ext_5251

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

не молекула белка подобна последователь ности бусинок на нити, где роль бусинок вы полняют молекулы аминокислот. В составе большинства белков находится в среднем 300 500 таких “бусинок”.

Количество аминокислот в природе ограничено – всего 20 видов, и их можно уподобить двадцати “буквам” особого “химического алфавита”, из которых сос тавлены белки – “слова” длиной в 300 500 букв.

С помощью двадцати букв можно на писать огромное количество таких длин

ных слов. Если учесть, что замена или перестановка хотя бы одной буквы в слове придаст ему новый смысл, то число возможных комбинаций букв в слове длиной в 500 символов составит 20500!

Цепь каждого белка построена из свойственной только этому белку комбинации аминокислот: только определенное число и только в определенной последовательности. Уникаль ность характерной для того или иного белка комбинации ами нокислот и определяет его химические и биологические свой ства. Перестановка всего лишь одного аминокислотного звена на другое место, его замена или потеря приведет к очень значи тельному изменению свойств белковой молекулы. Значит, при синтезе (построении) отдельного белка необходимо владеть точной информацией о чередовании аминокислотных звеньев в его структуре. В природе такая информация хранится на спе циальном носителе молекуле ДНК, в которой содержится ин формация о структуре всех существующих в организме белков.

Отрезок молекулы ДНК, в котором содержится информа ция о последовательности аминокислот в одном белке, называ ется ген, потому информацию в ДНК называют генетической, а ген является единицей наследственного материала. В ДНК со держится до нескольких сот генов.

Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) предс тавляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Ширина такой двойной спирали – около 2 нм. Длина же

– в десятки тысяч раз больше – несколько сотен тысяч нано метров. За открытие двойной спирали ДНК, несущей наслед

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ственную информацию, в 1962 году ученые Уотсон и Крик по лучили Нобелевскую премию.

Нити ДНК представляют собой цепи из нуклеотидов, а нук* леотиды – это органические вещества, состоящие из трех сое диненных друг с другом молекул: азотистого основания, пяти углеродного сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотиды назвали по именам 4 х типов азотистых основа ний, входящих в их состав: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Порядок расположения четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК очень важен он определяет порядок аминокис лот в белках, то есть их структуру.

Чтобы понять, как в ДНК запрограммирована структура белка, стоит вспомнить азбуку Морзе, по которой все буквы ал фавита, знаки препинания и цифры обозначаются комбинаци ей коротких (точка) и длинных (тире) сигналов. Оказывается, подобный шифр существует и в ДНК! Как в азбуке Морзе каж дой букве соответствует определенное сочетание точек и тире, так в коде ДНК определенное последовательное сочетание нук леотидов соответствует определенной аминокислоте в молеку ле белка. Знать код ДНК – значит знать сочетание нуклеоти дов, соответствующее каждой аминокислоте.

Чтобы закодировать все возможные цифры, буквы и знаки препинания, нам хватает всего двух символов (точка и тире). Чтобы закодировать одну аминокислоту, сочетания из трех нук леотидов вполне достаточно (из 4 нуклеотидов можно создать 64 комбинации, по три нуклеотида в каждой: 43=64). Такое со четание называется триплетом или кодоном.

Код ДНК обладает однозначностью (один триплет шифрует не более одной аминокислоты) и универсальностью (т.е. для всего живущего и растущего на Земле – бактерий, грибов, зла ков, муравья, лягушки, лошади, человека – одни и те же трип леты кодируют одни и те же аминокислоты). В настоящее вре мя код ДНК расшифрован полностью, т.е. для каждой амино кислоты точно установлены кодирующие ее триплеты.

