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

Успех наблюдения за биологическими структурами и процесса

ми в основном зависит от умелого приготовления исследуемых об

разцов. Чем лучше лабораторное оборудование и чище образец, тем

больше вероятность точного определения его структуры, химическо

го состава и свойств. Часто студентам не удается добиться хороших

результатов даже с помощью того же оборудования и тех же ме

тодов, которыми пользуются их более опытные наставники. Опыт

и тщательность в мелочах играют большую роль! Иногда простое

изменение процедуры, например перенос только что полученного об

разца в холодильник в другой конец лаборатории вместо мгновенно

го помещения его в контейнер со льдом, может значительно снизить

качество полученных результатов.

Маститым ученым необходим весь их опыт, чтобы получить

наилучшие результаты. При этом они стремятся использовать

именно те специфические свойства исследуемого объекта, которые

позволят получить наибольший объем информации о нем. Напри

мер, если образец способен флуоресцировать, то для наблюдения

за ним следует анализировать флуоресценцию, а если образец яв

ляется хорошим проводником, измерять его электрические свой

ства.

РЕНТГЕНОВСКАЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЯ

Рентгеновская кристаллография позволяет получить наиболее

подробную информацию об атомной структуре исследуемого объек

та. С помощью методов рентгеновской кристаллографии можно до

бывать сведения о конфигурации электронов и трехмерном распре

делении их плотности.

Для этого сначала пытаются вырастить чистый кристалл на основе

исследуемой молекулы. Затем его помещают в рентгеновскую уста

новку и освещают пучком рентгеновского излучения. Пучок диф

рагирует (отклоняется) на структуре молекулы, а дифракционная

картина фиксируется детектором и анализируется компьютером. На

основе полученной информации воссоздается карта распределения

электронной плотности. Например, таким образом можно опреде

лить типы связей и расположение азотистых оснований в молекуле

ДНК, как показано на рис. 5.4.

Действительно, расположение атомов можно определять с точ

ностью до доли ангстрема (около 10–8 см). В зависимости от спосо

103

Результаты, полученные с помощью методов электронной микро

скопии и рентгеновской кристаллографии, используют для компью

терного моделирования и анализа атомарной структуры крупных

сложных молекул.

НАБЛЮДЕНИЕ ЗА ОДНОСЛОЙНЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ

Группа исследователей под руководством профессора Брюса

Вайсмана (Bruce Weisman) и Ребекки Дрезек (Rebekkah Drezek) из

104

Центра исследования нанотехнологий в биологии и охраны окру

В своей работе они используют однослойные углеродные нано

трубки, которые упрощают процесс наблюдения за некоторыми био

логическими процессами. Работа осложняется большими технически

ми трудностями, связанными с тем, что получаемые нанотрубки име

ют разные размеры, форму и ориентацию. Ученым нужно проверить

и отфильтровать только нанотрубки, которые годятся для их целей.

Они впервые стали использовать спектральный анализ нанотрубок

в биологических целях. Для этого были собраны данные о 33 разных

типах полупроводящих нанотрубок. Располагая такими сведениями,

ученые смогли использовать их для эффективного создания и вы

борки именно тех нанотрубок, которые больше всего подходят для

их целей.

Спектроскопия (спектральный анализ) — это наука, которая изучает взаимодей-

ствие излучения с разной длиной волны и вещества. Объектом исследования при

этом является спектр излучения, то есть распределение интенсивности излучения

в зависимости от длины волны.

Одна из наиболее важных целей новых наномасштабных иссле

дований в биологии — поиск «иголки в стоге сена». Точнее говоря,

ученых часто интересует, в каком именно месте происходят измене

ния, например повреждение белка, и каковы следствия такого по

вреждения в разных клетках и биологических системах. На рисун

ке 5.5 показана типичная схема определения повреждения на разных

стадиях этого процесса.

Упомянутые выше исследователи из CBEN придумали способ

наблюдения за макрофагами мышей (клетками, которые способны

захватывать и переваривать другие клетки) с помощью нанотрубок.

Они заметили, что в режиме in vitro нанотрубки никак не влияют на

функции макрофагов мыши, но они хорошо видны благодаря флуо

ресценции. Таким образом, флуоресценция однослойных углерод

ных нанотрубок позволяет использовать эти нанотрубки в качестве

маркеров и агентов для наблюдения за поведением биологических

объектов.

Режим in vivo означает внутри живого организма, а режим in vitro — вне живого

организма, например в пробирке.

105

Биологические наносенсоры используются в различных областях,

для разных приложений, включая здравоохранение, мониторинг и

защиту окружающей среды, фармацевтику, гастрономию, космети

ку, химию, защиту от биологического терроризма и управление био

логическими процессами.

Они предназначены для обнаружения специализированных био

логических сигналов, которые обычно порождаются цифровым элек

трическим сигналом, связанным с особым биологическим или хими

ческим объектом. Использование новых научных методов, например

микро и нанопроизводства, а также успехи электроники позволили

ученым создать улучшенные биомедицинские сенсоры. Применение

этих сенсоров способствовало развитию новых технологий в меди

цинской и фармацевтической промышленности, а также новых мето

дов защиты окружающей среды. Например, сейчас разрабатываются

наномасштабные сенсоры глюкозы, которые способны зафиксиро

вать наличие сахарного диабета.

Биологические наносенсоры дают ученым возможность избира

тельно идентифицировать очень низкие концентрации токсичных

соединений в промышленной продукции, химических материалах,

воздухе, воде, почве, биологических системах (например, в бактери

ях, клетках и вирусах) и т. д. Комбинируя специфические биологи

ческие маркеры (например красители) с методами оптического детек

тирования и высокопроизводительными компьютерными системами,

ученые научились создавать биологические наносенсоры для поиска

и дифференциации сложных соединений.

