ext_5251
.pdf
ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии
наномашин, которые Нэд изобрел, скомбинировав опреде ленным образом цепи молекул ДНК.
Рис. 182. Схема и АСМ изображение ДНК наномашины*
Ученые заставили эту наномашину работать, добавив в раствор, содержащий ее, фрагменты все той же ДНК. Машина тут же начала собирать из них полимер, повторяющий структу ру первоначальной “фабрики”. Эта наномашина работает по добно информационной РНК, управляющей синтезом белко вой цепочки в организме.
Ученые хотят со временем создать наномашину, работаю щую подобно рибосоме. “Главное применение будущей искус ственной рибосоме будет в синтезе новых материалов по задан ной последовательности, закодированной в ДНК, – говорит Симэн. – В конце концов, мы научимся делать полимеры и но вые материалы в больших количествах и за малый промежуток времени благодаря ДНК машинам”.
Итак, повторим еще раз!
На пути познания природы огромную роль играют инструменты получения информации о ней.
Оптический микроскоп состоит из двух систем линз – окуляра и объектива. Объектив создает первое увеличенное изображение объекта, которое затем увеличивается еще и оку ляром. С помощью таких микроскопов можно получать увели чение до 1000 крат.
Открытие оптической микроскопии привело к бурному развитию многих наук. Были обнаружены микроорганизмы, более полно изучена работа и строение организма, создана кле точная теория, согласно которой все живое на Земле состоит и развивается из одних и тех же клеток.
Предельное разрешение микроскопа, согласно “прин
ципу Рэлея”, не может быть больше половины длины волны
* Перепечатано с www.nanotechweb.org
www.nanonewsnet.ru |
273 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
падающего на объект света. Поэтому с помощью оптического микроскопа невозможно изучать объекты меньше 150 нм. В связи с этим возникла идея заменить свет электронами (с дли ной волны в сотни раз меньше, чем у фотонов).
“Линзы” электронного микроскопа манипулируют пучком электронов подобно тому, как обычные линзы фокуси руют и рассеивают световой поток. Разрешающая способность электронных микроскопов единицы нанометров.
Недостаток электронных микроскопов необходимость работы в полном вакууме и разрушительное воздействие на би ообъекты., что делает их непригодными для исследования воб ласти биологии и биотехнологии.
Этих недостатков лишены СЗМы, обеспечивающие атомарное разрешение. Наиболее популярны среди них тун нельный, атомно силовой и оптический ближнеплольный микроскопы. Сегодня они являются основным аналитическим оборудованием нанотехнологов.
К другие необходимым измерительным приборам отно сятся нановесы, спектрометры, наноинденторы, зондовые ла боратории и т.п.
Чтобы создать любой нанообъект его сначала нужно де тально смоделировать. Программы для моделирования наност руктур можно разделить на три группы:
1)визуализационные (показывают наноструктуры, но ниче го не рассчитывают);
2)вычислительные (позволяют проектировать различные наноструктуры, используя методы математического моделиро вания и законы квантовой физики)
3)нженерные (позволяют разрабатывать наносистемы, описывать их на молекулярном уровне и определять основные электрические, оптические и физические свойства)
Возможности компьютерного моделирования наност руктур напрямую зависят от мощности компьютеров и эффек тивности вычислительных алгоритмов.
Камень преткновения современной нанотехнологии невозможность массового производства высокотехнологичных продуктов. В связи с этим возник проект нанофабрики, созда ющей различные предметы: от одежды до оргтехники. Среди
274
ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии
вариантов нанофабрики наиболее популярны проекты конвер гентной и параллельной наносборки.
Основой работы нанофабрики является множество фабрикаторов – управляемых устройств, способных комбини ровать атомы, создавая между ними химические связи. По су ти, фабрикатор – это наноманипулятор, связанный с компью тером и линией доставки сырья. В отличие от мобильного на норобота ассемблера, он неподвижен и привязан к подложке.
Помимо нанофабрики, сегодня разработано большое множество альтернативных способов массового производства наноструктур. К ним относятся, например, электроосаждение, мягкая и перьевая нанолитография, биоисинтез и пр.
www.nanonewsnet.ru |
275 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Глава 6. Биотехнологии и наномедицина
“В самом общем смысле, разница между поня тиями «машина» и “живой организм” заключа ется в «искусственном» и «естественном», соот ветственно, их происхождении. Нанотехноло гии показали возможность создания искус ственных аналогов живых систем, управления естественными процессами и создания на осно ве живых объектов искусственных устройств. Поэтому разница между этими двумя понятия ми уже не так очевидна”.
