Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Инновационные технологии. Введение в нанотехнологии. Учебное пособие
.pdf
Рис. 41. Четыре уровня структуры белка
размеры. Кислотно-фосфатные и сахарозные группы соседних
нуклеотидов образуют основу нити ДНК, имеющей вид макроскопически длинной двойной спирали (рис. 42 [1]).
Рис. 42. Модель двойной спирали ДНК
Комплементарные пары оснований цитозин-гуанин и тиминаденин располагаются между двумя нитями основы и связываются водородными связями. Слабость этих водородных связей позволяет двойной спирали легко разделяться на две нити с
целью транскрипции (образование РНК) или репликации (дублирование себя). Пары нуклеотидов выстраиваются в длину
между основными цепями ДНК.
Длина цепи на много порядков больше, чем диаметр ядра
человеческой клетки (6 мкм). Чтобы поместиться внутри ядра,
молекула ДНК вынуждена складываться несколькими способами одновременно (рис. 43 [1]).
Рис. 43. Последовательные скручивания и сворачивания при
упаковке ДНК в хромосомах млекопитающих. Для каждого
иерархического уровня структуры показаны размеры в нанометрах
На всех уровнях упаковки отдельные элементы удерживаются,
по большей части, слабыми водородными связями, что позволяет всей структуре подвергаться репликации или транскрипции. Метафазная хромосома достаточно мала, чтобы уместиться внутри клетки.
Некоторые примеры наноразмерных устройств на основе
молекул ДНК, созданных в последнее время и уже нашедших
применение, приведены в главе 10.
ДНК содержит в себе информацию по управлению синтезом белка путем присвоения кодовых слов, называемых кодо-
нами, отдельным аминокислотам.
ДНК является носителем наследственной информации в
человеческом организме. Эта двойная спиральная молекула
имеет сопутствующую однонитевую молекулу, рибонуклеиновую кислоту (РНК), которая вовлечена в синтез белка по программе, переписанной из ДНК. Обе молекулы – ДНК и РНК –
могут быть классифицированы как нанопроволоки.
Однонитевая молекула РНК-посредника (mРНК) содержит кодоны для синтеза конкретного белка. mРНК переносит
сообщение о последовательности аминокислот из ядра клетки,
где происходит транскрипция с ДНК, к наночастицам, называемым рибосомами и находящимися в цитоплазме вне ядра,
где и синтезируются белки. Множество дополнительных белковых НЧ, называемых ферментами, выступают катализаторами процессов белкового синтеза.
.1.3. Биологические наноструктуры
9
Белки. Гемоглобин состоит из четырех полипептидов,
каждый из которых содержит около 300 аминокислот и геммолекулу C34H32O4N4Fe. Атом железа – это место присоединения молекулы кислорода к гемоглобину, переносящему кислород. Эритроцит (красное кровяное тельце) содержит примерно
250 миллионов молекул гемоглобина, т.е. переносит около 1
миллиарда молекул кислорода.
Коллаген составляет 21-50 процентов всех белков в организме млекопитающих. Это главный компонент соединительной ткани, обнаружен в хрящах, костях, сухожилиях, связках,
коже, роговице глаза. Волокна коллагена образуются тройными спиралями белков. Коллаген отличается высоким содержанием пролина и гидроксипролина, а также глицина и аланина.
Были получены искусственные гены весом 40-70 кг/моль, напоминающие природный коллаген.
Эластин подобен коллагену, он обеспечивает упругость
кожи, легких, сухожилий, артерий млекопитающих. Составляющие его олигопептиды объединяются в пружиноподобную
структуру, которая может растягиваться более чем в три раза и
возвращаться в исходное состояние без деформации.
Гусеница шелкопряда Bombyx mori производит натуральный шелк, образуемый из β-листов белка фиброина. Волокна
листов плотно упакованы и хорошо ориентированы, что придает шелку большую прочность на разрыв. На основе гексапептидной последовательности были получены искусственные
шелковые волокна.
Для оценки осуществимости создания новых полезных
белков и определения степени контроля на молекулярном
уровне Деминг (1999 г.) разработал новые методы синтеза хорошо изученных полипептидов. В искусственные белки были
введены неприродные аминокислоты, т.е. не входящие в набор
из 20 аминокислот, имеющих кодоны ДНК. Эти искусственные
белки образуют складчато-цепные, слоистые или чешуйчатые
кристаллы с контролируемой структурой поверхности и толщиной.
Мицеллы и везикулы. К поверхностно-активное веще-
ствам (ПАВ) относят амфифильные химические соединения,
содержащие гидрофильную и гидрофобную группы. ПАВ легко адсорбируются на границе раздела масло-вода или воздух-
вода и уменьшают на ней поверхностное натяжение.
