Гибридные молекулярные устройства

Примером применения КТ в биологии может быть разработка устройств на базе бактериородопсина, позволяющих создавать трансмембранные грандиенты концентрации протонов в модельных мембранных системах.

Известно, что бактериородопсин сам по себе способен транспортировать протоны через биологические мембраны при освещении. Получающийся в результате электрохимический трансмембранный градиент используется затем бактериями для синтеза АТФ.

Однако спектр действия этого процесса ограничен спектром поглощения бактериородопсина, из-за чего транспорт протонов не наблюдается при освещении бактерий (или модельных мембранных систем со встроенным в них бактерииородопсином) при освещении синим или УФ излучением. Присоединение же к молекулам бактериородопсина КТ на основе CdTe позволило расширить область спектра, в которой возможна фотогенерация трансмембранных протонных градиентов с помощью этого белка. В подобной гибридной системе (комплексе бактериородопсин-КТ) при поглощении КТ квантов излучения в синей и УФ-областях наблюдается миграция энергии электронного возбуждения от КТ к ретиналю, хромофорному пигменту бактериородопсина. Принцип функционирования протеолипосом, содержащих комплекс бактериородопсин-КТ, представлен на рис. 35. В дальнейшем подобные протеолипосомы могут стать основой для разработки высокочувствительных оптоэлектронных и фоторегистрирующих устройств.

Рисунок 35. Расширение зоны поглощения бактериородопсина с помощью квантовых точек. Слева: протеолипосома, содержащая бактериородопсин (в форме тримеров) с «пришитыми» к нему квантовыми точками на основе CdTe (показаны оранжевыми сферами). Справа: схема расширения спектральной чувствительности бактериородопсина за счет КТ: на спектре область поглощения КТ находится в УФ- и синей частях спектра; спектр испускания можно «настроить», подобрав размер нанокристалла. Однако в этой системе испускания энергии квантовыми точками не происходит: энергия безызлучательно мигрирует на бактериородопсин, который совершает работу (закачивает ионы H⁺ внутрь липосомы).

Итак, КТ в форме коллоидных нанокристаллов являются перспективнейшими объектами нано-, бионано- и биомеднанотехнологий. Вероятно, со временем квантовые точки могут стать одним из основных инструментов флуоресцентных методов исследования в биологии и медицине.

4.Биофизические основы некоторых фотобиологических процессов. Применение оптического излучения в медицине.

Фотобиологическими процессами принято называть те сдвиги в биологических объектах, которые являются следствием действия на эти объекты оптического излучения. В качестве примеров фотобиологических процессов можно привести следующие явления:

• фотосинтез;

• фоторецепцию (зрение);

• фотобиологические процессы в коже, приводящие к:

• фотоиндуцированной эритеме;

• синтезу меланина (загару);

• синтезу витамина D₃;

• фотоканцерогенезу

• фотопериодизм;

• фотоморфогенез;

• фототропизм;

• фототаксис.

Поскольку оптическое излучение во многих случаях способно вызывать такие сдвиги в организмах пациентов, которые оказывают терапевтическое (лечебное) действие, это излучение очень давно применяется и в медицине. В качестве примеров применения оптического излучения с терапевтическими целями можно привести следующие методики:

• фототерапия гипербилирубинемии новорожденных с помощью облучения кожи синим излучением;

• фотогемотерапия (реинфузия УФ-облученной собственной крови) – метод терапии целого ряда заболеваний с помощью введения пациентам их собственной крови, облученной вне организма УФ излучением;

• фотоферез – метод воздействия на иммунную систему пациента путем введения ему его собственных лейкоцитов, подвергнутых in vitro облучению УФА излучением в присутствии сенсибилизаторов-псораленов;

• фототерапия кожных заболеваний (облучение пораженных патологическим процессом кожных участков УФ излучением в присутствии фотосенсибилизаторов или без них);

• эритемотерапия (облучение УФ излучением в значительных дозах кожных зон Захарьина-Геда);

• фототерапия рахита с помощью облучения кожи УФ излучением;

• фототерапия красным светом – облучение пораженных участков тела или рефлексогенных зон красным видимым излучением (чаще всего – излучением лазеров);

• фотодинамическая терапия опухолей – облучение опухолей видимым излучением после введения фотосенсибилизаторов (производных гематопорфирина и фталоцианиновых красителей);

• фототерапия сезонной аффектной депрессии – длительное освещение больного интенсивным белым светом.

Все фотобиологические процессы развиваются в несколько стадий. Схема последовательности событий, заканчивающейся тем или иным фотобиологическим сдвигом, представлена на рис. 29.

Рисунок 29. Схема стадий развития фотобиологического процесса. Активная молекула М может поглотить квант излучения непосредственно, либо перейти в возбужденное состояние в результате взаимодействия с молекулой-фотосенсибилизатором Z. В любом случае затем формируются продукты фотомодификации активной молекулы М. Эти продукты в ходе темновых процессов запускают биохимические сдвиги, прямо или косвенно приводящие развитию функционального биологического ответа.

Публикуется с модификациями по: Рощупкин Д.И., Артюхов В.Г. Основы фотобиофизики: Учебное пособие. Воронеж: ВГУ, 1997, с. 6.

Фотобиофизика изучает начальные стадии развития фотобиологических процессов, от поглощения квантов излучения молекулами М или Z, и до фотохимических реакций в активных молекулах, приводящих к появлению вызывающих биохимические сдвиги продуктов.

Выше нами уже рассмотрены закономерности поглощения света молекулами и некоторые возможные пути реализации энергии электронного возбуждения. Здесь же мы, прежде всего, остановимся на рассмотрении особенностей и кинетик тех фотохимических реакций, которые могут быть причиной фотобиологических сдвигов в организме.