книги / Нанотехнология

462 Глава 14. Матричные нанокластеры и наноструктуры

из блоков и не растворять другой. В этом случае блок-сополимеры обрати­ мо ассоциируют, образуя мицеллы с ядром, состоящим из нерастворимого блока, и короной из сольватированного растворенного блока (рис. 14.13), которые имеют наноразмеры.

Образование подобной мицеллы из блок-сополимеров подобно обра­ зованию мицеллы в коллоидных растворах ПАВ. Как и в случае коллои­ дов, возможно образование различных упорядоченных структур из мицелл блок-сополимеров (цилиндрические, сферические ламеллярные и т.д.)

Блок-сополимеры представляют еще одну возможность получения кластеров металлов в полимерах (кроме кластеров металла в порах по­ лимера или гибридных полимеров). Речь идет о том, что введение со­ единения металла способно наноструктурировать полимерную матрицу. Используются блок-сополимеры, состоящие из блоков, близких по гидрофильности, при этом один из блоков должен содержать функциональные группы, а второй может быть инертным. При растворении такого блоксополимера в воде образуется молекулярный раствор, однако добавле­ ние солей металлов вызывает мицеллообразование за счет координации с одним из блоков (рис. 14.14).

В качестве примера на рис. 14.14 приводится мицеллообразование и синтез нанокластеров переходных металлов в водной среде с помощью блок-сополимера полиэтиленоксид-полиэтиленимин (ПЭО—ПЭИ), по­ скольку блок ПЭИ легко взаимодействует с ионами переходных металлов с образованием координационных соединений [13].

Блоки ПЭИ агрегируют между собой, формируя ядро мицеллы, а бло­ ки ПЭО образуют корону, и таким образом образуется мицеллярная на­ ноструктура, подобно случаю амфифильных блок-сополимеров.

14.3. Белки, полинуклеатиды и биологические объекты

Биополимеры и другие более сложные биологические объекты, на­ пример клетки, образуют большое количество разнообразных наносистем, как с металлсодержащими нанокластерами, так и без них. Белки пред­ ставляют собой биополимеры, состоящие из полипептидных цепей, по­ строенных из 20 типов аминокислотных остатков. Выделяются 4 уровня структурной организации. Первичная структура соответствует последо­ вательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи, которая определяет конфигурацию цепи. Вторичная структура определяется про­ странственной укладкой атомов, что приводит, например, к сворачиванию полипептидной цепи в виде а-спирали или р -складок и соответствует конформации в полимерных цепях. Третичная структура соответству­ ет пространственной укладке вторичной структуры в пространственную структуру типа глобулы с размерами от нескольких единиц до десятков нанометров в случае глобулярных белков или вытянутых фрагментов для фибриллярных белков. Четвертичная структура включает образования, состоящие из белковых глобул или отдельных белковых доменов. Белки

Рис. 14.15. Структура миоглобина. Стрелка указывает расположение гема

включают активные центры, обеспечивающие ту или иную функцию бел­ ка, например ферментативную или транспортную. Эти активные центры состоят из определенных аминокислотных остатков или простатических групп с участием атомов металла [15].

Так, в гемовые белки входит активный центр — гем, образованный порфириновым кольцом, включающим атом железа. Один из простейших гемовых белков — миоглобин — с молекулярной массой М = 17 000 имеет 8 а-спиральных участков, образующих компактную глобулу с размером около 1,5 нм, которая включает гем (рис. 14.15). Участки обозначаются от А до Н (считая от конца цепи), внутри каждого а-спирального участка остатки нумеруются от 1 до п.

Более распространенный белок —- гемоглобин —- с молекулярной массой М = 64 000 состоит из 4-х подобных субъединиц, которые образу­ ют четвертичную структуру, и имеет размер около 3 нм. Гемоглобин играет

Рис. 14.16. Структура ядра ферритина: а) структура ядра; б) укладка полос из атомов FeOOH во внутреннюю полость белка

большую роль как переносчик кислорода в организме млекопитающих, причем атом железа в геме связывает и освобождает молекулу кислорода, что сопровождается как изменением электронного состояния атома кисло­ рода, так и изменением конформации самого гемоглобина. Для полностью окисленного НЬОг характерна компактная форма R (отрелаксированная), а для дезоксигемоглобина НЬ —*более открытая форма Т (напряженная).

