail: info@GeneFluidics.comGeneral Electric Healthcare (подразделение Amersham Biosciences Corp).
(http://www.gehealthcare.com/): крупный игрок на рынке молекулярной медицины
и современных нанотехнологий.GE Healthcare
800 Centennial Ave.Piscataway, NJ 08855, USAImaRx Therapeutics: (http://www.imarx.com/): мировой лидер в области меди¬
цинских технологий Nanolnvasive. ImaRx Therapeutics использует революцион¬
ные медицинские технологии для разработки инновационных средств в борьбе с
инсультами и сосудистыми заболеваниями. Многие препараты находятся на ста¬
дии разработки либо на завершающих этапах этого процесса.ImaRx Therapeutics, Inc.1635 East 18th St.Tucson, AZ 85719, USA
E-mail: imarx@imarx.comJR Nanotech: (http://www.imanotech.com/). применение технологий на основе
наночастиц серебра для решения возрастных проблем со здоровьем.JR Nanotech
122Приложение ВUniversity of Exeter
Rennes Road
Exeter EX4 4QJ, UK
E-mail: contact@mobious .comNanobac Life Sciences: (http://www.nanobaclabs.com/): исследование роли каль¬
цинирующихся наночастиц (Calcifying Nano-Particles, CNP), или «нанобактерий»,
в патогенезе у человека.Nanobac Life Sciences, Inc.2727 W. Martin Luther King Blvd.Tampa, FL 33607, USA
E-mail: info@nanobaclabs.comNanoBio® Corporation: (http://www.nanobio.com/): биофармацевтическая ком¬
пания, занятая разработкой и коммерциализацией препаратов для лечения вирус¬
ных и грибных кожных и вагинальных инфекций на основе патентованной техно¬
логии наноэмульсий.NanoBio® Corporation
Mail: P.O. Box 8110
Ann Arbor, MI 48107, USA
E-mail: marketing@nanobio.comNanoBioMagnetics: (http://www.nanobmi.com/): производство нанобиомате¬
риалов, разработка и коммерциализация технологий на основе магнитных на¬
ночастиц (MNP) для применения в медицине.NanoBioMagnetics, Inc.124 N. Bryant Ave.Edmond, OK 73034E-mail: nanobio@nanobmi.comNanocopoeia: (http://www.nanocopeia.com/): фармацевтическая компания,
внедряющая патентованную технологию создания наночастиц ElectroNanoSpray в
производство лекарств и медицинского оборудования.Nanocopoeia, Inc.1246 West University Ave.St. Paul, MN 55104, USA
E-mail: info@nanocopoeia.com
Список компаний, занятых в области бионанотехнологии и нанобиотехнологии 123Nanogen: (http://www.nanogen.com/): совершенствование диагностики на осно¬
ве ДНК-чипов с помощью нанотехнологий.Nanogen Corporate Headquarters
10398 Pacific Center Court
San Diego, С A 92121, USA
E-mail: technicalassistance@nanogen.comNanoHorizons: (http://nanohorizons.com/): создание и производство передовых
нанотехнологических продуктов и опытных разработок для биотехнологии, фар¬
макологии, химии и микроэлектроники.NanoHorizons Inc.Technology Center, Suite 208
200 Innovation Blvd.State College, PA 16803, USA
E-mail: info@NanoHorizons.comNanoink: (http://www.nanoink.net/): применение в нанотехнологиях нанолитогра¬
фии методом глубокого пера с использованием биомолекул и других соединений.Nanoink, Inc.1335 Randolph St.Chicago, IL 60607
E-mail: info@nanoink.netNanolayers: (http://www.nanolavers.com/): производство различных устройств,
включая биосенсоры, на основе органической электроники и нанотехнологий.Nanolayers
11 AlfassiSt.Jerusalem 92302, Israel
E-mail: ben@nanolavers.comNanomix: (http://www.nano.com/'): разработка сверхчувствительных детекторов
на основе нанотрубок и патентованных соединений.Nanomix, Inc.5980 Horton Street
Emeryville, CA 94608, USA
E-mail: info@nano.com
124Приложение ВNanosphere: (http://www.nanosphere-inc.com/): коммерциализация решений,
созданных на основе уникальных свойств материи, проявляющихся в наномас¬
штабах, и патентованных соединений (зонды на основе наночастиц, биоштрих¬
код и автоматизация инструментов).Nanosphere, Inc.4088 Commercial Avenue
Northbrook, IL 60062
E-mail: info@nanosphere.usNanotherapeutics: (http://www.nanotherapeutics.com/): созданы две технологи
доставки лекарств (Nanodry и Nanocoat), существенно улучшающие свойства ле¬
карств, повышающие рентабельность и расширяющие область их применения по
сравнению с другими технологиями.Nanotherapeutics, Inc.12085 Research DriveAlachua, FL 32615, USAE-mail: info@nanotherapeutics .comNanoxis: (http://www.nanoxis.seA: разработка стандартных и оптимизированных
средств для идентификации и анализа мембранных белков с применением нанотех¬
нологий, основанных на мягких полимерах и жидкокристаллических материалах.Nanoxis А.В.МС2 Building A at Chalmers
Kemivagen 9SE-412 96 Gothenburg, Sweden
E-mail: info@nanoxis .comOrla Protein Technologies: (http://www.orlaproteins.com/): компания работает в
пограничной области между материаловедением и биологией, занимается иссле¬
дованием свойств поверхности белков и производит белковые матрицы высокой
плотности, частицы с белковыми покрытиями для медицины, анализа, клеточной
инженерии, конструирования имплантатов и средств нанодиагностики.Orla Protein Technologies Ltd
Nanotechnology Centre
Newcastle Upon Tyne
NE1 7RU, UKE-mail: enquiries@orlaproteins.com
Список компании, занятых в области бионанотехнологии и нанобиотехнологии 125Platypus Technologies: (http://www.platvpustech.com/): производство и продажа
продукции на основе нанотехнологий для наук о жизни - поверхностей с различ¬
ной наноструктурой для лабораторного применения, а также средств оперативной
детекции взаимодействия молекул, созданных по патентованной технологии на
базе жидких кристаллов.Platypus Technologies, LLC
5520 Nobel Dr., Suite 100
Madison, WI53711
E-mail: info@platypustech.com.Protiveris: (http://www.protiveris.com/): создание сверхчувствительных датчи¬
ков на основе микрокантилевера для обнаружения взаимодействия молекул по из¬
менению давления и массы.Protiveris Inc.15010 Broschart Road
Rockville, MD 20850, USAQuantum Dot Corp: (http://www.qdots.com): производство квантовых точек раз¬
личного состава и поверхностными свойствами для биологических исследований.Quantum Dot Corp.26118 Research Road
Hayward, CA 94545, USASchoeller Textil: (http://www.nano-sphere.ch): производство самоочищающихся
тканей с покрытием NanoSphere, основанным на принципе самоочистки, безу¬
пречно копирующим природные аналоги.Schoeller Textil AG
Bahnhofstrasse 17
СН- 9475 Sevelen
E-mail: info@schoeller-textiles.comStarpharma: http://www.starpharma.com: разработка нанолекарств на основе
дендримеров, не имеющих аналогов на рынке.Starpharma Holdings Ltd
75 Commercial Road
Melbourne VIC 3004, Australia
126Приложение ВE-mail: info@starpharma.comTriton BioSystems: http://www.tritonbiosvstems.com/: разработка новых противо¬
раковых препаратов на базе магнитных наноматриалов и энергии магнитного поля.Triton BioSystems, Inc.200 Turnpike RoadChelmsford, MA 01824, USAE-mail: Inquire@TritonBioSystems.comVelbionanotech: http://www.velbionanotech.com/: развитие и совершенствование