Еще раз напоминаем читателям, что замена или удаление хотя бы одного нуклеотида в последовательности ДНК приве дет к нарушению структуры синтезируемых белков. Поскольку генетический код подобен языку, то наглядным примером этому

14

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

может послужить следующая фраза, составленная из буквен ных триплетов:

жил был кот тих был сер мил мне тот кот

Несмотря на отсутствие знаков препинания нам понятен и смысл и логика этого “предложения”. Если же мы уберем пер вую букву в этой фразе, но читать будем также триплетами, то получится бессмыслица:

илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от

Похожая генетическая бессмыслица возникает и при выпаде нии одного нуклеотида из гена. Белок, считываемый с такого ис порченного гена, может привести к серьезным генетическим забо* леваниям организма (болезнь Дауна, серповидноклеточная ане мия, сахарный диабет, мышечная дистрофия и т.д.). Такая ошип ка в информационной матрице ДНК будет повторяться всякий раз при синтезе конкретного белка, подобно тому, как ошибка на типографской матрице, с которой печатается книга или газета, будет повторяться во всех экземплярах данного тиража.

Являясь матрицей для синтеза всех белков, сама молекула ДНК, однако, в процессе синтеза не участвует. Она является лишь носителем генетической информации.

При синтезе белка информация о его структуре сначала дос тавляется из ДНК к молекуле рибосомы – своеобразной фабрике по производству белков. Этот перенос информации осуществля ется с помощью молекулы информационной РНК (рибонуклеино вая кислота), которая является точной копией, зеркальным отра жением структуры одного участка ДНК. И РНК – это одноце почная спираль, комплементарная одной нити молекулы ДНК

Процесс копирования генетической информации из ДНК в РНК называют транскрипцией (лат. “transcriptio” переписыва ние). В процессе переписывания специальный фермент – по лимераза, двигаясь вдоль ДНК, последовательно считывает ее нуклеотиды и по принципу комплементарности образует це почку и РНК, как бы снимая с ДНК “чертеж” того или иного гена. С каждого гена можно снять любое число копий РНК.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Таким образом, можно сказать, что в процессе синтеза бел ка и РНК выполняет роль перфокарты2, на которую записана “программа” для построения конкретного белка.

Итак, молекула и РНК с записанной на нее программой направляется к рибосоме, где происходит синтез белка. Туда же направляется поток материала, из которого строится белок аминокислот. Аминокислоты попадают в рибосому не самосто ятельно, а с помощью подвижных транспортных РНК (т РНК). Эти молекулы способны различать среди всего многообразия аминокислот только “свою” аминокислоту, присоединять её к себе и подтаскивать к рибосоме.

Синтез белка на рибосомах называется трансляцией (от лат. “translatio” – “передача”).

По мере сборки белковой молекулы рибосома “ползет” по и РНК и синтезирует белок, запрограммированный на данной и РНК. Чем дальше продвинулась рибосома по и РНК, тем больший отрезок белковой молекулы “собран”. На ленте и РНК, как на конвейере, одновременно идет сборка одного и то го же белка несколькими рибосомами (см. рисунок 4). Когда рибосома достигает конца и РНК, синтез окончен.

Рис 4. Процесс синтеза белка рибосомами

2 Перфокарта это кусок или лента из твердой бумаги с дырочками для светового луча, пробитыми в определенных местах. В XIX веке перфокарты применялись в текстильном производстве с их помощью ткацкий станок "программировали" на получение того или иного рисунка, а в середине XX века на перфокартах и перфолентах записывались программы для первых ЭВМ).

16

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

Теперь остановимся подробнее на механизме работы рибосо мы. Обратимся к рисунку. Рибосома движется по и РНК не плав но, а прерывисто, “шажками”, триплет за триплетом. На каждом шаге к месту контакта рибосомы с и РНК “подплывает” какая нибудь молекула т РНК с прицепленной к ней аминокислотой.

Как уже было сказано, каждая т РНК способна различать только “свою” аминокислоту и присоединять её для транспор тировки к месту построения белка. Это происходит благодаря содержащемуся в ней триплету, комплементарному (подходя щему) конкретной аминокислоте.

Если кодовый триплет т РНК окажется комплементарным к триплету и РНК, находящемуся в данный момент в рибосоме, то аминокислота отделится от т РНК и присоединится к строящейся цепочке белка (к белковой молекуле добавится еще одна “бусинка”).