Еще один белок выполняет функцию накопления железа в организ­ ме, это ферритин. В различных модификациях он представляет из себя глобулярный белок с молекулярной массой около 450 000, образованный 24 субъединицами с М = 18 500, представляющий собой обратную ми­ целлу в форме сферы, в центре которой находится железосодержащее ядро — нанокластер, —- включающее до 4 500 атомов железа в виде структуры (FeOOH)g • (FeOOPC^H). Диаметр ядра ферритина составляет 6 нм, внешний и внутренний диаметр белковой сферы — 12,5 и 7 нм соответственно. Железосодержащее ядро нанокластер состоит из слоев атомов железа и кислорода (рис. 14.16), уложенных в виде ленты, которая по краям окружена фосфатными группировками POJ2.

Белковую оболочку пронизывают 6 каналов диаметром 1 нм, которые служат для приема и отдачи атомов железа.

Следующий важный класс биополимеров — это полинуклеатиды (нуклеиновые кислоты), молекулярная масса которых может достигать 106-г107.В зависимости от природы нуклеатида различаютдезоксирибону-

Рис. 14.18. Схемы нанокластеров золота, стабилизированных (3' или 5') — алкантиол (24или 28-) олигонуклеатидами, присоединенными к нанкластеру по типу «голова к хвосту» (а) или «голова к голове» (5) и их агрегация в присутствии комплементарных олигомерных нуклеотидов (в) [16]

золота, что имеет большое медицинское значение для распознавания разного рода патогенных и генетических болезней. Метод основан на ис­ пользовании в качестве метки нанокластеров золота с размером 13 нм, стабилизированных алкантиол (24или 28-) олигонуклеатидами, присо­ единенными к нанокластеру по типу «голова к хвосту» (рис. 14.18 я) или «голова к голове» (рис. 14.186) [16].

На дефектном участке ДНК-мишени, т. е. гена, вызывающего заболе­ вание, происходит связывание комплементарной метки, результатом ко­ торого является агрегация нанокластеров (рис. 14.18 в), что приводит к из­ менению цвета коллоидной наносистемы от красного цвета до синего. Из­ менение цвета вызвано образованием крупных ДНК-связанных агрегатов из коллоидных нанокластеров. Наносистемы, в которых расстояние меж­ ду кластерами золота больше их размера, окрашены в красный цвет, тогда как в агрегатах эти расстояния уменьшаются и цвет становится синим.

Металло-белковые наносистемы применяются в медицине для регу­ лирования ферментативной активности и создания новых лекарств селек­ тивного действия [17]: коллоидные соединения кальция и магния с расти­ тельными белками применяются для регулирования кислотности желудоч­ ного сока, наносистему Рез0 4 с белком сывороточным альбумином вводят внутривенно для контрастного вещества при рентгенологических исследо­ ваниях, коллоидное золото и его биопрепараты представляют собой древ­ нейшее медицинское средство, например, противоартритного действия.

Взаимодействие биополимеров и клеток с нанокластерами золей металлов носит специфический характер и может отличаться для раз­ ных металлов. Бактериальному концентрированию металлов предшеству­ ет их адсорбция на поверхности клетки с последующей их ассимиляцией. При этом может происходить укрупнение кластеров золя без адсорбции на поверхности клетки (флокуляция) или адсорбция с последующим оса­ ждением металл-бактериальных агрегатов (гетерокоагуляция). Подобно наносистемам на основе полимеров, наиболее устойчив золь с размерами около 10 нм. Важнейшим свойством коллоидно-бактериальной наноси­ стемы по сравнению с полимерами является наличие специфических взаимодействий. Так, живые клетки, например Bacillus subtilis, способны к адсорбции коллоидных кластеров и образованию агрегатов, в то время как для неактивных клеток адсорбция почти не происходит [18].