Лидия Соколовская
В вагонах метро можно увидеть зловещую рекламу Остан кинского мясокомбината, которая гласит, что сей комбинат от казался от применения генетически модифицированного сырья. На плакате почему то изображен спелый помидор, сквозь шкурку которого просвечивает… зародыш рыбы. Под этой жуткой картинкой огромными буквами кровавого цвета написано: «РЫБА?!» И ниже: «Возможная опасность: для по вышения морозоустойчивости некоторых сортов томатов уче ные добавили в них рыбий ген!». Видимо, реклама предлагает потребителю пораскинуть мозгами – мол, подумай, что тебе до роже: переплатить за килограмм колбасы или же съесть рыбий ген? Надо признать, художник постарался на славу – вся кар
тинка выглядит в высшей степени ужасающе. Кстати, тут же рядом с помидором висит фотография очаровательной де вушки, рекламирующей сигареты. Стоит ли говорить, что у за ядлой курильщицы в принципе не может быть столь белозубой улыбки и безупречного цвета лица, как у этой фотомодели?
У любого мало мальски образованного человека подобные «помидорные страсти» вызовут усмешку. Ведь даже из школь ного курса биологии известно, что ДНК любого организма, будь то рыба, человек или помидор, состоит из одних и тех же нуклеотидов, кодирующих одни и те же аминокислоты, из ко торых образуются одни и те же белки. В процессе пищеварения и белки, и ДНК одинаково перевариваются, независимо от то го, произведены ли растения традиционными методами, мето дами селекции или с помощью генетически модифицирован ной ДНК. А уж чтобы из единственного рыбьего гена внутри
276
ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина
помидора образовался целый зародыш (для развития которого из икринки потребовалась бы 30 000 генов) – это уж и вовсе что то из раздела фантастики, причем далеко не научной…
Тем не менее, на большинство наших сограждан подобный бред действует как красная тряпка на быка. Зная о генной ин женерии в лучшем случае из желтой прессы, переполненной страшилками про мутантов, они, увидев такую рекламу, не ску пятся на «лестные» эпитеты в адрес генных инженеров и всей современной науки. Бьюсь об заклад, что те, кто поддается по добным рекламным трюкам, и понятия не имеют, сколько мил лионов страшных рыбьих генов содержит в себе безобидный бутерброд с икрой.
Шутки шутками, но об уровне информированности обще ства о достижениях генетики убедительно говорят результаты общественного опроса: по различным данным, от трети до двух третей опрошенных считают, что генетически модифицирован* ные помидоры вредны, потому что содержат гены, а обычные хо* роши тем, что в них генов нет! Это позволяет шарлатанам мани пулировать чувствами и страхами людей с целью наживы. Ведь как ни крути, а определить точное содержание ГМО (генети чески модифицированных организмов) в тех же мясопродуктах невозможно: почти все комбикорма российские фермеры заку пают на Западе, а это, как правило, ГМ корма. А там они не подлежат маркировке, и достоверно определить, что ела на завтрак американская или российская корова, не cможет ника кая экспертная комиссия.
Казалось бы – какое нам дело до мясокомбината, отвоевав шего дополнительный процент перепуганных обывателей? Но ведь потом те же обманутые (и, вероятно, подстрекаемые про изводителями химических удобрений) граждане начинают про тестовать против внедрения ГМО, что не может не тормозить научный прогресс, тем более в нашей многострадальной стра не. Этот «праведный гнев» порой доходит до настоящего варва рства: летом 2000 года в Калифорнии студенты «зеленые» заб рались на опытное поле и сожгли новые сорта кукурузы, выве денные в результате долгих лет селекции (не имеющей никако го отношения к генной инженерии!), помножив на ноль много летний кропотливый труд ученых.
www.nanonewsnet.ru |
277 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Все это напоминает невежественные выходки вроде унич тожения ткацких станков луддитами или протесты против пер вой сельхозтехники, когда крестьяне шли с вилами на “желез ного дьявола” – трактора. Многие возразят, что сегодня речь идет о “святая святых” – молекуле ДНК, и что такие экспери менты – первейший грех против природы и самого Бога. Но помилуйте, не то же ли самое утверждали в Средние века прес ледователи первых ученых, пытавшихся проникнуть в тайны строения человеческого тела путем анатомирования трупов? На каком уровне находились бы современная медицина и биоло гия, если б не те первые «святотатцы» (во многих случаях, кста ти, люди глубоко верующие)?
