А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»
формируется глобулярная головка, соединенная со сравнительно длинным хвостом. Линейные размеры головки составляют 7,5 х 4,5 х 4,5 нм. Длина молекулы около 50 нанометров.
Рисунок 8.5. Схема молекулы кинезина и стадии перемещения молекулы кинезина вдоль микротрубочки, состоящей из мономеров тубулина.
Хвосты двух мономерных цепей сплетены вместе, а наклоненные в разные стороны головки образуют своеобразную V-образную структуру, взаимодействующую с глобулярными мономерами микротрубочки, вдоль которой перемещается кинезин. Молекула, перемещаясь вдоль микротрубки, делает дискретные 8-нм шаги. Коэффициент полезного действия кинезинового двигателя около 50%. В процессе перемещения молекула кинезина может расщепить за одну секунду до 100 молекул АТФ, сместившись на 800 нанометров.
Одноклеточные организмы, типа бактерий Escherichia coli имеют оригинальный способ передвижения в вязкой среде с помощью молекулярных двигателей в виде «жгутиков» приблизительно 45 нм в диаметре. Подвижность является критической для клеток, поскольку они часто должны перемещаться от области не благоприятной до более приемлемой для существования окружающей среды. «Жгутики» представляют собой винтовые нити, которые ввинчиваются из клетки в среду и выполняют функцию, аналогичную винту или штопору. Вращение двигателей «жгутиков» стимулируется потоком ионов через них, который является результатом изменения трансмембранного транспорта ионов (рис. 8.6). Когда «жгутики» начинают синхронно вращаться против часовой стрелки, они сплетаются в единый пучок, который образует своеобразный винт. Вращение винта (скорость 300 оборотов в секунду, вращающий момент ~550 пН•нм) создает движущую силу. После того как направление вращения «жгутиков» изменяется на противоположное, пучок расплетается и бактерия останавливается. Вместо поступательного движения она начинает хаотически вращаться, меняя ориентацию. Такие двигатели позволяют бактериям перемещаться со скоростями около 25 мкм/сек. Подобными механизмами оснащены различные виды бактерий.
8.3.3. Неорганические (химические) молекулярные двигатели.
131
А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»
Химические технологии, в частности молекулярный синтез, также позволяют создавать различные виды молекулярных двигателей. Многие из них имеют явное подобие с макромасштабными механизмами и содержат молекулы углерода, азота, водорода, ионы металлов и т.д. Соединение элементов в единую конструкцию основано на электростатических взаимодействиях, ковалентной и водородной связях. Химические механизмы управляются различными способами: с помощью химических, электрохимических и фотохимических реакций.
Рисунок 8.6. «Жгутиковый» двигатель.
8.3.4. Самосборка нанороботов.
Наиболее привлекательным, конечно, является использование биологических молекул для реализации управляемого процесса «самосборки». При этом необходимо решить следующие проблемы: как спроектировать молекулу или систему с желаемыми характеристиками и как собрать эту конструкцию с минимально возможными ошибками. Для решения этих проблем в природе используются различного рода реакции (для всех существующих реакций в природе имеются соответствующие ферменты) и технология мутаций, в результате которой происходит репродуктивный отбор систем с наиболее «удачными» (полезными) свойствами. Последнее создает очередную проблему: как опознать, идентифицировать и воспроизвести молекулы с желательными характеристиками.
Множество белков достаточно быстро могут спонтанно свернуться в трехмерную структуру и собраться в большие сложные механизмы с определенными функциями. Например, рибосома – биологическая машина, которая функционирует как программируемая нанофабрика. Рибосома "читает" последовательность транспортной молекулы РНК и синтезирует белок в соответствии с этой программой. Но, в настоящее время нерешенными остаются многие проблемы, в том числе, каким образом можно предсказать трехмерную структуру от линейной последовательности аминокислот.
132
А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»
8.4.«Дорожная карта» развития бионанороботов.
Профессор Рутгерского университета К. Мавродис прогнозирует в ближайшем будущем четыре стадии развития бионанороботов для применений в медицине, космических исследованиях и военной технологии (рис. 8.7).
Стадия 1: Бионанокомпоненты.
Развитие бионанокомпонентов от биологических систем – это первый шаг к проекту создания бионаноробота. Так как сложные системы и устройства будут составлены из этих компонентов, мы должны иметь полное и ясное понимание того, как они ведут себя и как могут управляться. К нанокомпонентам можно отнести: ДНК, геммаглютинин вируса, углеродные нанотрубки, белки (например, типа родопсина и бактериородопсина) и т.д. Молекулы родопсина могут применяться для сбора световой энергии, которая затем может быть использована другими компонентами, например, для движения. ДНК может использоваться как структурный элемент и источник энергии, геммаглютинин вируса - как двигатель, бактериородопсин - как детектор света или источник энергии.
Рисунок 8.7. «Дорожная карта» развития бионанороботостроения
Стадия 2: Сборка бионанороботов.