Рис 5. Рибосома синтезирует белок

Свободная т РНК затем выбрасывается из рибосомы в ок ружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу ами нокислоты и несет ее в любую из работающих рибосом. А наша рибосома делает следующий “шаг” вперед по и РНК на один триплет. Так постепенно, триплет за триплетом, движется по и РНК рибосома и растет звено за звеном цепь белка.

Пройдя по всей длине и РНК, рибосома с готовым белком “сходит” с неё. Затем белковая молекула направляется к тому участку клетки, где требуется данный вид белка, а рибосома

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

направляется к любой другой и РНК (рибосома способна син тезировать любой белок; характер белка зависит исключитель но от матрицы и РНК).

Итак, рибосомы доказали, что наномашины, построенные из белка и РНК, могут быть запрограммированы на построение сложных молекул, то есть по сути являются природными ассе мблерами (сборщиками атомов) для производства заданных молекулярных структур.

Генные инженеры сегодня пытаются построить первые экс периментальные искусственные наномашины, используя био логический природный материал: аминокислоты, белки, моле кулы ДНК и др. Однако биоподобные наномашины (и все, что они могут создать) это органика, а значит, их возможности ог раничены. Они теряют стабильность или разрушаются при по вышенных температурах и давлениях (происходит сворачива ние белка), подвержены радиации, не могут обрабатывать твер дый материал, действовать в химически агрессивных средах и т.п. Поэтому было бы неразумно отказаться от грандиозных на работок человечества в сфере балк технологии. Это все то, до чего “не додумалась” природа, от колеса до компьютера.

В то же время без биоподобных структур очень трудно манипу лировать отдельными атомами и молекулами. Поэтому наномаши ны ассемблеры должны представлять собой синтез живых и техни ческих систем. Дрекслер дает ассемблеру следующее определение:

Ассемблер – это молекулярная машина, способная к самореп ликации, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков.

Главная задача ассемблера соединение атомов и молекул в заданном порядке. Он должен уметь строить наносистемы лю бого назначения двигатели, станки, вычислительные устрой ства, средства связи и т.д. Это будет универсальный молекуляр ный робот со сменными программами на “перфолентах” типа цепочек РНК или ДНК.

Внешний вид сборщика можно представить себе как “ящик” нанометрового размера с “рукой” манипулятором длиной в сотню атомов. Исходным материалом для манипуля тора могут служить атомы, молекулы и химически активные

18

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

молекулярные конструкции. щика размещены устройства, ляющие работой манипулятора содержащие программу всех действий. Поскольку составле ние больших молекул со слож ной структурой потребует осо бой точности в позиционирова нии, ассемблер должен иметь несколько таких манипуляторов

Возможно, ассемблер чем то похож на паука, при этом одними “лапами” он будет

держаться за поверхность, а другими складывать сложные мо лекулярные структуры атом за атомом. Наиболее популярная схема наноассемблера представлена на рисунке.

Управлять сборщиками должны будут нанокомпьютеры, программируемые на каком нибудь обычном языке управле ния промышленными роботами и имеющие связь с обычным компьютером, которым управляет человек. Представим, что человек оператор моделирует на компьютере некоторую конструкцию, особым образом задавая её молекулярную структуру. “Нарисовав” нужный объект, он передает команду ассемблерам, которые начинают создавать его атом за атомом. И через некоторое время у конструктора появляется готовая вещь с заданными характеристиками при минимальном вме шательстве человека.

Ассемблеры могут работать в паре с дизассемблерами – на номашинами, способными разбирать объект на атомы с за писью его структуры на молекулярном уровне. Например, для создания копии какого то объекта необходимо, чтобы дизассе мблер разобрал его атом за атомом и передал всю информацию о типе атомов, их положении и т.д. ассемблеру, который потом может создавать копии объекта сколько угодно раз. Теоретичес ки такая копия ничем не будет уступать оригиналу она будет повторять его вплоть до отдельного атома! Дизассемблеры так

же помогут ученым лучше узнать вещи и их атомную структуру Как уже было сказано, ассемблеры будут обладать способ

ностью к репликации (размножению). Когда речь идет об

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

эволюции, то репликатор – это объект, который способен сам себя скопировать, включая любые изменения, которым он мог подверг нуться (подобно гену, миму или компьютерному вирусу). Реплици руется (размножается путём создания своей копии) ассемблер по команде макрокомпьютера или в зависимости от окружения.