Я отнюдь не являюсь адептом трансгенных продуктов и не собираюсь агитировать читателей в их пользу. Нельзя не приз нать, что компании, производящие ГМ продукцию, часто гото вы ради коммерческой выгоды выбросить на рынок недоста точно проверенный сорт – уж в таком обществе мы живем. Но все же мне очень претит необоснованное паникерство и насаж дение невежества, препятствующее развитию высоких техноло гий, особенно в России. Тем не менее, дыма без огня не бывает, и в этой главе я постараюсь изложить основы биотехнологий и попутно рассказать о достигнутых результатах, отразив их воз можные плюсы и минусы.
Основные понятия биотехнологии
Биотехнология – это совокупность методов для придания биологическим объектам заданных свойств с целью их использования в разных отраслях производства.
Развитие и становление современной, основанной на зна ниях о строении и функциях ДНК, биотехнологии приходится на вторую половину ХХ века. Биотехнология работает с биомо лекулами (ДНК, белки и т. д.), микроорганизмами (бактерия ми, микроскопическими грибами, дрожжами, спорами, виру сами и т. д.), клетками и тканями растений и животных. Все это можно рассматривать как наноструктуры, поэтому часто био технологию считают одним из разделов нанотехнологии.
Многие биотехнологические производства человечество освоило задолго до того, как были открыты не только основные
278
ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина
законы биологии, но и существование самих микроорганизмов. К ним относятся, например, производства хлеба, вина, пива, уксуса, кефира, сыра и т. п.
Где только ни применяются достижения современной на нобиотехнологии:
Впищевой, фармацевтической, химической, нефтяной про* мышленности микробы производят многие продукты, пищевые добавки и комбикорма, синтезируют и очищают сложные хи мические вещества, контролируют состав растворов.
Вэкологии микроскопические работники очищают сточные воды, разлагают отходы и мусор, поглощают вредные вещества.
Вэнергетике бактерии вырабатывают горючие газы и лик видируют последствия нефтяных загрязнений, а полученный с помощью дрожжей или микробных ферментов спирт добавля ют в бензин. Микробы занимаются фотосинтезом, восстанав ливают топливные ячейки, а недавно ученые сделали из бакте рии “живую” нанобатарейку.
Всельском хозяйстве используются трансгенные (генети чески измененные) растения и животные, биологические сред ства защиты растений, бактериальные удобрения, фитогормо ны, стимулирующие рост растений. Не за горами использова ние в животноводстве клонированных и даже генетически мо дифицированных животных.
Вэлектронике биологические объекты уже служат деталями микросхем и датчиков, а в будущем возможно создание пол ностью живых компьютеров. Изучение молекулярной природы нейронов сделало возможным соединение живых нервов с мик рочипами, а удивительное вещество бактериородопсин управ ляет лучами света.
Вмашиностроении биомолекулы и микроорганизмы уже се годня составляют основу примитивных наномашин, синтези рующих по заданной программе сложные полимеры и свои ко пии. Живые мышцы приводят в движение микророботов, а мо лекулы ДНК собирают наночастицы в трехмерные структуры.
Воснове биотехнологии лежат процессы, протекающие в клетке. Известно, что первыми живыми обитателями Земли были так называемые прокариотные клетки, которые и сфор мировали ту среду, в которой появились все другие организмы. Около двух с половиной миллиардов лет они были единствен
www.nanonewsnet.ru |
279 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
ными живыми существами на планете, и только 1 млрд. лет на зад, когда произошла «неопротерозойская революция», на Зем ле появились и стали распространяться эукариоты.
Наследственная информация всех известных науке существ записана в молекулах ДНК, входящих в состав хромосом. При нято делить организмы на две группы по наличию у них ядра, отделяющего хромосомы от цитоплазмы клетки.
Прокариоты (от лат. «pro» – до + греч. «karyon» – ядро) – это безъядерные организмы, к которым относятся бактерии и цианобактерии (сине зеленые водоросли). В отличие от них, эукариоты (от греч. «eu» – полностью + «karyon» – ядро) имеют четко оформленное ядро с оболочкой, отделяющей его от ци топлазмы. К ним относятся грибы, растения и животные.