Эмульсия –
ронных размеров одной несмешивающейся жидкости, диспергированной в другой. Эмульсия является термодинамически
неравновесной системой. В присутствии ПАВ частицы с размерами до 100 нм могут самопроизвольно образовывать термодинамически равновесную прозрачную микроэмульсию.
Молекулы ПАВ в растворителях могут упорядочиваться различными путями, зависящими от концентрации. Синтетические ПАВ с объемистыми гидрофобными группами образуют
это мутная коллоидная система капель мик-
протяженные двойные слои, которые могут замыкаться на себя
с образованием везикул. Время жизни везикул обычно измеряется неделями или месяцами, так что они гораздо стабильнее
мицелл. Если везикулы образуются природными или синтетическими фосфолипидами, они называются однослойными липосомами. Фосфолипид – это жироподобное вещество, структурный компонент мембраны.
Мицеллы и бислойные липосомы имеют множество применений в химии и биологии. Мицеллы способствуют диспергированию нерастворимых органических соединений в мыльных растворах и облегчают их удаление. Аналогичную роль
играют мицеллы в пищеварении, делая жирные кислоты, фосфолипиды, холестерин и некоторые витамины (А, Д, Е, К) водорастворимыми. Липосомы могут заключать в себе ферменты
для катализа пищеварительных процессов. Многие биологические мембраны состоят из белков и липидов.
Многослойные пленки. Биомиметика заключается в
изучении искусственных структур, которые имитируют найденные в биологических системах. Она предполагает крупномасштабную или супрамолекулярную самосборку для построения иерархических структур, подобных природным. Этот
подход был применен для создания пленок способом, подражающим последовательному адсорбированию материалов в
природе (биоминерализация поверхностей).
Многослойные тонкие пленки часто встречаются в биологических объектах. Например, структурирование цвета у насекомых (цвет чешуек крыльев бабочек обусловлен оптической интерференцией); биоминерализация клеток моллюсков и
т. д.
Биозагрязнение, или биообрастание является одной из
главных проблем в создании медицинских имплантов (например, кардиостимуляторов). Для решения этой проблемы сконструированы самоочищающиеся покрытия на основе нанотрубок.
9.2. Нанофабрики
Исследования в области нанотехнологий уже позволили
разработать множество технологий, имеющих потенциальное
медицинское применение. В их основе лежат необычные свойства таких наноразмерных структур, как квантовые точки,
фуллерены, углеродные нанотрубки, золотые нанооболочки,
липосомы, самособранные монослои, наноэлектромеханические системы и нанокомпозиты. Технологии, использующие
квантовые точки, углеродные нанотрубки и наночастицы на
основе золота, могут иметь определенные ограничения из-за
токсичности. Самособранные монослои могут быть использованы для управления биологическими откликами. Разработаны
наноструктурированные композитные биоимпланты на основе
пептидов и гидроксиапатита.
Нанотехнология оказывает огромное влияние на медицину и лечение заболеваний, особенно в области создания лекарств и их направленной доставки в организм человека. Возможно, развитие пойдет и дальше – дизайн псевдоклеточных
нанофабрик позволит им взаимодействовать с молекулами,
уже находящимися в организме, для того, чтобы побороть заболевание.
Традиционная медицина для лечения различных заболеваний, включая раковые и сердечные, использует лекарства,
производимые на фармацевтических фабриках. Механизмы их
доставки в организм пациента – это инъекции, высвобождение
из имплантов, оральный прием. В настоящее время ведутся
многочисленные исследования целенаправленного введения
лекарств в строго обозначенное место организма и контролируемого их высвобождения, что позволит препарату достичь
заданного участка, уменьшить нежелательные побочные эффекты, и может быть особо важным для лечения болезней высокой локализации, например, отдельных видов рака (простаты, груди, легких). Однако существует более радикальный
подход, основанный на возможности человеческого организма
к самолечению посредством активной адаптации молекулярно-
го воспроизводства в ответ на меняющуюся внутреннюю биохимию. Этот новый подход предполагает, что молекулярная
машина может быть введена в организм для превращения уже
существующих материалов в терапевтические соединения или
для превращения молекул, которые организм пациента по различным медицинским условиям не может адаптировать, в другие полезные соединения.
Доставка лекарств – область, в которой нанотехнология
уже достигла значительных успехов. В идеальном случае, лекарственный препарат должен обладать следующими свойствами: быть инкапсулированным в агента доставки; вводиться в
организм с минимальным дискомфортом; транспортироваться
в целевой орган, не нанося вреда окружающим тканям; наконец, высвобождаться по месту назначения в соответствии с заданным соотношением концентрация-время.