Таким образом, создав один единственный универсальный ассемблер, способный создавать копию себя, мы через несколько часов получим целую армию этих крошек, которые в буквальном смысле слова изменят нашу жизнь. Самой большой проблемой ассемблеров является сложность их первоначального конструи рования. Тем не менее, лаборатории всех мировых держав борют ся за право быть первыми в этом революционном прорыве.

Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы: от “проживающих” в организме нанокомпьютеров, убивающих ра ковые клетки и ремонтирующих поврежденные ткани и органы, до автомобильных двигателей, не загрязняющих окружающую среду.

Сегодня Foresight Institute – базис всех мировых нанотехно логий – обещает $250.000 тому, кто построит нано манипуля тор – “руку”, которая сможет оперировать на молекулярном уровне, и тому, кто создаст 8 битный сумматор, умещающийся в кубике со стороной в 50 нанометров (так что у вас еще есть все шансы неплохо подзаработать!).

Ждать осталось не так уж долго. Оптимисты считают пери одом расцвета практических нанотехнологий первую четверть наступившего века. Пессимисты отодвигают срок до середины века. Значит, тем, кто сегодня определяет свою будущую про фессию, стоит задуматься: быть может, программист наноробо тов и конструктор молекулярных компьютеров станут наиболее популярными специальностями уже через несколько лет.

Краткая справка по истории нанотехнологий

Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого фи лософа Демокрита. 2400 лет назад он впервые использовал сло во “атом” для описания самой малой частицы вещества.

1905 Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара состав ляет примерно 1 нанометр.

20

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

1931 Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследо вать нанообъекты.

1959 Американский физик Ричард Фейнман впервые опуб ликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его ле гендарной лекции “Там внизу – много места” (“There’s Plenty of Room at the Bottom”), произнесенной им в Калифорнийском Технологическом Институте. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов.

Тогда его слова казались фантастикой только лишь по од ной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами (то есть опознать атом, взять его и поставить на другое место).Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в $1000, тому, кто впер вые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 году.

1968 Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного под разделения американской компании Bell, разработали теорети ческие основы нано обработки поверхностей.

1974 Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово “нанотехника”, предложив называть так механиз мы размером менее 1 микрона.

1981 Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер соз дали сканирующий туннельный микроскоп прибор, позволя ющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.

1985 Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно из мерять предметы диаметром в один нанометр.

1986 Создан атомно силовой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодей ствие с любыми материалами, а не только с проводящими.

1986 Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

1989 Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 Голландский физик Сеез Деккер создал нанотранзистор.

2000 Администрация США объявила “Национальную нанотехнологическую инициативу” (National Nanotechnology Initiative). Тогда из федерального бюджета США было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год “Инициатива” запросила $710 млн., а в 2004 году правительство США приняло решение увеличить финан сирование научных исследований в этой области до $3,7 млрд. в течение четырех лет. В целом, мировые инвестиции в нано в 2004 году составили около $12 млрд.

2004 Администрация США поддержала “Национальную на номедицинскую инициативу” как часть National Nanotechnology Initiative

Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных мас сивов информации.

Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40 50 нанометров возрастут квантовомеханические помехи: электроны начнут пробивать переходы в транзисторах за счет туннельного эффекта (о нем речь пойдет ниже), что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения раз мером в есколько нанометров. В настоящее время ведутся са мые интенсивные разработки в этом направлении.

Оборудование нанотехнологии

Всякая технология, будь то обработка материала на макро , микро или наноуровне, не может обходиться без средств из мерения соответствующих величин. Среди многообразия изме рительных приборов существуют специальные приборы для из мерения как больших, так и малых расстояний.

Так, малые расстояния вплоть до миллиметрового (103 м) порядка легко измеряются с помощью обычной линейки. Ею можно измерить, например, толщину куска плотного картона. Не так уж трудно измерить толщину тонкого листа бумаги, ес

22