Типичный прокариот включает следующие основные под системы:
геном (инструкция по сборке РНК и белков);
механизм репликации ДНК (производство ее новых копий);
рибосомы (синтез белка);
цитозоль (управление обменом веществ);
мембрана (взаимодействие с внешней средой и синтез АТФ16).
Рис 183. Основные подсистемы прокариотной клетки
16. Аденозинфосфорные кислоты – нуклеотиды, содержащие аденозин (аденин + углевод рибоза) и один, два или три остатка фосфорной кислоты (соответственно, аденозинмонофосфат – АМФ, аденозиндифосфат – АДФ и аденозинтрифосфат – АТФ). Они есть во всех организмах (от микроба и растения до человека) и играют важнейшую роль в обмене веществ и энергий, т. к. присоединение к ним фосфатных групп сопровождается аккумуляцией энергии, а отщепление – выделением энергии, используемой для различных процессов жизнедеятельности. АТФ – универсальный аккумулятор и переносчик энергии во всех живых организмах.
280
ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина
Мембрана содержит механизмы переноса веществ: субстра* тов – внутрь клетки, а продуктов ее жизнедеятельности – нару жу. Поступающие из внешней среды субстраты (химические со единения органического и неорганического происхождения) в результате электрохимических преобразований расходуются на синтез необходимых клетке соединений, в т. ч. АТФ – универ сального переносчика энергии. У фотосинтезирующих орга низмов мембраны обеспечивают накопление разницы электри ческих потенциалов, возникающих под действием света при участии молекул хлорофилла.
Одна из главных подсистем клетки – цитозоль – представ ляет собой внутреннюю полужидкую среду клетки. Это своеоб разный «котел» всех метаболических превращений. Механиз мы обмена веществ в клетке направлены на ее рост и развитие. Для этого необходимы энергия и строительные блоки (амино кислоты) для производства белков. И то, и другое получается в результате переработки поступающих извне веществ. Энергия образуется в результате расщепления сложных веществ – ката* болизма, а строительные блоки – в результате синтеза, анаболиз* ма. Катаболизм и анаболизм представляют собой две основные части метаболизма – обмена веществ.
Наследственная информация закодирована в парах нуклео тидов на двойной спирали ДНК. Ген – это участок ДНК, коди рующий свойства определенного белка или молекулы РНК и соответствующий какому либо признаку организма. А полный набор генов называется геномом.
Геном бактерий включает несколько тысяч генов, располо женных линейно на макромолекуле ДНК, называемой хромосо* мой. В отличие от эукариотных клеток, имеющих большое чис ло незамкнутых хромосом, клетки прокариот содержат всего одну кольцевую хромосому.
Прокариоты размножаются бесполым путем, посредством деления клеток после репликации ДНК. Репликация представ ляет собой процесс, когда ДНК дочерних клеток получаются из одной нити материнской и одной нити вновь синтезированной ДНК. Как это происходит?
Джеймс Уотсон и Френсис Крик, открывшие в 1953 году структуру ДНК, доказали, что ее молекула состоит из тысяч со единенных между собой маленьких молекул четырех видов –
www.nanonewsnet.ru |
281 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
нуклеотидов, или оснований: гуанина (G), цитозина (С), тимина (T) и аденина (A). Па ры нуклеотидов связаны между собой водо родными связями, причем таким образом, что аденин соединяется с тимином, а гуанин
– с цитозином.
Именно таким, комплементарным, обра зом соединяются между собой две нити спи рали ДНК: напротив тимина из одной нити всегда будет находиться аденин из другой и ничто иное.
Такое расположение позволило объяснить механизмы реп ликации ДНК: двойная спираль расплетается c образованием двух репликативных вилок, на каждой из которых начинается встречный синтез второй нити. В этом процессе принимает участие специальный белок – ДНК*полимераза, который, про ходя вдоль нити материнской ДНК, последовательно считыва ет нуклеотиды и строит на их основе вторую нить (по принци пу комплементарности).
Рис 185. Репликация ДНК
Таким образом, каждая из исходных нитей материнской ДНК получает по точной копии ее бывшей «партнерши». Нук леотидные нити достраиваются из так называемых предшест* венников, поступающих из цитозоля и образуемых из пентоз, оснований, АТФ, ферментов и др. молекулярных соединений.
282