молекулярных нанотехнологий на стыке биологии, химии, физики и техники.VelbionanotechCity Point,Infantry Road,Bangalore-560 001, India
E-mail: info@velbionanotech.com
Приложение СГлоссарий
S-слой - структура, ассоциированная с клеточной мембраной бактерий и архей,
образованная белками и гликопротеинами.Авидин - гликопротеин, обладающий очень высокой аффинностью к биотину
(константа диссоциации - 10'15 М1), образующий с ним самую прочную из из¬
вестных нековалентных связей.Актиновый филамент - полимерная молекула из двух спирально закрученных це¬
пей диаметром около 7 нм. Основной белковый компонент цитоскелета и попереч¬
нополосатых мышц. Другое название - микрофиламент (см. Миозин и Полимер).Амилоидные фибриллы - упорядоченные нити из белковых или пептидных ком¬
понентов диаметром 7-10 нм, формирующиеся в клетках человека при ряде забо¬
леваний, таких как болезнь Альцгеймера и диабет II типа.Аминокислоты - строительные блоки белков и полимеров-пептидов. Типичная
аминокислота включает хирально асимметричный атом углерода, с которым свя¬
зана аминогруппа, карбоксильная группа и боковая цепь (см. Пептиды, Полимер,
Белки).Амфифильное (амфипатичекое) соединение - соединение, проявляющее одно¬
временно свойства гидрофильное™ и гидрофобности (от греч. amphis - «оба»,
philia - «любовь»).Ангстрем (А) - 0,1 нм, 1010 м.Антиген - химическое соединение, вызывающее иммунный ответ, в частности -
выработку антител (см. Антитела).Антитела (иммуноглобулины) - белковые комплексы, специфически связываю¬
щие определенные химические соединения (антигены) с высокой аффинностью.
Основное «оружие» иммунной системы в борьбе с бактериальной и вирусной ин¬
фекцией (см. Антиген).Ароматические соединения - соединения, содержащие одно или несколько
плоских циклических углеродных структур с общей электронной плотнос¬
тью. Способны к спонтанному взаимодействию - стэкингу, обусловленному
геометрическими ограничениями.
Глоссарий129Археи, архебактерии - систематическая группа прокариот, во многом отличаю¬
щаяся от бактерий и похожая на эукариот. Образуют одно из трех надцарств на¬
ряду с прокариотами и эукариотами.Атомно-силовая микроскопия (ACM) - разновидность сканирующей зондовой
микроскопии, обеспечивающая очень высокое разрешение. ACM используется
для визуализации, измерения и осуществления манипуляций с наночастицами.Аффинность - взаимодействие двух и более химических сущностей, описывае¬
мое константой диссоциации.Бактерии - одноклеточные прокариотические микроорганизмы, одна из низших
форм жизни.Бактериофаг - вирус, проникающий в бактериальную клетку и размножающий¬
ся в ней (от слов «бактерия» и греч. phagein - есть).Белки - длинные полимерные молекулы из 40-50 и более аминокислотных остат¬
ков. Крупные белки состоят из тысяч аминокислот (см. Пептиды).Биоминерализация - образование минералов живыми организмами, обычно для
придания тканям прочности.Бионанотехнология - наука, использующая в нанотехнологии биологические
принципы и строительные блоки.Биосенсор - устройство, включающее детектор биологического происхождения и
электрический либо оптический преобразователь. Используется для обнаружения
различных веществ.Биотехнологии - медицинские, сельскохозяйственные и пр. технологии, разрабо¬
танные на основе биологии.Биотин (витамин Н, витамин В7) - небольшая органическая молекула, встреча¬
ется в компонентах яйца. Образует прочный комплекс с авидином.Вирус - мельчайший паразит, состоит из молекул ДНК или РНК в белковой или
липидной оболочке (см. Бактериофаг).
130Приложение СВодные технологии (Water Technology, или WaTech) - технологии очистки сточ¬
ных и опреснения природных вод.Гидрогель - сеть из полимерных молекул, насыщенная преимущественно водой
(обычно > 99 %). Большинство гидрогелей обладают наноструктурой.Гидрофильное (полярное) соединение - соединение, растворимое в полярных
растворителях, таких как вода, и нерастворимое в неполярных жидкостях (от греч.
hydros - «вода» и philia - «любовь») (см. Амфифилъное соединение).Гидрофобное (неполярное) соединение - соединение, растворимое в неполяр¬
ных растворителях и нерастворимое в воде (от греч. hydros - «вода» и phobos -
«страх»). Гидрофобные соединения также называют липофильными.Гомология - в биохимическом смысле - степень сходства последовательностей
молекул ДНК и белков.Графит - материал, образованный плоскими слоями из атомов углерода (от греч.
graphein - «писать»).Двойная спираль - надмолекулярная структура из двух спиралей с согласован¬
ной структурой, закрученных вокруг общей оси. Двойная спираль - характерная
структура молекул ДНК.ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - ее молекулы содержат информацию
для синтеза молекул РНК, большинство из которых используются для трансляции-	синтеза белка.Доставка лекарств - метод доставки лекарственного препарата к нужным орга¬
нам и тканям.Иммуноглобулины - см. Антитела.Ионные каналы - поры в мембране, образованные белковыми молекулами, обе¬
спечивающие транспорт определенных ионов (например, натриевые и калиевые
каналы).Квантовая точка - полупроводниковая структура с уникальными оптическими и
флуоресцентными свойствами.
Глоссарий131Кевлар - фирменное название (владелец - фирма DuPont) одного из видов очень
прочных волокон из ароматических полиамидов.Кинезин - класс двигательных белков, перемещающихся вдоль микротрубочек с
грузом (см. Микротрубочки).Ковалентная связь - химическая связь, возникающая путем обобществления
одного или нескольких электронов двумя атомами.Композитные материалы - искусственные материалы, созданные из двух или
более компонентов, существенно различающихся по физическим и химическим
свойствам. Исходные компоненты не смешиваются и структурно обособлены в
составе композитного материала.Контрастирующий агент - повышает чувствительность при визуализации за
счет повышения отношения «сигнал/шум».Лаборатория на чипе - устройство для анализа очень малых (порядка несколь¬
ких пиколитров) объемов жидких образцов.Липосома - сферическая везикула из фосфолипидных мембран диаметром от не¬
скольких десятков до нескольких сотен нм.Липофильный - см. Гидрофобное соединение.Литография - в общем смысле - метод печати на гладкой поверхности. В кон¬
тексте микро- и наноэлектроники - метод нанесения рисунка путем облучения
(фотонами, электронами или ионами) подложки закрытой маской.Мелкие однослойные везикулы (Small unilamellar vesicle, SUV) - см. Липосома.Микротрубочки - белковые нановолокна диаметром около 25 нм и длиной от не¬
скольких микронов до нескольких миллиметров (в аксонах нервных клеток).Миозин - двигательный белок эукариотических клеток, перемещается вдоль ак¬
тиновых филаментов (см. Актиновый филамент).Молекулярная биология - наука о жизни на молекулярном уровне, применяю¬
щая методы химии, биохимии и биофизики.
