2.2.2.Основные объекты нанобиотехнологии

Опишем кратко систематику объектов биотехнологии. Как видно из рис. 2.3, биологические структуры занимают на шкале размеров громадный диапазон, перекрывающий примерно 12 порядков величины. Для его заполнения природе потребовались различные уровни организации вещества: организм в целом, ткани, отдельные клетки, внутриклеточные органеллы, макромолекулы, небольшие неорганические моле­кулы и наконец отдельные атомы.

Живые организмы по типу составляющих их клеток можно разделить на эукариоты и прокариоты. Эукариотические клетки имеют ядро, в то время как у прокариот отчетливо выраженное ядро отсутствует. В переводе с греческого кариос означает ядро, эу - предлог "с", а про - до, перед. У эукариот носитель наследственной информации - ДНК - окружена ядерной оболочкой (о геномах и генетике см. далее).

Многоклеточные организмы - хорошо организованная совокупность кле­ток. Основные группы организмов: растения, животные, грибы и некоторые ко­лониальные виды бактерий и сине-зеленых водорослей. В многоклеточных ко­лониях прокариот все клетки одинаковы, тогда как в эукариотических организ­мах клетки различаются по форме и функциям, т.е. дифференцированы.

Размеры самого организма могут варьироваться от 50 мкм (типичный пред­ставитель царства грибов) до десятков метров (крупные животные и деревья). Размеры составляющих их клеток на удивление близки друг к другу: обычно их поперечник составляет 10...50 мкм. Исключений очень немного: высокоспециа-. лизированные нервные клетки (например, гигантский аксон кальмара может иметь толщину ~ 1 мм). Другой хрестоматийный пример - одноклеточные ги­гантские водоросли, размер которых может достигать нескольких миллиметров.

Клетка может быть определена как минимальная структурная единица жизни, способная к самовоспроизведению. Она отграничена от окружающей среды липидно-белковой оболочкой, которая называется клеточной мембра­ной. Биологические мембраны имеют толщину порядка 10 нм и представляют собой очень привлекательный объект для различных нанотехнологий. С одной стороны, они защищают содержимое клетки от окружения, а с другой - обеспе­чивают управляемую двустороннюю селективную проницаемость для тех или иных веществ в процессе метаболизма.

Рис.2.3. Макро-,микро- и нанообъекты в молекулярной биологии

Перенос вещества через плазматическую мембрану имеет фундаментальное значение для всех живых клеток. Извне в клетку должны поступать питательные вещества и метаболиты, богатые энергией. Одновременно через мембрану должны выводиться ненужные клетке соединения.

Кроме того, живая клетка поддерживает определенную разность концен­траций ионов К⁺, Na⁺, СГ и т.д. по обе стороны от мембраны. В процессах мем­бранного переноса выделяют: простую диффузию (из области с высокой кон­центрацией в область с низкой); облегченную диффузию (с помощью белков-переносчиков) и активный транспорт (из области с низкой концентрацией в об­ласть с высокой). Все эти процессы представляют громадный интерес для нано-биотехнологии, поскольку позволяют: эффективно фильтровать и сепарировать вещества на атомно-молекулярном уровне; проводить селективно необходимые реакции в смеси; обнаруживать токсины и обезвреживать их; диагностировать и лечить многие болезни.

Любая клетка содержит множество структурных единиц меньшего размера, которые называются органеллами. Они выполняют различные специфические функции, например вырабатывают энергию или приводят клетку в движение. Органеллы погружены в жидкую цитоплазму, удерживаемую клеточной мем­браной. Размеры органелл лежат в диапазоне 20 нм ... 10 мкм.

Прокариоты - простейшие живые клетки. К ним относятся такие однокле­точные организмы, как бактерии и сине-зеленые водоросли. В прокариотической клетке хромосома напрямую контактирует с цитоплазмой, а в эуакариоти-ческой - помещается в ядре, отделенном от цитоплазмы мембраной.

Хромосома в прокариотической клетке всего одна. Она представляет собой непрерывный кольцевой тяж двухцепочечной ДНК. В вытянутом состоянии длина молекулы ДНК может достигать 1 мм, но в клетке она туго свернута в компактную спиральную структуру. Клеточная стенка расположена снаружи от плазматической мембраны и покрывает всю клетку. Она сообщает клетке жест­кость и придает ей определенную форму, а также защищает ее от повреждений при различных воздействиях. Движение прокариот осуществляется с помощью подвижных жгутиков, которые способны вращаться как по часовой стрелке, так и против нее. Вращением управляет сложное белковое образование, располо­женное у основания жгутика.

Устройство и способы управления этим молекулярным движителем весьма интересны для создателей нанороботов, поскольку они реализуют высокоэф­фективный механизм субмикронных размеров.