3.4.Нанобиотехнология и молекулярные устройства

3.4.1.Общие вопросы

Биотехнологии, наряду с металлургической, термической и механической обработкой исходного сырья, являются древнейшими в истории цивилизации [8.1-8.2]. По меньшей мере уже пять тысячелетий при сбраживании виноград­ного сусла в вино, заквашивании теста и выпечке хлеба, производстве сыров, пива, кисломолочных продуктов и т.д. используются эффективные биологиче­ские катализаторы - ферменты (специфические белки нанометровых размеров), делающие возможными и избирательно ускоряющие желательные процессы во много раз (иногда в 10^б...10⁹ раз!). Масштабы этого производства можно пред­ставить себе хотя бы на примере пива. Сейчас во всем мире его производится ~100 млн т на сумму порядка 100 млрд дол.

Некоторые бактерии способны селективно извлекать металлы, азот, другие неорганические вещества из окружающей среды; концентрировать их и кри­сталлизовать в кластеры, а затем перекристаллизовывать в макрочастицы. Био­сорбция и биоминерализация широко распространены в живой природе. Суще­ствует большой соблазн использовать процессы биоминерализации для эколо­гически чистой технологии извлечения полезных веществ из бедных руд, отхо­дов металлургического производства, морской воды и т.п.

Биохимическая азотофикация в производстве удобрений, ферментативное биохимическое разложение воды с целью получения кислорода и водорода так­же относятся к перспективным направлениям поисков и разработок нанобио-технологии.

Методами НТ, микро-, нанокапсулирования активных биологических ве­ществ, ферментов, металлокомплексов в мицеллярные структуры, пленки Ленг-мюра-Блоджетт, золь-гель-матрицы удается сконструировать высокоселектив­ные сенсоры, ферментные электроды, оптоэлектронные приборы, функциональ­ные и интеллектуальные материалы и покрытия, о которых речь шла в гл. 5-7.

Рис.3.6. Фундаментальные основы и области применения нанобиотехнологии

Вместе с тем в широкой инженерно-технической среде биотехнологические подходы пока мало известны. А между тем они не менее универсальны, а зачас­тую гораздо более эффективны, чем традиционные методы решения различных технических задач. Помимо этого они, как правило, экологичны, не требуют дефицитного сырья, высоких температур и давления для проведения процесса и обладают рядом других достоинств.

Использование принципов, по которым живая природа выстраивает чрез­вычайно эффективные наноструктуры, может оказаться исключительно полез­ным в создании высокоэффективных катализаторов, высококачественных поли­меров, мембранных структур с управляемой селективной проницаемостью, но­вых лекарственных средств и методов диагностики болезней, наномашин и на-нороботов, наноэлектроники и многого другого. По этим причинам темпы раз­вития биотехнологий, роста инвестиций в них, объемов сбыта в этой сфере рас­тут даже быстрее, чем в среднем для нанотехнологии.

Десятки международных журналов публикуют статьи, посвященные раз­личным аспектам нанобиотехнологии, а несколько лет назад начал издаваться специализированный журнал "Nanobiotechnology".

В качестве весьма поверхностного и общего определения предмета обсуж­дения можно предложить следующую формулировку: биотехнология - это со­вокупность фундаментальных и прикладных исследований, а также инже­нерных решений, направленных на использование биологических объек­тов, систем или процессов в промышленных масштабах. Краткая сводка на­правлений развития и сфер применения нанобиотехнологии (вместе с ее фунда­ментальными основаниями) дана на рис. 3.6.