132Приложение СМолекулярное узнавание - сильное и специфичное нековалентное взаимодей¬
ствие между молекулами, обеспечивающее образование стабильного надмолеку¬
лярного комплекса (см. Надмолекулярная химия).Моль - единица количества вещества. Один моль содержит число атомов веще¬
ства, равное числу Авогадро (~6Х 1023).Мономер - небольшая молекула, которая, связываясь с другими мономерами, об¬
разует полимер.Надмолекулярная химия - область химии, изучающая образование нековалент¬
ных комплексов - «сверхмолекул».Нанобиотехнология - наука о применении нанотехнологии для решения задач
биологии и медицины.Нанокосметика - использование нанотехнологии в косметике, например, липо¬
сомы служат для доставки активных веществ.Нанометр (нм) - миллионная доля метра (10'9 м).Нано-сельское хозяйство - применение нанотехнологий в сельском хозяйстве
(животноводстве и растениеводстве).Нанотрубки - трубчатые наноструктуры из углерода и других органических и
неорганических материалов.Нековалентная связь - химическая связь, при которой не происходит обобщест¬
вление электронов атомами. К нековалентным относится образование водородных
связей, гидрофобные и вандерваальсовы взаимодействия (см. Ковалентная связь).Неорганические вещества - химические вещества, не содержащие углерод.Нуклеиновые кислоты - полимеры, состоящие из нуклеотидов (ДНК или
РНК).Нуклеотиды - основные компоненты ДНК и РНК. Нуклеотид включает
азотистое основание, сахар и одну или несколько фосфатных групп.
Глоссарий133Пептидно-нуклеиновые кислоты (PNA) - полимеры, напоминающие ДНК и
РНК, но «собранные» на пептидном каркасе.Пептиды - короткие полимеры из двух и более молекул аминокислот (см. Белки).
Пикомоль - 10 12 моля.Поверхностно-активное вещество - амфифильное вещество, уменьшающее по¬
верхностное натяжение жидкости.Полиамид - полимер, в котором мономеры связаны пептидными (амидными) свя¬
зями. Включают природные белки и искусственные материалы, такие как кевлар,
нейлон и PNA (см. Белки, Пептиды, Кевлар).Полимер - крупная молекула из повторяющихся единиц (мономеров), связанных
ковалентными связями (см. Ковалентная связь).Полисахарид - полимер из молекул моносахаридов, соединенных гликозидными
связями.Принцип «сверху вниз» - миниатюризация сложных систем путем уменьшения
размеров их компонентов (см. Принцип «снизу вверх»).Принцип «снизу вверх» - образование сложных структур путем координирован¬
ной сборки простых блоков (см. Принцип «сверху вниз»).Рак - группа заболеваний, характеризующихся бесконтрольным делением клеток
и образованием метастазов.Рибосома - клеточная органелла, состоящая из РНК и белков; обеспечивает син¬
тез белка.РНК (рибонуклеиновая кислота) - полимер из мономеров-нуклеотидов. Инфор¬
мационная РНК переносит информацию от ДНК для синтеза белка, РНК также
выполняет структурную и сигнальную функции.Самосборка - спонтанное образование сложных структур из простых строитель¬
ных блоков.
134Приложение ССополимер - полимер, состоящий из двух и более типов мономеров в одной мо¬
лекуле.Сфокусированный ионный луч (FIB) - инструмент для визуализации и наноли¬
тографии с использованием сфокусированного пучка ионов (обычно ионов гал¬
лия).Тканевая инженерия - конструирование биологических систем на тканевом
уровне организации.Фосфолипиды - класс липидов, содержащих отрицательно заряженные фосфат¬
ные группы, основные компоненты биомембран.Фотон - элементарная частица, обусловливающая явления, связанные с электро¬
магнитным излучением.Химическое осаждение - метод восстановления ионов металлов с помощью хи¬
мических восстановителей для нанесения металлических покрытий.Электронная микроскопия (ЭМ) - разновидность микроскопии, в которой изо¬
бражение объекта формируется не фотонами, а более коротковолновыми электро¬
нами. Пучок электронов обеспечивает разрешение порядка нескольких наноме¬
тров (световая микроскопия - несколько сотен нанометров).
Список литературыAggeli, A., Bell, М., Boden, N., Keen, J. N., Knowles, P. F., McLeish, Т. C., Pitkeathly,
М., and Radford, S. E. (1997) Responsive gels formed by the spontaneous selfas¬
sembly of peptides into polymeric beta-sheet tapes. Nature 386, 259-262.Aizenberg, J., Weaver, J. C., Thanawala, M. S., Sundar, V. C., Morse, D. E., and Fratzl,
P. (2005) Skeleton of Euplectella sp.: Structural hierarchy from the nanoscale to
the macroscale. Science 309, 275-278.Altman, М., Lee, P., Rich, A., and Zhang, S. (2000) Conformational behavior of ionic
self-complementary peptides. Protein Sci. 9, 1095-1105.Banerjee, I. A., Yu, L., and Matsui, H. (2003) Cu nanocrystal growth on peptide nano¬
tubes by biomineralization: size control of Cu nanocrystals by tuning peptide
conformation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 14678-14682.Bong, D. Т., Clark, D. Т., Granja, J. R., and Ghadiri, M. R. (2001) Self-assembling or¬
ganic nanotubes. Angew. Chem. Int. Ed. 40, 988-1011.Braun, E., Eichen, Y., Sivan, U., and Ben-Yoseph, G. (1998) DNA-templated assembly
and electrode attachment of a conducting silver wire. Nature 391, 775-778.Binning, G., Rohrer, H., Gerber, Ch. and Weibel, E. (1982) Surface Studies by Scanning
Tunneling Microscopy. Phys. Rev. Lett. 49, 57-61Bini, E., Knight, D. P., and Kaplan, D. L. (2004) Mapping domain structures in silks
from insects and spiders related to protein assembly. J. Mol. Biol. 335, 27-40.Brott, L. L., Naik, R. R., Pikas, D. J., Kirkpatrick, S. М., Tomlin, D. W., Whitlock, P.
W., Clarson, S. J., and Stone, M. O. (2001) Ultrafast holographic nanopatteming
of biocatalytically formed silica. Nature 413, 291-293.Chapman, M. R., Robinson, L. S., Pinkner, J. S., Roth, R., Heuser, J., Hammar, М.,
Normark, S., and Hulgren, S. J. (2002) Role of Escherichia coli curli operons in
directing amyloid fiber formation. Science 295, 851-855.Cheng, X., Wang, Y., Hanein, Y., Bohringer, K. F., and Ratner, B. D. (2004) Novel
cell patterning using microheater-controlled thermoresponsive plasma films. J.
Biomed. Mater. Res. A. 70, 159-168.Cole, L. A. (1997) Immunoassay of human chorionic gonadotropin, its free subunits,
and metabolites. Clin. Chem. 43, 2233-2243.Collins, P. G., Arnold, M. S., and Avouris, P. (2001) Engineering carbon nanotubes and
nanotube circuits using electrical breakdown. Science 292, 706-709.DeLong, E. F., and Pace, N. R. (2001) Environmental diversity of bacteria and archaea.