Большинство биологических наносенсоров работает по принципу

измерения взаимодействия изучаемого образца с неким реагентом с

образованием нового продукта реакции. Эта реакция улавливается

сенсором, который преобразует ее в электрический сигнал. Данный

сигнал отображается или записывается с помощью компьютера. Ре

акции в биологических процессах могут регистрироваться преоб

разователем несколькими разными способами, перечисленными в

табл. 5.1. Конкретный тип сенсора определяется специфическими

биологическими процессами.

Ниже перечислены наиболее важные параметры биологических

наносенсоров:

способность изолировать специфический биологический фак

тор с небольшой степенью вмешательства других факторов;

107

Метод преобразования

Тип биологического сенсора

Излучение или поглощение тепла

Калориметрический

Изменения распределения заряда

Потенциометрический

Движение электронов в реакциях окисления

Амперометрический

или восстановления

Излучение или поглощение света

Оптический

Деформация или напряжение

Пьезоэлектрический

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ, ВЯЗКОСТЬ И ЗАРЯД

На наноскопическом и молекулярном уровне базовые свойства

жидких субстанций очень сильно отличаются от базовых свойств

твердых тел. Эта особенность имеет большое значение для биоло

гических наноматериалов. Дело в том, что взаимодействие атомов и

молекул в значительной мере определяется их ближайшим окруже

нием. Для успешной работы некоторых биологических наносенсоров

108

необходимо учитывать их локальное окружение.

Если поразмыслить, то можно понять, что люди порой ведут себя

так же. Представьте себе нескольких людей, которые морозной зимой

вышли из теплого дома. Все они сразу же поглубже натянут свои го

ловные уборы, спрячут руки в карманы или наденут перчатки, чтобы

уменьшить затраты общей энергии (на обогрев) за счет минимизации

площади свободной поверхности (открытой всем ветрам кожи).

Исследователи, которые работают с жидкостями на молекуляр

ном уровне, учитывают поверхностное натяжение. Микроструйная

и наноструйная техника основана на изучении потоков сверхмалых

количеств жидкости. Для успешной работы биологических наносен

соров и других медицинских наносистем ученым и инженерам необ

ходимо находить способы доставки мельчайших образцов жидкости,

например капелек крови, к детекторам. На наномасштабном уровне

перемещать жидкости очень сложно именно из за влияния поверх

ностного натяжения.

109

Электрическая кинетика, или электрокинетика, — это управляемый перенос элек-

трического заряда по сверхмалому каналу для перемещения молекул в заданном

направлении.

Электрокинетика используется в лаборатории несколькими спосо

бами. В одном из них вдоль канала посылается электрический заряд,

который увлекает за собой отдельные молекулы. Этот метод назы

вается электрофорезом. Объекты маркеры (например белки) иссле

110

дуемого образца помещаются на одном конце субстанции геля, через

ГЛАВА 5 Биология

которую пропускается электрический ток. В зависимости от размера

и других характеристик молекул они начинают перемещаться с раз

ной скоростью к противоположному концу. Затем ученые сравнивают

положение отдельных маркеров и делают выводы о составе образца.

В электрическом осмосе (или электроосмосе), как и в электро

форезе, используется электрический ток, который пропускается че

рез жидкость в канале. Молекулы реагируют друг с другом и об

разуют стенки электрических зарядов, которые перемещаются вдоль

канала с разной скоростью.

Биологи уже давно используют электрофорез и электроосмос для

анализа крупных (миллиметровых) биологических образцов. Теперь

они имеют возможность использовать более совершенные и тонкие

технологии на молекулярном уровне.

ЖИДКОСТНАЯ ЭЛЕКТРОСИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ

Доктор Джейсон Хафнер (Jason Hafner) из CBEN открыл способ

измерения зарядов в наномасштабе, который можно использовать в

биологических наносенсорах. С помощью так называемой жидкост

ной электросиловой микроскопии, или ЖЭСМ (fluid electrical force

microscopy — FEFM), он научился измерять крошечные заряды на

одной молекуле. ЖЭСМ была использована для разных биологиче

ских систем, включая липиды (жиры) биологических мембран. Со

трудники лаборатории Хафнера использовали ЖЭСМ для наблю

дения за скоплениями жиров в мембранах, находящихся в жидкой

и гелевой фазе.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ И МАРКЕРЫ

Еще одно достижение ученых в области создания биологических

наносенсоров относится к стоматологии. Как известно, слюна очища

ет полость рта и предохраняет зубы от разрушения. Согласно мнению

ученых из Школы стоматологии при Университете штата Калифор

ния (США), слюна также действует как индикатор общего здоровья

человека. Дело в том, что слюна содержит много белков, гормонов,

антител и других молекулярных субстанций. По мнению профессора

Дэвида Вонга (David Wong), большим достоинством диагностическо

го тестирования слюны является то, что этот метод неинвазивный, то

есть не требует хирургического вмешательства. Пробу слюны можно

взять довольно легко без какого либо риска, стресса или потенциаль

ной возможности заражения, в отличие от тестов, связанных с кро

вью. Кроме того, здесь не нужно никого протыкать иголками.

111

Нанотехнологии позволяют получить ответы на вопросы, которы

ми задавались ученые в течение многих столетий.

Биологические нанотехнологии дают возможность исследовать

112

внутренний мир органов и отдельных клеток, предупреждать смер