НАНОТЕХНОЛОГИИ СЕГОДНЯ
Шестого февраля в Малом зале Дома ученых в рамках Дней науки, проходящих в Сибирском отделении РАН, состоялась лекция, посвященная использованию нанотехнологий.
Ю. Александрова, «НВС»
Аудитория была достаточно неоднородной (наряду с представителями старшего поколения, присутствовали студенты и даже школьники), поэтому докладчик — заместитель председателя СО РАН, директор Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН академик В. В. Власов — постарался максимально популярно изложить суть дела, впрочем, подойдя к этому издалека — с предвыборного высказывания американского президента Барака Обамы о значении науки
(см. «НВС» № 3). Академик Власов выразил надежду, что и в нашей стране наука скоро будет занимать должное место.
Говоря о нанотехнологиях в целом, лектор уточнил, что квалифицировать изделие как нанотехнологическое можно, если, по крайней мере, один из его размеров находится в диапазоне от 1 до 100 нанометров, и этот размер существенен для функций квалифицируемого изделия. В настоящее время очень много публикаций на данную тему, порой прямо противоположных, иногда забавных — пишут чуть ли не о креме для ботинок и зубной пасте, сделанных на основе нанотехнологий. Однако нанотехнологии — это не какой-то один проект, который даст определенный результат: просто случилось так, что в некоторых областях науки, сразу в нескольких направлениях, исследователи приблизились к характерному размеру частиц материи. Хотя, надо заметить, нанотехнологии использовались еще в средние века при изготовлении разноцветных витражей (мелкодисперсные частицы) или в виноделии (наноразмерные комплексы ферментов, которые осуществляли химические реакции). А молекулярные биологи и биохимики во всем мире и раньше работали с объектами малых размеров — ведь клетка просто «напичкана» наноразмерными комплексами.
 |
|
Еще в 2000 году американским президентом Биллом Клинтоном была выдвинута нанотехнологическая инициатива, касающаяся компактных устройств хранения информации (библиотека Конгресса США на одном чипе), высокопрочных материалов на основе новых форм углерода; наносредств для адресной доставки лекарств к больным органам человека. Основными областями работ были названы: долговременные фундаментальные исследования в нанонауке и технических приложениях; разработка и синтез наносистем с заданными характеристиками; применение наноматериалов и наносистем в промышленном производстве, энергетике, в обеспечении национальной безопасности и в здравоохранении; обучение нового поколения специалистов, необходимых для быстрого прогресса в нанонауке и нанотехнологиях. По прогнозу общемирового рынка нанотехнологий, в ближайшие 8-10 лет ежегодно будет затрачиваться более 1 триллиона долларов США, в том числе на производство наноматериалов с новыми свойствами и функциями, производство полупроводников и интегральных схем наноэлектроники, здравоохранение и фармацевтику, наноструктурный катализ в нефтяной и химической промышленности, транспорт и жизнеобеспечение, в том числе повышение урожайности сельскохозяйственных культур, очистку питьевой воды и возобновляемые источники энергии. Вслед за Америкой, пусть с некоторым опозданием, нанотехнологии «заработали» в странах Европы — там существуют обширные программы, выделяются средства для развития. В России после долгого перерыва тоже решили вложить в эту область науки большие деньги. Но, к сожалению, финансы выделены не на исследования, а на реализацию, то есть под коммерческие проекты. Предполагается поддерживать только те инициативы, которые дадут очень быстрый выход.