Syst. Biol. 50, 470-478.
136Список литературыde Pablo, P. J., Schaap, I. A., MacKintosh, F. C., and Schmidt, C. F. (2003) Deforma¬
tion and collapse of microtubules on the nanometer scale. Phys. Rev. Lett. 91,
098101.Djalali, R., Chen, Y.F., and Matsui, H. (2003) Au nanocrystal growth on nanotubes
controlled by conformations and charges of sequenced peptide templates. J. Am.
Chem. Soc. 125,5873-5879.Douglas, T. (2003) Materials science. A bright bio-inspired future. Science 299, 1192-
1193.Drexler, E. K. (1981) Molecular engineering: An approach to the development of gener¬
al capabilities for molecular manipulation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78, 5275-
5278.Drexler, E. K. (1986) Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Anchor
Books, (available also freely online: http://www.foresight.org/EOC/)Drexler, E. K. (1992) Nanosystems: molecular machinery, manufacturing, and compu¬
tation. Wiley Interscience.Eigler, D. М., and Schweizer, E. K. (1990) Positioning single atoms with a scanning
tunneling microscope. Nature 344, 524-526.Elliot, M. A., Karoonuthaisiri, N., Huang, J., Bibb, M. J., Cohen, S. N., Kao, С. М., and
Buttner, M. J. (2003) The chaplins: a family of hydrophobic cell-surface proteins
involved in aerial mycelium formation in Streptomyces coelicolor. Genes Dev.
17, 1727-1740.Empedocles, S. A. and Bawendi, M. G. (1997) Quantum-confined stark effect in single
CdSe nanocrystallite quantum dots. Science 278, 2114-2117.Gazit, E. (2002) A possible role for pi-stacking in the self-assembly of amyloid fibrils.
FASEB J. 16, 77-83.Gazit, E. (2002) Mechanistic studies of the process of amyloid fibrils formation by the
use of peptide fragments and analogues: Implications for the design of fibrilliza-
tion inhibitors. Curr. Med. Chem. 9, 1725-1735.Ghadiri, M. R., Granja, J. R., Milligan, R. A., McRee, D.E., and Khazanovich, N. (1993)
Self-assembling organic nanotubes based on a cyclic peptide architecture. Nature
366, 324-347.Ghadiri, M. R., Granja, J. R., and Buehler, L. K. (1994) Artificial transmembrane ion
channels from self-assembling peptide nanotubes. Nature 369, 301-304.Gilead, S., and Gazit, E. (2005) Self-organization of short peptide fragments: from
amyloid fibrils to nanoscale supramolecular assemblies. Supramol. Chem. 17,
87- 92.Goel, A., Howard, J. B., and Sande, J. В. V. (2004) Size analysis of single fullerene
molecules by electron microscopy. Carbon 42, 1907-1915.Gyorvary, E., Schroedter, A., Talapin, D. V., Weller, H., Pum, D., and Sleytr, U. B.
(2004) Formation of nanoparticle arrays on S-layer protein lattices. J. Nanosci.
Nanotechnol. 4, 115-120.
Список литературы137Favier, F., Walter, E.C., Zach, M.P., Benter, Т., and Penner, R.M. (2001) Hydrogen sen¬
sors and switches from electrodeposited palladium mesowire arrays. Science
293,2227-2231.Feldkamp, U., and Niemeyer, С. M. (2006) Rational design of DNA nanoarchitectures.
Angew. Chem. Int. Ed. 45, 1856-1876.Fraenkel-Conrat, H., Singer, B., and Williams, R. C. (1957) Infectivity of viral nucleic
acid. Biochim. Biophys. Acta. 25, 87-96.Foley, J., Schmid, H., Stutz, R., and Delamarche, E. (2005) Microcontact printing of
proteins inside microstructures. Langmuir 21, 11296-11303.Fromherz, P. (2002) Electrical interfacing of nerve cells and semiconductor chips.
Chemphyschem 3, 276-284.Hamada, D., Yanagihara, I., and Tsumoto, K. (2004) Engineering amyloidogenicity to¬
wards the development of nanofibrillar materials. Trends Biotechnol. 22, 93-97.Hart, S. L. (2005) Lipid carriers for gene therapy. Curr. Drug Deliv. 2,423-428.Hartgerink, J. D., Beniash, E., and Stupp, S. I. (2001) Self-assembly and mineralization
of peptide-amphiphile nanofibers. Science 294, 1684-1688.Holmes, Т. C., de Lacalle, S., Su, X., Liu, G., Rich, A., and Zhang, S. (2000) Extensive
neurite outgrowth and active synapse formation on self-assembling peptide scaf¬
folds. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 6728-6733.Home, W.S., Ashkenasy, N., and Ghadiri, M. R. (2005) Modulating charge transfer
through cyclic D,L-alpha-peptide self-assembly. Chemistry 11, 1137-1144.Hunter, C. A. (1993) Arene-Arene Interactions: Electrostatic or charge transfer. Angew.
Chem. Int. Ed. 32, 1584-1586.Iijima, S. (1991) Helical microtubules of graphitic carbon Nature 354, 56-58.Jaffari, S. A., and Turner, A. P. (1995) Recent advances in amperometric glucose biosen¬
sors for in vivo monitoring. Physiol Meas. 16, 1-15Jaremko, J., and Rorstad, O. (1998) Advances toward the implantable artificial pancreas
for treatment of diabetes. Diabetes Care 21, 444-450Jarrett, J. Т., and Lansbury, P. T. Jr. (1993) Seeding “one-dimensional crystallization” of
amyloid: a pathogenic mechanism in Alzheimer’s disease and scrapie? Cell 73,
1055-1058.Jin, H.-J., and Kaplan, D.E. (2003) Mechanism of silk processing in insects and spiders.
Nature 424, 1057-1061.Kamiya, S., Minamikawa, H., Jung, J. H., Yang, B., Masuda, М., and Shimizu, T. (2005)
Molecular structure of glucopyranosylamide lipid and nanotube morphology.
Langmuir 21, 743-750.Kane, R. S., Takayama, S., Ostuni, E., Ingber, D. E., and Whitesides, G. M. (1999) Pat¬
terning proteins and cells using soft lithography. Biomaterials 20, 2363-2376.Katz, E., and Willner, I. (2004) Biomolecule-fimctionalized carbon nanotubes: applica¬
tions in nanobioelectronics. Chemphyschem 5, 1084-1104.Kaul, R. A., Syed, N. I., and Fromherz, P. (2004) Neuron-semiconductor chip with
chemical synapse between identified neurons. Phys. Rev. Lett. 92, 038102.
138Список литературыKeren, К., Krueger, М., Gilad, R., Ben-Yoseph, G., Sivan, U., and Braun E. (2002)
Sequence-specific molecular lithography on single DNA molecules. Science 297,
72-75.King, C. Y., Tittmann, R, Gross, H., Gebert, R., Aebi, М., and Wuthrich, K. (1997).
Prion-inducing domain 2-114 of yeast Sup35 protein transforms in vitro into am-
yloid-like filaments. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 6618-6622.Kisiday, J., Jin, М., Kurz, B„ Hung, H., Semino, C., Zhang, S., and Grodzinsky, A. J.(2002)	Self-assembling peptide hydrogel fosters chondrocyte extracellular ma¬
trix production and cell division: implications for cartilage tissue repair. Proc.