Предусматривает сборку функционально устойчивых компонентов в сложные изделия и механизмы. Например, на рис. 8.8 а) изображен бионаноробот с «ногами» из винтовых пептидов, телом из углеродной нанотрубки и с биомолекулярным двигателем. Рис. 8.8 б) показывает концептуальное представление модульной организации бионаноробота. Модульная организация определяет правила иерархии и
133
А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»
пространственные построение различных модулей робота: внутреннее ядро (мозг/источник энергии для робота); элемент приведения в действие; сенсорный элемент; устройство передачи сигналов и элемент обработки информации. К началу этой фазы должна быть развита “библиотека био-нано компонентов”, которая будет включать различные категории, функциональные элементы, источники энергии, сенсоры, процессоры и т.д.
Кроме того, некоторые бионанороботы будут иметь способность сборки различных биокомпонентов и наноструктур на местах хранилищ ресурсов, в то время как другие будут только управлять существующими структурами, восстанавливая поврежденные элементы или делая другие реконструкции.
Рисунок 8.8. Конструкция и модульная организация бионаноробота: а -гипотетическая конструкция бионаноробота: углеродные нанотрубки составляют главное тело, пептиды используются для передвижения и манипуляции объектами; б - модульная организация бионаноробота.
Стадия 3: Распределенный Интеллект, Программирование и Управление.
Для полного выполнения всех своих функций каждый бионаноробот должен взаимодействовать с другим. Проектирование роев бионанороботов, способных к принятию решений, выполнению сложных задач и к групповому взаимодействию является сложной задачей и предполагает развитие вычислительных алгоритмов, методов моделирования и прогнозирования, электронных аппаратных средств. Кроме того, должны быть созданы соответствующие интерфейсные системы для взаимодействия с макро-миром, т.е. должна быть обеспечена полноценная возможность управления и контроля действий роя нанороботов и получения от них сенсорных данных.
Стадия 4: Автоматизированное изготовление, системы обработки информации.
Для выполнения сложных миссий, например, сенсорика, передача сигналов и хранения информации, должны быть созданы колонии био-нанороботов. Поэтому очередным шагом в проектировании нанороботов является создание методологий масштабного изготовления роботов в естественных и специальных условиях. Способность обработки информации и принятия решения являются ключевым на этом этапе проектирования. Это позволило бы роям реализовать возможность саморазвития и адаптации к окружающей среде. Рои могут быть запрограммированы для поиска дополнительных
134
А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»
источников энергии и иметь способность приспособиться в соответствии с обнаруженным ресурсом.
8.5.Устройства адресной доставки лекарств
Адресная доставка лекарств к пораженным клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред. Например, лучевая терапия и химиотерапевтическое лечение, уничтожая больные клетки, губит и здоровые. Решение этой проблемы может заключаться в создание управляемого "транспорта" для лекарств, варианты которого уже предложены некоторыми университетами и научными организациями.
В качестве транспортных структур для поставки лекарственного препарата в пораженную область используются полимеры, дендримеры, кремниевые структуры, биологические молекулы, углеродные структуры (в том числе, фуллерены), металлические наночастицы в оболочке и т.д.
Некоторые полимерные материалы обладают требуемыми свойствами для использования их в качестве структур для доставки лекарств в организме: имеют хорошую биологическую совместимость, могут быть разложены микроорганизмами и позволяют включить молекулы лекарства в свою структуру. Полимер может иметь макропористую структуру. В этом случае в поры вводятся молекулы лекарства.
Дендримеры являются уникальным классом полимеров с разветвленными макромолекулами, размером и формой которых можно управлять. Их структура, стабильность свойств, возможность разместить на поверхности молекулы других веществ делает привлекательным использование дендримеров для транспорта лекарств и других биологических молекул. Молекулы лекарств включаются в дендримеры через реакции комплексообразования или путем своеобразного капсулирования, как показано на рис. 8.9.
Рисунок 8.9. Включение препарата в структуру дендримера: а) ковалентное комплексообразование, б) герметизация препарата внутри дендримера.
Структуры на основе кремния могут быть изготовлены с высокой точностью различными методами, обычно используемыми в изготовлении полупроводников и микроэлектромеханических систем. Традиционными материалами являются пористый
135
А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»
кремний, кварц или диоксид кремния. При этом, в частности, получают структуры в виде наносфер с пористой поверхностью. Так как используемые технологии позволяют управлять пористостью и размером пор, то это дает возможность точного дозирования лекарственного препарата в каждой наносфере. В такие структуры достаточно просто загрузить лекарства – их необходимо поместить в раствор препарата, а затем – высушить (рис. 8.10). Таким образом в пораженную зону можно доставлять строго дозированное количество лекарств.
Рисунок 8.10. Кремниевые пористые наносферы для транспорта препарата: а – подготовка частиц, б – загрузка лекарств, в – сушка частиц.
Полые металлические оболочки нанометровых размеров также используются для транспортировки препаратов. Материалом в этом случае являются такие металлы, как золото, серебро, платина и палладий. Лекарства присоединяются к металлическим наночастицам методами силанизации (рис. 8.11а) или электростатическим способом (рис. 8.11б). В месте доставки препарата осуществляют нагрев наночастиц (инфракрасным излучением или переменным электромагнитным полем), в результате которого происходит высвобождение препарата.
Рисунок 8.11. Методы присоединения молекулы лекарства к наночастице: а – силанизация, б – электростатическое связывание.
136