В работе [19] предлагается концептуальная интегрированная архитектура псевдоклеточной нанофабрики, которая,
как надеются авторы, выдвинет на первый план проблемы,
требующие совместного решения исследователями, работающими в разных областях – биологии, химии, физики и инженерии.
Авторы предлагают использовать доступные в природе
молекулы i
агенты, создавать псевдоклеточные фабрики. Эти крошечные
фабрики будут оказывать направленное воздействие на строго
определенный участок тела, вырабатывая агент в течение продолжительного времени для взаимодействия со специфическими рецепторами того или иного органа.
создания псевдоклеточной фабрики на основе биоматериалов:
▪ структурная оболочка;
▪ механизм транспортировки биомолекул в окружающее пространство и из него;
▪ распознавание функциональности;
▪ инкапсулирование биохимического аппарата (механизма);
▪ целенаправленное воздействие фабрики внутри организма;
n vivo и, превращая их в активные терапевтические
Можно выделить шесть необходимых компонентов для
▪ управляемая извне деградация для завершения воздействия
9.3. Вопросы безопасности нанотехнологий
9.3.1. Оценка потенциальных рисков
Общественные организации, занимающиеся охраной окружающей среды, призывают к разработке норм регулирования технологий и процессов, связанных с изменением и созданием материалов на атомарном и молекулярном уровнях и используемых в производстве новых лекарственных средств,
пищевых и других коммерческих продуктов.
Программа по охране окружающей среды ООН (U.N.'s
Environment Program – UNEP) в своем отчете за 2007 г. [20]
заявила о необходимости дать правильное определение новой
науке − нанотехнологии. Хотя нанотехнология может преобразить электронику, энергетику и медицину, необходимы тщательные исследования для определения рисков и опасностей,
которые могут возникнуть в различных сферах: окружающей
среде, здравоохранении, социально-экономических отношениях.
Нанотехнология – это феноменально быстро распространяющаяся технология, но мы до сих пор не знаем, какие нановещества выбрасываются в атмосферу, и до сих пор нет норм,
регулирующих нанотехнологию. Евросоюз собирается увеличить число комиссий, изучающих нанотехнологические воздействия, чтобы определить, какие виды регулирования следует применить.
В настоящее время разрабатываются наноматериалы для
использования в производстве лекарств, пищевых продуктов,
косметики и медицинских устройств. Наноматериалы уже
применяются для увеличения прочности теннисных ракеток,
придания грязеотталкивающих свойств тканям и в производстве самоочищающихся стекол. Приоритет в оценке потенциального риска наноматериалов должен быть отдан тем продуктам,
которые уже массово производятся.
Критики отмечают, что наука открывает ящик Пандоры,
имея в виду, что свободно перемещающиеся наночастицы и
нанотрубки – сверхмалые частички вещества – могут вдыхаться и абсорбироваться кожей живых организмов, а также
встраиваться в окружающую среду. Люди уже дышат миллионами наночастиц каждый день, и неизвестно, какие из них
опасны.
Находясь на раннем этапе развития, нанотехнологическая
индустрия переживает резкий подъем деловой активности. По
прогнозам, к 2014 г. нанотехнология будет занимать 14 процентов общего рынка производства США, оцениваемого в 2,6
триллиона долларов, тогда как в 2004 г. ее доля составляла менее 0,1 процента.
UNEP в своем докладе подчеркивает, что остается неизвестным, как наночастицы влияют на атмосферу Земли, воду и
почву. Агентство призывает к созданию глобальных протоколов тестирования и большему сотрудничеству между частным
и общественным секторами промышленности, а также между
развивающимися и развитыми странами. UNEP также обращает внимание на необходимость публичного образования, касающегося нанотехнологий, для повышения осведомленности
и обеспечения информацией о возможных достоинствах и рисках в этой области.
.3.2. Воздействие наноматериалов на живые организмы
9
Наноматериалы − сегодняшние фавориты индустрии −
выявлены в номенклатуре выпускаемых изделий от косметики
до электроники. Тем не менее, новые исследования на животных показали, что, попав при дыхании в легкие, наночастицы
могут стать причиной больших проблем, особенно для рабочих, их изготавливающих.
Это заявление прозвучало на встрече Общества по токсикологии, проходившей в Нью-Орлеане [21]. Особенно ошеломили сообщения, раскрывающие детали того, как наноматериалы взаимодействуют с организмом человека. Большинство
исследований фокусировалось па эффектах воздействия на
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]