Natl. Acad. Sci. USA 99, 9996-10001.Kiley, P., Zhao, X., Vaughn, М., Baldo, M. A., Bruce, B. D., and Zhang, S. (2005) Sel¬
fassembling peptide detergents stabilize isolated photosystem I on a dry surface
for an extended time. PLoS Biol. 3, e230.Knez, М., Sumser, M. P.., Bittner, A. М., Wege, C., Jeske, H., Martin, T. P., and Kern,
K. (2004). Spatially selective nucleation of metal clusters on the tobacco mosaic
virus. Adv. Funct. Mat. 14, 114-119.Knez, М., Bittner, A. М., Boes, C., Wege, C., Jeske, H., MaiB, K., and Kern, K. (2003).
Biotemplate synthesis of 3-nm nickel and cobalt nanowires. Nano Lett. 3, 1079-
1082.Kol, N., Abramovich, L., Barlam, D., Shneck, R. Z., Gazit E., and Rousso, I. (2005)
Selfassembled peptide nanotubes are uniquely rigid bioinspired supramolecular
structures. Nano Lett. 5, 1343-1346.Kroto, H. W., Heath, J. R., O’Brien, S. C., Curl, R. F., and Smalley, R. E. (1985) C60:
Buckminsterfullerene. Nature 318, 162-163.Kubik, S. (2002) High-performance fibers from spider silk. Angew. Chem. Int. Ed. 41,
2721-2723.Langer, R. (2000) Biomaterials in drug delivery and tissue engineering: One labora¬
tory’s experience. Acc. Chem. Res. 33, 94-101.Lee, S. W., Мао, C., Flynn, С. E., and Belcher, A. M. (2002a) Ordering of quantum dots
using genetically engineered viruses. Science 296, 892-895.Lee, K.-B., Park, S.-J., Mirkin, C. A., Smith, J. C., and Mrksich, M. (2002b) Protein
nanoarrays generated by dip-pen nanolithography. Science 295, 1702-1705.Lee, K-В., Lim, J-H., and Mirkin, C.A. (2003) Protein Nanostructures Formed Via Di¬
rect-Write Dip-Реп Nanolithography. J. Am. Chem. Soc. 125, 5588-5589.Lehn, J. M. (2002) Toward self-organization and complex matter. Science 295, 2400-
2403.Li Jeon, N., Baskaran, H., Dertinger, S. K., Whitesides, G. М., Van de Water, L., and
Toner, M. (2002) Neutrophil chemotaxis in linear and complex gradients of inter-
leukin-8 formed in a microfabricated device. Nat. Biotechnol. 20, 826-830.Luckey, М., Hernandez, J., Arlaud, G., Forsyth, V. Т., Ruigrok, R. W., and Mitraki,
A. (2000) A peptide from the adenovirus fiber shaft forms amyloid-type fibrils.
FEBS Lett. 468, 23-27.
Список литературы139Liu, D., Park, S. H., Reif, J. H., and LaBean, Т. H. (2004) DNA nanotubes selfassem¬
bled from triple-crossover tiles as templates for conductive nanowires. Proc. Natl.
Acad. Sci. USA 101, 717-722.Liu, Z., Zhang, D., Han, S., Li, C., Lei, B., Lu, W., Fang, J., and Zhou, C. (2005) Single
Crystalline Magnetite Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 127, 6-7.Madhavaiah, C., and Verma, S. (2004) Self-aggregation of reverse bis peptide conjugate
derived from the unstructured region of the prion protein. Chem. Commun. 21,
638-639.Madhavaiah, C., and Verma, S. (2005) Copper-metalated peptide palindrome derived
from prion octarepeat: synthesis, aggregation, and oxidative transformations.
Bioorg. Med. Chem. 13, 3241-3248.Magrisso, М., Etzion, O., Pilch, G., Novodvoretz, A., Perez-Avraham, G., SchlaefFer, F.,
and Marks R. (2006) Fiber-optic biosensor to assess circulating phagocyte activ¬
ity by chemiluminescence. Biosens. Bioelectron. 21, 1210-1218.Мао, C., Solis, D. J., Reiss, B. D., Kottmann, S. Т., Sweeney, R. Y., Hayhurst, A., Geor-
giou, G., Iverson, B., and Belcher, A. M. (2004) Virus-based toolkit for the direct¬
ed synthesis of magnetic and semiconducting nanowires. Science 303, 213-217.Mathe, J., Aksimentiev, A., Nelson, D. R., Schulten, K., and Meller, A. (2005)Orientation discrimination of single-stranded DNA inside the alpha-hemolysin
membrane channel. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 12377-12382.Mann, S., and Weiner, S. (1999) Biomineralization: Structural questions at all length
scales. J. Struct. Biol. 126, 179-181.Margulis, L., Salitra, G., Tenne, R., and Talianker, M. (1993) Nested fullerene-like
structures. Nature 365, 113-114.Martin, R., Waldmann, L., and Kaplan, D. L. (2003) Supramolecular assembly of col¬
lagen triblock peptides. Biopolymers 70,435-444.Marx, A., Muller, J., and Mandelkow, E. (2005) The structure of microtubule motor
proteins. Adv. Protein Chem. 71, 299-344.Meller, A., Nivon, L., Brandin, E., Golovchenko, J., and Branton, D. Rapid nanopore
discrimination between single polynucleotide molecules. Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 97, 1079-1084.Merrifield R. B. (1965) Automated synthesis of peptides. Science 150, 178-185.Mitraki, A., and van Raaij, M. J. (2005) Folding of beta-structured fibrous proteins and
self-assembling peptides. Methods Mol. Biol. 300, 125-140.Morais-Cabral, J. H., Lee, A., Cohen, S. L., Chait, В. Т., Li, М., and Mackinnon, R.
(1998) Crystal structure and functional analysis of the HERG potassium channel
N terminus: a eukaryotic PAS domain. Cell 95, 649-655.Nakashima, N., Asakuma, S., and Kunitake, T. (1985) Optical microscopic study of heli¬
cal superstructures of chiral bilayer membranes. J. Am. Chem. Soc. 107, 509-510.Nam, J-М., Thaxton, C. S., and Mirkin, C. A. (2003) Nanoparticle-based bio-bar codes
for the ultrasensitive detection of proteins. Science 301,1884-1886.
140Список литературыNam, К. Т., Kim, D. W., Yoo, P. J., Chiang, С. Y., Meethong, N., Hammond, P. Т.,
Chiang, Y. М., and Belcher, A. M. (2006) Virus-enabled synthesis and assembly
of nanowires for lithium ion battery electrodes. Science 312, 885-888.Naik, R. R., Whitlock, P. W., Rodriguez, F., Brott, L. L., Glawe, D. D., Clarson, S. J.,
and Stone, M. O. (2003) Controlled formation of biosilica structures in vitro.