Однако и для поверхности активных клеток их реакционная спо­ собность по отношению к кластера металлов может меняться в широких пределах из-за особенностей химического строения.

Нанокластеры металлов играют большую роль и в процессах биомине­ рализации [19], которая может составить ветвь науки — биоорганической твердофазной химии.

В ходе биоминерализации и биоконцентрирования органическая мат­ рица (темплат) осуществляет контроль за процессами нуклеации, роста и формирования неорганических материалов с заданной морфологией, на основании этого создается сложная иерархическая структура нано­ композитов. Эти структуры могут имитироваться в искусственных усло­ виях [19].

Биоминерализация включает рассмотрение двух проблем: получение организованных неорганических материалов (см., например, рис. 14.16) и воспроизведение этих процессов в биомиметических системах (минера­ лизация in situ).

Один из наиболее характерных примеров биоминерализации это формирование наноматериалов на основе ферритина (рис. 14.16). В про­ цессе переноса железа и вхождения его во внутреннюю полость белковой оболочки формируется нанокластер оксида железа. Однако можно изме­ нить химическую структуру нанокластера, если начать его формирование с безметального апоферритина.

Например, с помощью превращений Мп2+ —> Мп3+, можно полу­ чить биополимер — иммобилизованные нанокластеры оксида марганца с размерами около 8 нм. Подобный путь эффективен для получения наноразмерных биоматериалов на основе Ag20 и, особенно, — фосфа­ тов кальция ( С а ю ( Р 0 4)б (О Н )2 , С а 8 Н 2 ( Р 0 4)б и др.), входящих в состав костных тканей. Подобные превращения характерны для формирования внутри ферритина наномагнетита Рез04. Такой путь ведет к созданию ферромагнитных белков —- которые составляют основу для получения наноматериалов, которые используются в клинических целях для со­ здания магнитного изображения. Как пример образования однородных

(ж2)ре. РРМИ позволяет определить усредненную по всем уровням вели­ чину — (Z 2)R для всей глобулы белка. РДА дает величины (ж2) практиче­ ски для любого аминокислотного остатка в белке. Полезно сопоставить энергетические и временные возможности этих методов. МС и РРМИ дают энергетическое разрешение 10“ 8 -г 10“ 9 эВ, в то время как РДА обладает разрешением 1 эВ. Это приводит к отличиям в определении среднеквадратичных смещений для разных методов. Характеристическое время рассеяния рентгеновских лучей на электронах атома составляет 10-15 с, так что данные РДА позволяют фиксировать мгновенную картину движений (максимальная частота фононов порядка 1013 с” 1). Результаты МС 57 Fe и РРМИ с характеристическим временем 10“ 7 с позволяют по­ лучать динамическое усреднение движений атомов и фрагментов. Таким образом, МС позволяет характеризовать низкочастотные движения вплоть до 107 с” 1, что весьма важно для исследования движений нанофрагментов белка на разных уровнях организации.

Результаты исследований молекулярных кристаллов Mb и MetMb (MetMb включает гем, у которого в роли шестого лиганда выступает молекула воды) представлены на рис. 14.20 и 14.21 [21,22].

Рис. 14.20. Температурная зависимость 1п/а и (ж2) Fe в MetMb (1) и Mb (2)

Характерная особенность температурного поведения 1п/в и (ж2)Ре в этом белке и других биополимерах (рис. 14.20) состоит в том, что выше 200 К наблюдается резкое увеличение этих величин, что соответствует воз­ никновению дополнительной атомно-молекулярной подвижности. Если лиофилизовать (высушить) эти образцы, то это приведет к линейной зави­ симости этих величин вплоть до комнатной температуры, подобно зависи­ мостям для массивных твердых тел или нанокластеров с размерами более 100 нм. Такой характер температурной зависимости подвижности гидрати­ рованных нативных белков трудно объяснить какой-либо твердотельной моделью, например дебаевской моделью или моделью ангармонических колебаний со сколько-нибудь реальной формой потенциала. Это требует