Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362

(г) сроков изготовления.

93

Глава 5

Биология

Наномасштабный мир значительно отличается от того мира, ко

торый мы знаем и любим и в котором все предметы — от самолетов,

поездов и автомобилей до туфель, карандашей и вчерашней пиц

цы — определяется их крупномасштабными массивными свойствами.

Всем окружающим нас макроскопическим предметам с размерами от

миллиметров до километров присущи такие свойства, как трение,

пластичность, прилипание, упругость и т. п. Благодаря этим свой

ствам наши дома прочно стоят на своих фундаментах и не рушатся,

как карточные домики.

В наномасштабе, наоборот, поведение объектов очень сильно

зависит от их размеров. Например, как обычная пыль более под

вержена порывам ветра и менее сдерживается силой тяжести, так и

наночастицы менее чувствительны к гравитационному притяжению.

Состояние атомов и молекул в большей мере зависит от влияния

соседних объектов. Контактное взаимодействие атомов и молекул

гораздо сильнее их гравитационного притяжения. На движение и ре

акционную активность наночастицы оказывают также влияние внеш

ние силы, например электромагнитное поле, газовые и жидкостные

потоки, тепло и холод.

Как нам уже известно из главы 2, наночастицы имеют размеры,

сравнимые с размерами атомов, ширина которых примерно 0,1 нм.

Объект считается наномасштабным, когда хотя бы одно из его изме

рений находится в интервале от 1 до 100 нм. Хотя бы одно измерение

большинства биологических объектов попадает в этот диапазон. На ри

сунке 5.1 приведены относительные размеры некоторых органических

объектов, которые невозможно разглядеть невооруженным глазом.

Большинство одноклеточных организмов содержит еще более

мелкие компоненты: ядро, митохондрию, аппарат Гольджи и др. Эти

компоненты клетки выполняют разнообразные сложные функции,

например поставляют энергию или способствуют воспроизводству.

97

Поверхность раздела между разными состояниями веществ, на

пример жидким и твердым, играет важную роль для их растворимо

сти. Ученые научились с помощью биологических нанотехнологий

превращать нерастворимые в воде вещества в растворимые, которые

могут функционировать в различных жидких растворах, включая

растворы живого организма. Открытие новых способов таких пре

вращений (из сухого состояния в мокрое) является ключевым фак

тором успешного внедрения нанотехнологий в биологических и ме

дицинских целях.

Один из способов состоит в том, чтобы взять нечто из «царства

сухого», например золото, и присоединить его к «царству мокрого»,

например больной клетке, с помощью специальных антител. Таким

образом, для лечения болезней, например рака, можно использовать

нетоксичные частицы или гибридные субстанции. Нанотехнологии

обладают огромным потенциалом для влияния на отдельные клетки,

органы, микроорганизмы и даже экосистемы.

Кроме того, живые организмы можно использовать для создания

наноструктур. Природа переполнена разнообразными углеводород

ными системами, которые выполняют сложнейшие химические, фи

зические и биологические функции. Если ученые смогут научиться

использовать эти биологические системы для синтеза наноструктур,

то это полностью изменит наши представления о химии, биологии

и материаловедении.

Рукотворные наноматериалы являются «иностранцами» в биоло

98

гических системах. Потому для их применения в медицинских и эко

На рисунке 5.2 показана пептидная связь, которая соединяет ами

нокислоты, а также донорская водородная связь, то есть связь между

азотом (N) и водородом (H), и акцепторная водородная связь — двой

ная связь между углеродом (C) и кислородом (O). Эти связи опреде

ляют свойства и функции новых наноструктур и наноматериалов.

99

структура.

УОТСОН И КРИК

По образному выражению ученых, белки в ДНК (дезоксири

бонуклеиновая кислота) содержат план жизни. Они действитель

но хранят программу развития и функционирования живого орга

низма.

Все животные (от трубкозуба и броненосца до бегемота и че

ловека) содержат ДНК с записанными основами строения данного

животного, которые передаются из поколения в поколение.

В 1953 г. биологи Джеймс Уотсон (James Watson) и Фрэнсис

Крик (Francis Crick) в Кембриджском университете (Великобрита

ния) изучали структуру ДНК с помощью методов рентгеновской

кристаллографии. На основании полученных данных они созда

ли физическую модель ДНК. Позже существование предложенной

ими структуры двойной спирали было доказано, а их работа была

отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 г.

«За открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеино

вых кислот и их значение для передачи информации в живых си

стемах».

После открытия структуры ДНК ученые стали лучше понимать

механизмы наследственности и наследственных заболеваний. ДНК

содержит фрагменты, которые хранят информацию о белках тела

организма, а также о разных энзимах.

Каждая молекула ДНК состоит из двух длинных нитей, соеди

ненных водородными связями и закрученных в виде двойной спи

рали. Нити включают перемежающиеся группы, которые содержат

фосфат, сахар и одно из четырех азотистых оснований. Нити свя

заны друг с другом с помощью водородных связей между парами

азотистых оснований.

Итак, сахар с пятью атомами углерода (дезоксирибоза), фосфат

и азотистое основание образуют нуклеотид. Четыре азотистых осно

100

вания (базы) — гуанин (Г), цитозин (Ц), аденин (А) и тимин (Т) —

Обе цепочки ДНК удерживаются вместе с помощью пуриновых

или пирамидиновых оснований, которые образуют связанные пары.

Причем аденин (пуриновое основание) может быть связан только с

тимином (пирамидоновое основание), а гуанин (пуриновое основа

ние) — с цитозином (пирамидоновое основание).

Аденин ↔ Тимин

Гуанин ↔ Цитозин

Четыре нуклеотида (А, Т, Ц и Г) в разных сочетаниях двух це

почек ДНК содержат полный план строения и функционирования

101

КОД ДНК

ДНК человека содержит план, или код, строения всего орга

низма. Для выполнения закодированных инструкций информация

копируется и передается другим молекулам. Если одна нить ДНК

содержит последовательность азотистых оснований АГЦГЦААГ, то

во второй нити соответствующая ей последовательность будет иметь

вид ТЦГЦГТТЦ. Этот принцип соответствия азотистых оснований

сохраняется всегда, если только ДНК не получила какое то повреж

дение.

Повреждение ДНК может быть вызвано разными факторами,

например радиационным облучением. Именно по этой причине бе

ременным женщинам не рекомендуется проходить рентгенографию.

Дело в том, что рентгеновское облучение может повредить структуру

белков в молекулах ДНК зародыша.

Конечно, большое значение имеет место и величина ошибки при

копировании ДНК. Если участок ДНК с последовательностью азо

тистых оснований ГГЦААТЦ скопировался в последовательность

ГГГААТЦ, то потенциальный вред от такой ошибки будет зависеть

от того, что именно закодировано в данном участке ДНК. Одним

из перспективных направлений развития нанотехнологий является

возможность исправления таких ошибок в генетическом коде. Если

бы ученые научились удалять или заменять отдельные атомы, то

они могли бы лечить многие генетические заболевания, например

серповидно клеточную анемию. Ученым предстоит еще много и осно

вательно потрудиться, чтобы научиться складывать подобные био

логические пазлы.

Известно, что последовательности нуклеотидов в ДНК отвечают

за включение и выключение некоторых процессов, создание белков

и других биологических структур. Однако есть много последователь

ностей, роль которых до сих пор неясна. Новые нанотехнологии и

наноинструменты позволят заглянуть глубже (вплоть до атомарного

уровня) и лучше рассмотреть, что происходит на наноуровне и как

102

это можно использовать во благо человечества.