Chem. Commun. 2003, 238-239.Nielsen, P. E. (1995) DNA analogues with nonphosphodiester backbones. Annu Rev
Biophys. Biomol. Struct. 24, 167-183.Nowak, A. P., Breedveld, V., Pakstis, L., Ozbas, B., Pine, D. J., Pochan, D., Deming,
T. J. (2002) Rapidly recovering hydrogel scaffolds from self-assembling diblock
copolypeptide amphiphiles. Nature 417, 424-428.Nowak, A. P., Breedveld, V., Pine, D. J., and Deming, T. J. (2003) Unusual salt stabil¬
ity in highly charged diblock co-polypeptide hydrogels. J. Am. Chem. Soc. 125,
15666-15670.Nuraje, N., Banerjee, I. A., MacCuspie, R. I., Yu, L., and Matsui, H. (2004) Biological
bottom-up assembly of antibody nanotubes on patterned antigen arrays. J. Am.
Chem. Soc. 126, 8088-8089.Papanikolopoulou, K., Schoehn, G., Forge, V., Forsyth, V. Т., Riekel, C., Hernandez,
J. F., Ruigrok, R. W., and Mitraki, A. (2005) Amyloid fibril formation from se¬
quences of a natural beta-structured fibrous protein, the adenovirus fiber. J. Biol.
Chem. 280, 2481-2490.Parker, M. W., and Feil, S. C. (2005) Pore-forming protein toxins: from structure to
function. Prog. Biophys. Mol. Biol. 88, 91-142.Patolsky, F., Weizmann, Y., and Willner, I. (2004) Actin-based metallic nanowires as
bio-nanotransporters. Nat. Mater. 3, 692-695.Patolsky, F., Zheng, G., Hayden, O., Lakadamyali, М., Zhuang, X., and Lieber С. M.
(2004) Electrical detection of single viruses. Proc. Natl. Acad. Sci U S A. 101,
14017-14022.Perry, С. C., and Keeling-Tucker, T. (2000) Biosilicification: the role of the organic
matrix in structure control. J. Biol. Inorg. Chem. 5, 537-550.PfefFer, R. (1927) Organische Molekulverbindungen. Enke, Stuttgart.Porat, Y., Kolusheva, S., Jelinek, R., and Gazit, E. (2003) The human islet amyloid
polypeptide forms transient membrane-active protofilaments. Biochemistry 42,
10971-10977.Reches, M, and Gazit, E. (2003) Casting metal nanowires within discrete self-assembled
peptide nanotubes. Science 300, 625-627.Reches, М., and Gazit, E. (2004) Formation of closed-cage nanostructures by selfas¬
sembly of aromatic dipeptides. Nano Lett. 4, 581-585.Reches, М., and Gazit, E. (2005) Self-assembly of peptide nanotubes and amyloid-like
structures by charged-termini capped diphenylalanine peptide analogues. Israel
J. Chem. 45, 363-371.
Список литературы141Reches, М., and Gazit, Е. (2006) Molecular self-assembly of peptide nanostructures:
mechanism of association and potential uses. Curr. Nanoscience 2, 105-111.Schinazi, R. F., Sijbesma, R., Srdanov, G., Hill, C. L., and Wudl, F. (1993) Synthesis and
virucidal activity of a water-soluble, configurationally stable, derivatized C60
fullerene. Antimicrob. Agents Chemother. 37, 1707-1710.Sahoo,Y., Pizem, H., Fried, Т., Goldnitsky, D., Burstein, L., Sukenik, C.M., and Mark¬
ovich, G. (2001) Alkyl Phosphonate/Phosphate Coating on Magnetite Nanopar¬
ticles: A Comparison with Fatty Acids. Langmuir 17, 7907-7911.Sarikaya, М., Tamerler, C., Jen, A.K., Schulten, K., and Baneyx, F. (2003) Molecular
biomimetics: nanotechnology through biology. Nat Mater. 2, 577-585.Scheibel, Т., Parthasarathy, R., Sawicki, G., Lin, X. М., Jaeger, H., and Lindquist, S. L.(2003)	Conducting nanowires built by controlled self-assembly of amyloid fibers
and selective metal deposition. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100,4527-4532.Schneider, J. P., Pochan, D. J., Ozbas, B., Rajagopal, K., Pakstis, L., and Kretsinger,
J. Responsive hydrogels from the intramolecular folding and self-assembly of a
designed peptide. J. am. Che. Soc. 124, 15030-15037.Schuster, B., Gyorvary, E., Pum, D., and Sleytr, U. B. (2005) Nanotechnology with
Slayer proteins. Nanotechnology with S-layer proteins. Methods Mol. Biol. 300,
101-123.Seeman, N. C. (1990) De novo design of sequences for nucleic acid structural engineer¬
ing. J. Biomol. Struct. Dyn. 8, 573-581.Seeman, N. C. (2005) Structural DNA nanotechnology: an overview. Methods Mol.
Biol. 303, 143-166.Sherman, W. B., and Seeman, N. C. (2006) Design of minimally strained nucleic Acid
nanotubes. Biophys. J. 90,4546-4557.Shim, J., Bersano-Begey, T. F., Zhu, X., Tkaczyk, A. H., Linderman, J. J., and Takaya-
ma, S. (2003) Micro- and nanotechnologies for studying cellular function. Curr.
Top. Med. Chem. 3, 687-703.Silva, G. A., Czeisler, C., Niece, K. L., Beniash, E., Harrington, D. A., Kessler, J. A.,
and Stupp, S. I. (2004) Selective differentiation of neural progenitor cells by
highepitope density nanofibers. Science 303, 1352-1355.Simon, P., Lichte, H., Wahl, R., Mertig, М., and Pompe W. (2004) Electron holography
of non-stained bacterial surface layer proteins. Biochim. Biophys. Acta. 1663,
178-187.Sun, S., and Bernstein, E. R. (1996) Aromatic van der Waals Clusters: Strcture and non¬
rigidity. J. Phys. Chem. 100, 13348-13366.Sundar, V. C., Yablon, A. D., Grazul, J. L., Ilan, М., and Aizenberg, J. (2003) Fibreopti-
cal features of a glass sponge. Nature 424, 899-900.Taniguchi, N. (1974) On the basic concept of‘NanoTechnology’ Proc. Intl. Conf. Prod.
Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering.Tenidis, K., Waldner, М., Bemhagen, J, Fischle, W., Bergmann, М., Weber, М., Merkle,
M. L., Voelter, W., Brunner, H., and Kapumiotu, A. Identification of a penta- and
142Список литературыhexapeptide of islet amyloid polypeptide (IAPP) with amyloidogenic and cyto¬
toxic properties. J. Mol. Biol. 295, 1055-1071.Tenne, R. (2002) Inorganic nanotubes and fullerene-like materials. Chemistry 8, 5296-
5304.Tenne, R., and Rao, C.N. (2004) Inorganic nanotubes. Philos. Transact. A. Math. Phys.
Eng. Sci. 362, 2099-2125.True, H. L., Berlin, I., and Lindquist, S. L. (2004) Epigenetic regulation of translation
reveals hidden genetic variation to produce complex traits. Nature 431, 184-187.Valery, C., Patemostre, М., Robert, B., Gulik-Krzywicki, Т., Narayanan, Т., Dedieu, J.
C., Keller, G., Torres, M. L., Cherif-Cheikh, R., Calvo, P., and Artzner, F. (2003)
Biomimetic organization: Octapeptide self-assembly into nanotubes of viral
capsid-like dimension. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 10258-10262.Vauthey, S, Santoso, S., Gong, H., Watson, N., and Zhang, S. (2002) Molecular sel¬
fassembly of surfactant-like peptides to form nanotubes and nanovesicles. Proc.
