3.1. Основные направления развития биотехнологии

В рамках небольшой главы нет никакой возможности представить весь спектр задач, проблем, достижений или хотя бы основных направлений разви­тия биотехнологии и даже одной, наиболее интригующей ее ветви - нанобио-технологии. Можно лишь попытаться дать систематизацию и беглое описание наиболее ярких и перспективных разработок в этой области, а также обозначить основные направления развития и сферы применения продуктов биотехнологии (табл. 3.1).

НАНОКОНТЕЙНЕРЫ, НАНОРЕАКТОРЫ, МИЦЕЛЛЫ

Ярким и наглядным примером влияния размера частицы на ее биохимиче­ские свойства является размерный эффект в каталитической активности энзимов (биологических катализаторов - специфических белков, играющих ключевую роль в метаболизме и жизнедеятельности всего живого).

Рис.3.7. Схематическое изображение обращенной мицелы с инкапсулированной молекулой энзима Е

По ряду причин молекулы энзима целесообразно инкапсулировать - по­местить в динамическую, самооргани­зующуюся оболочку, например из по­верхностно-активного вещества (ПАВ), введенного в органический растворитель. Подобные образования (рис. 3.7) называют обращенными ми­целлами, а их совокупность в органи­ческом растворителе - наноэмульсией. Размеры мицелл-наноконтейнеров лег­ко регулируются молярным соотно­шением воды и ПАВ в эмульсии w = = [Н₂0]/[ПАВ].

ПАВ - вода - органический растворитель образуют очень близкие к монодис­персным эмульсии со средним размером мицелл в несколько единиц наномет­ров, удобным для иммобилизации большинства интересных для практики энзи­мов. Впервые они были предложены в качестве реакционной среды для фермен­тативных реакций биохимиками МГУ им. М.В. Ломоносова еще в 1977 г. (Мар-тинек К., Левашов А.В., Клячко Н.Л., Березин И.В. Катализ водорастворимыми ферментами в органических растворах // Докл. АН СССР. 1977. Т. 236. С. 920-923). В качестве примера укажем на широко используемую в настоящее время систему вода - ПАВ (натриевая соль диизооктилового эфира сульфоянтарной кислоты - АОТ) - октан. Для радиуса внутренней полости мицеллы г, нм, в функции от w для этой системы установлено простое соотношение [8.5]:

Как сильно может влиять размер мицелл - носителей биохимических ката­лизаторов на их каталитическую активность, видно из рис. 3.8. [8.10]. Качест­венно схожие зависимости наблюдались и для других ферментов, иммобилизо­ванных в обращенных мицеллах.

Технику создания наноэмульсий из обращенных мицелл используют и для получения наночастиц металлов. Как уже описывалось в гл. 5, последним свой­ственна высокая реакционная способность, что затрудняет их получение и хра­нение. Наночастицы, синтезируемые путем биохимического восстановления ионов металлов в обращенных мицеллах, подобных изображенным на рис. 3.7, отличаются высокой стабильностью, что позволяет сохранять их до года.

Рис.3.8. Зависимость каталитической активности В-глюкозы от радиуса обращенных мицелл в АОТ-вода-октан-системе.

Так, метод, запатентованный Е.М. Егоровой, А.А. Ревиной и B.C. Конд­ратьевой [8.6], основан на восстановлении ионов металлов в обращенных ми­целлах растительными пигментами из группы флавоноидов. Он обладает рядом преимуществ перед традиционными: не требует высоких температур и больших затрат энергии, сложного оборудования; его технология проста и позволяет по­лучать наночастицы многих металлов (Ag, Си, Zn и др.) благодаря комплексо-образующей способности флавоноидов. В мицеллах теперь находится не энзим, как на рис. 3.7, а соли металла и водный раствор флавоноида. Преимуществен­ные размеры получаемых наночастиц металла лежат в диапазоне единиц нано­метров [8.7]. Иногда на распределениях появляются пики, соответствующие размерам в несколько десятков нанометров, что, по-видимому, говорит о час­тичной агрегации первоначальных кластеров.

Установлено, что как растворы наноэмульсии, так и модифицированные ими материалы обладают высокими биоцидными и каталитическими свойства­ми и могут использоваться как антимикробные, косметические, профилактиче­ские средства (в виде тканей и активированного угля, пропитанных эмульсиями из наночастиц серебра, мазей, кремов). Наночастицы меди, полученные в ми-целлярных растворах, оказались высокоэффективным катализатором в реакции изомеризации дихлорбутанов (промежуточных продуктов в производстве син­тетического каучука - хлоропрена).

Этим далеко не исчерпывается список возможных и уже осуществленных применений наночастиц металлов, полученных методами нанобиохимического синтеза.

Металлы в ультрадисперсном состоянии - предмет интенсивных исследо­ваний последних десятилетий, поскольку они демонстрируют при этом высокую химическую активность, полупроводниковый тип проводимости, повышенную твердость и др.

Внедрением наночастиц в полимерные пленки получают композиционные материалы для наноэлектроники. Целый ряд наночастиц проявляет биологиче­скую активность и может применяться в медицине и сельском хозяйстве.