Natl. Acad. Sci. USA 99, 5355-5360.Wang, W. U., Chen, C., Lin, К. H., Fang, Y., and Lieber, С. M. (2005) Label-free detec¬
tion of small-molecule-protein interactions by using nanowire nanosensors. Proc.
Natl. Acad. Sci. USA 102, 3208-3212.Wang, Y. C., and Но, С. C. (2004) Micropatteming of proteins and mammalian cells on
biomaterials. FASEB J. 18, 525-527.Weiner, S., Sagi, I., and Addadi, L. (2005) Structural biology. Choosing the crystalliza¬
tion path less traveled. Science 309,1027-1028.Wilchek, M, and Bayer, E. A. (1990) Introduction to avidin-biotin technology. Methods
Enzymol. 184, 5-13.Whitesides, G.M., Mathias, J.P., and Seto, C.T. (1991) Molecular self-assembly and
nanochemistry: A chemical strategy for the synthesis of nanostructures. Science
254,1312-1319.Whitesides, G. М., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., and Ingber, D. E. (2001) Soft
lithography in biology and biochemistry. Annu. Rev. Biomed. Eng. 3, 335-373.Wu, H., Wheeler, A., Zare, R. N. (2004) Chemical cytometry on a picoliter-scale inte¬
grated microfluidic chip. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 12809-12813.Xiao, Y., Patolsky, F., Katz, E., Hainfeld, J. F., and Willner, I. (2003) “Plugging into
Enzymes”: Nanowiring of redox enzymes by a gold nanoparticle. Science 299,
1877-1881.Yager, P., and Schoen, P. E. (1984) Formation of tubules by a polymerizable surfactant.
Mol. Cryst. Liq. Cryst. 106, 371-381.Yamada, K., Ihara, H., Ide, Т., Fukumoto, Т., and Hirayama, C. (1984) Formation of
helical super structure from single-walled bilayers by amphiphiles with oligo-
Lglutamic acid-head group. Chem. Lett. 1984, 1713-1716.Yan, H., LaBean, Т. H., Feng, L., and Reif, J. H. (2003) Directed nucleation assembly
of DNA tile complexes for barcode-patterned lattices. Proc. Natl. Acad. Sci. USA
100,8103-8108.
Список литературы143Yemini, М., Reches, М., Rishpon, J., and Gazit, E. (2005a) Novel electrochemical bi¬
osensing platform using self-assembled peptide nanotubes. Nano Lett. 5, 183-
186.Yemini, М., Reches, М., Gazit, E., and Rishpon, J. (2005b) Peptide nanotubes modified
electrodes for enzyme-biosensors applications. Anal. Chem. 77, 5155-5159.Zhang, S. (2003) Fabrication of novel biomaterials through molecular self-assembly.
Nat Biotechnol. 21,1171-1178.Zheng, G., Patolsky, F., Cui, Y., Wang, W. U., and Lieber, С. M. (2005) Multiplexed
electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays. Nat. Biotech¬
nol. 23, 1294-1301.
Предметный указательАADNT (aromatic dipeptide nanotubes), 68, 69, 70
Avastin, 14Сc60, 28-29CdS-наночастицы, 31-32
Clostridium acetobutylicum, 13КKd, 50-55
Kevlar, 69nn-типа нанопроводники, 86
PPSA-антиген - простатический специфический антиген, 56
p-типа нанопроводники, 86RRecA, 43, 59, 75, 77SS-слои, 35, 37, 73, 128
ААвидин, 50, 51, 62, 128
Актиновые филаменты, 41, 42, 78, 128
Алмаза структура, 28Амилоидные фибриллы, 44, 67, 68, 75, 76, 128
Амфифильные структуры, 38, 65
Предметный указатель145Антитела, 13-15, 52, 55-57, 86, 128
Ароматические взаимодействия, 68, 69, 78, 128
Ароматические дипептидные нанотрубки - см. ADNT
Атомный силовой микроскоп, 25, 44
Аффинность, 49-52, 55-57, 59, 80, 85, 129ББактериофаги, 17, 80
Белки ПАВ-подобные, 65, 66
Биолитография, 59
Биоминерализация, 80-82, 96, 129
Биомолекулярная литография, 77, 87
Бионанотехнология, 12, 16, 20, 89, 92, 129
Бионика, 21, 22
Биополимерная матрица, 81
Биосенсоры, 50, 87, 117, 124, 129
Биотехнология, 12-14
Бислои, 38, 39Биннинг, Герд (Binning, Gerd), 25, 135
Боден, Невиль (Boden, Neville), 69, 135
Браун, Эрец (Braun, Erez), 12, 43, 75, 76, 138
Будущее нанотехнологии, 98ВВезикулы липидные однослойные, 23, 39, 131Везикулы липидные, 40Верма, Сандип (Verma, Sandeep), 67, 139Вилнер, Итамар (Willner, Itamar), 78, 79, 137, 140, 142Вирусные капсиды, 36, 38Вирусов обнаружение, 86Вирусов самоорганизация, 36ВИЧ, 15,29Водные технологии (WaTech), 89, 130
Воды очистка, 89ГГадири, Реза (Ghadiri, М. Reza), 19, 63, 64, 135, 136, 137
Галофилы, 35
Гидрогель, 67, 130
Глюкозооксидаза, 15, 16
146Предметный указательдДиабет II типа, 15,44, 128
Диатомеи, 81, 82Диссоциации константа, 50, 53, 128, 129
Диссоциации скорость, 51, 52
ДНК, олигомеры, 61-63,43, 76
ДНК, структура, 58, 72,130
Дрекслер, Эрик (Drexler, К. Eric), 25, 136ЖЖгутики, 473Зееман, Нэдриен (Seeman, Nadrian), 19,42, 61, 141
ИИидзима, Сумио (Iijima, Sumio), 29, 137
ККаналы ионные, 47, 130
Кантилевер, 26Квантовые точки, 16, 31, 32, 90
Кинезин, 41,47, 131
Классическая биотехнология, 12
Контрастирующие агенты, 87, 131
Крото, Гаральд (Kroto, Harold W.), 28, 138
Крэм, Дональд (Cram, Donald J.), 18ЛЛаборатория на чипе, 12, 16,20, 73, 93,131
Лекарств доставка, 29,40, 83-85, 88, 90, 118, 120, 124, 130
Лен, Жан-Мари (Lehn, Jean-Marie), 18, 34, 138
Лиганд, 43,48,49, 51, 52, 55, 57, 59, 85, 86
Липосомы, 23, 40, 84, 85, 90Литография, 17, 20,43, 73, 75, 77, 78, 81, 82, 87, 96,131
Литография «мягкая», 87
Литография электронно-лучевая, 17
Лэнгер, Роберт (Langer, Robert S.), 93, 138
Предметный указатель147ММагнитные наночастицы, 33Маккиннон, Родерик (MacKinnon, Roderick), 48, 139Мацуи, Хироши (Matsui, Hiroshi), 65, 66,135, 136,140Мембрана клеточная, 48, 59, 128Мембраны липидные, 36, 38, 48, 73Металлизация, 78, 79Микротрубочки, 41,42,47,131Миозин, 42, 78, 131Молекулярная биология, 11, 92, 93, 131
Молекулярное узнавание, 15, 18,49, 55, 59, 72,132ННанобиотехнология, 9-12, 18, 20, 21, 23, 61, 83, 87, 92, 93, 95, 96, 117, 132
Нанодвигатели, 47
Нанокосметика, 89, 132
Нанокристаллы, 31, 33, 83Нанопроводники, 12, 19, 32, 43-45, 73-76, 78, 85, 86
Нанопроводники кремниевые, 86
Нанопроводники серебряные, 79
Нанороботы,10-12, 96, 97
Наностержни, 32Нанотрубки, 23, 30, 61, 65, 66, 68-70, 78, 89, 132Нанотрубки липидные, 39,40Нанотрубки неорганические, 70Нанотрубки полые, 64Нанотрубки углеродные, 21, 29, 30Наночастицы, 31, 33, 37, 38, 40,42, 44, 56, 62, 73, 78Нейронные сети, 96, 100ООлигонуклеотиды, 12, 43,48, 62, 63
ППедерсон, Чарлз (Pederson, Charles J.), 18
Пенициллин,13Пептидные нанотрубки, 63, 64, 78
Пептидные строительные блоки, 65, 66, 128
148Предметный указательПептиды амфифильные, 65, 66
Печать микроконтактная, 87
Поверхностный плазмонный резонанс (SPR), 52
Полидиметилсилаксан (PDMS), 87
Промежуточные филаменты, 41, 42
Протеосомы, 46РРдфорд, Шина (Radford, Sheena), 68, 69, 135
Рецептор-лиганд, взаимодействие, 49, 50, 59
Рибосома, 17, 34, 37, 42, 43, 45,46, 133
Рорер, Генрих (Rohrer, Heinrich), 25, 135ССамосборка, 9, 18, 19, 34, 37, 40,44, 45,46, 61, 62, 65, 67, 90, 133Свойства механические, 45Сиван, Ури (Sivan, Uri), 75, 135, 138Сканирующая туннельная микроскопия (STM), 25Слейтр, Уве (Sleytr, Uwe В.), 35, 36, 74, 136, 141Смоли, Ричард (Smalley, Richard Е.), 28, 138Ступ, Сэмюэл (Stupp, Samuel I.), 65, 137, 141ТТанигучи, Норио (Taniguchi, Norio), 25, 141
Тенн, Решеф (Tenne, Reshef), 30, 31, 139, 142
Тканевая инженерия, 20, 83, 93, 134
Транзистор полевой, 86
Тубулин, 41, 42УУзнавание биомолекул, 10, 49
УФ литография, 17ФФаговый дисплей, 57Фейнман, Ричард (Feynman, Richard P.), 23-25, 101, 102
Ферромагнитные частицы, 88
Фосфолипиды, 39, 80, 85, 134
Фотолитография, 103?. ОД )f>/>
Предметный указатель149Фотоэлемент, 90, 91
Фуллерены, 27-30XХимия надмолекулярная, 17, 18, 132ЧЧжань, Шугань (Zhang, Shuguang), 12, 63, 65, 66, 91, 135, 137-139, 142, 143, 149
ШШелк, 45
ЭЭлектродов матрица,Энтальпия, 18, 49, 54, 58
Энтропия, 18, 49, 53, 54, 58ЮЮнга модуль, 41, 69
Научное изданиеФундаментальные основы нанотехнологий:
лучшие зарубежные учебникиАВТОРЭхуд ГазитНанобиотехнология:
необъятные перспективы развитияПеревод с английского
Соловченко Алексей Евгеньевич
Научный редактор
Клячко Наталья Львовна
Верстка
Соколова Анна СергеевнаООО «Издательство «Научный мир»Адрес отдела реализации:119992, Москва, ул. Знаменка, д. 11/11
Тел./факс +7(495) 691-2847
E-mail: naumir@benran.ru E-mail: naumir@naumir.ru
Internet: http://www.naumir.ruАдрес издательства «Научный мир»:127055, Москва, Тихвинский переулок, д. 10/12, корп. 4
Тел. +7 (499) 973-26-70; (499) 973-25-13
E-mail: naumir@naumir.ru
Internet: http://www.naumir.ruПодписано к печати 25.04.2011
Формат 70x100/16
Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная 9,5 печ. л.
Тираж 1000 экз. Заказ 3784При участии ООО Агентство печати «Столица»
тел.: (495) 331-14-38; e-mail: apstolica@bk.ruОтпечатано с готовых файлов заказчика в ОАО «ИПК
«Ульяновский Дом печати». 432980, г Ульяновск, ул. Гончарова, 14
Издательство «Научный мир» и Научно-образовательный центр по
нанотехнологиям МГУ имени М.В. Ломоносова в III квартале 2011 года
готовят к выпуску книги серии:
«ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»:Андрей Сарычев, Владимир Шалаев
«Электродинамика метаматериалов»□Нан Яо, Жонг Лин Ванг
Справочник по микроскопии для нанотехнологийпЯкоб Израелашвилли
«Межмолекулярные и поверхностные силы»аДаан Френкель, Беренд Смит
«Моделирование молекулярных систем: от алгоритмов к приложениям»пМасуо Хосокава, Киоши Ноги, Макио Наито, Тойоказу Йокойама
«Технологии наночастиц. Справочник»пГао Гуожонг
«Наноструктуры и наноматериалы»ЗАКАЗЫс указанием названия книги, количества экземпляров,ФИО и адреса получателя следует направлять по адресу:119992, Москва, ул. Знаменка, 11/11, Издательство «Научный мир»
E-mail: naumir@benran.ru
8(495)691-28-47
или127055, Москва, Тихвинский переулок, д. 10/12, кор. 4, офис 91
E-mail: naumir@naumir.ru
8(499)973-25-13
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙИздательство «Научный мир» и Научно-образовательный
центр по нанотехнологиям МГУ имени М.В. Ломоносова
представляют четвертую книгу из серии «Фундаменталь¬
ные основы нанотехнологий» «Нанобиотехнология: необъ¬
ятные перспективы развития» автора Эхуда Газита в пере¬
воде на русский язык.Эта книга написана одним из ведущих специалистов по
нанобиологии и блестящим популяризатором данной науки.
Автор знакомит с азами этой области знаний и постепенно
подводит читателя к описанию ее сложнейших проблем.Ученому удалось написать книгу увлекательно и просто,
ее с интересом прочтут биологи и химики, не обладающие
специальными знаниями по нанотехнологии. Она будет по¬
лезна ученым, а также инженерам и всем желающим узнать
больше о технологиях будущего.Читатели, интересующиеся прикладными аспектами на¬
нобиотехнологии, могут обратиться к глоссарию и списку
ведущих компаний, работающих в этой области.О рисунке на обложке. Эта работа под названием «Нано¬
технология» завоевала в 2002 г. приз «Visions of Science»,
присуждаемый лондонской газетой «Дэйли Телеграф» и ком¬
панией «Новартис». На рисунке изображены фантастичес¬
кие наноустройства будущего, которые перемещаются
с током крови и вводят лекарства или отбирают образцы
для анализов. (С) 2002. Coneyl Jay / Science Photo Library
(http://www.sc/encephoto.com).ЛУЧШИЕ ЗАРУБЕЖНЫЕ УЧЕБНИКИ