Сегодня нанотехнологии применяются в наноэлектронике — речь идет об использовании квантовых свойств наноструктур, применении методов атомной и зонной инженерии при конструировании элементов наноэлектроники (в технологии наноэлектроники используются эффекты самоорганизации и реализация принципа «снизу-вверх» по шкале размеров) и нанобиотехнологии — здесь проводится наноконструирование из естественных или воспроизведенных синтетических или генноинженерных наноструктур живых объектов разных биологических типов, конструирование неизвестных или принципиально новых биологических структур на основе способности биологических систем к узнаванию, самосборке и амплификации. В Сибирском отделении РАН ведется активная работа по созданию новых наноматериалов: получение нанодисперсных высокочистых порошков металлов, полупроводников, оксидов и нитридов; получение нановолокон и их применение для производства фильтровальных материалов и сорбентов; наноструктурирование поверхностных слоев и нанесение наноструктурных покрытий; химические нанореакторы, пористые металлоорганические полимеры и молекулярные контейнеры; каталитические наноматериалы; наноматериалы и наноустройства на основе нуклеиновых кислот и наноструктур биологического происхождения; наночастицы и нанокомпозиты для биологии и медицины; микро- и наноэлектромеханические системы, метаматериалы.
Особенно подробно рассказал докладчик о применении нанотехнологий в биологии и медицине. Объектами бионанотехнологий являются простые молекулы, белки, рибосомы, нуклеиновые кислоты и вирусы — все они имеют размеры от 1 до 100 нанометров. Области развития бионанотехнологий — это создание новых материалов, разработка молекулярных машин и разработка наноустройств и сенсоров. Биологические молекулы сами по себе очень «умные» и обладают рядом замечательных свойств: белки могут связываться с определенными белками другими молекулами (так называемое молекулярное узнавание). Современные технологии позволяют сделать такие белки с заранее заданными свойствами, то есть не только извлечь белок из клетки, но и выделить фермент или использовать его как лекарство. Среди разработок и «шагающая» ДНК, которая производит перемещение в процессе ассоциации-диссоциации комплементарных комплексов. Машин такого типа довольно много, но пока они находят мало реальных применений. В перспективе же эта сверхминиатюрная система, несомненно, будет использоваться для диагностики, как и некоторые другие наноконструкции.
Из ДНК можно выполнять различные структуры, вставлять в цепочку нуклеиновых кислот органические молекулы, производить «искусственные вирусы» — супрамолекулярные комплексы ДНК с липидами, поликатионами или белками, которые обеспечивают доставку ДНК в клетки для генотерапии. НК-зависимые переключатели позволяют изменять физические характеристики системы при связывании специфического агента; молекулярные сенсоры дают возможность регистрировать специфические агенты при их связывании с наносенсором, а сенсоры на основе гибридных конструкций позволяют регистрировать специфические агенты за счет агломерации функционализированных наночастиц. Используют нанотехнологии и для «молекулярного имажинга» (molecular imaging) — получения изображения. На самом деле, и раньше существовало много способов выполнения изображений внутри организма, ведь при назначении лечения, к примеру, онкологическим больным врачу необходимо знать, где располагается опухоль, есть ли метастазы. Для этого в организм вводятся репортерные молекулы, которые сигнализируют о том, что собой представляет опухоль. Перед нанотехнологиями в онкологии стоят следующие задачи: создать хорошие репортерные молекулы и сделать так, чтобы они накопились именно в опухоли или в определенном виде клеток. Еще один аспект — использование наночастиц соответствующего строения, которые не оседают, являются хорошо растворимыми, могут создавать запасы в организме, храниться в крови и из нее медленно высвобождаться. Все это важно для решения некоторых проблем, связанных с использованием лекарств, многие из которых плохо растворяются, легко подвергаются действию ферментов крови или же быстро выводятся из организма.
Широко используется в настоящее время и биочиповая технология — современная бионанотехнология анализа генетического материала, позволяющая проводить параллельный скрининг сложных смесей нуклеиновых кислот. Биочип представляет собой пластину или мембрану, несущую на своей поверхности одновременно множество различных зондов — фрагментов нуклеиновых кислот или олигонуклеотидов, размещенных в строгом порядке. Институтом химической биологии и фундаментальной медицины совместно с ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» разработана генодиагностика патогенных для человека ортопоксвирусов, основанная на микрочиповом анализе. Предложен олигонуклеотидный микрочип, позволяющий проводить родоспецифичное определение шести видов ортопоксвирусов (ОПВ), включая все ОПВ, патогенные для человека, идентифицировать их видовую принадлежность и отличать их от вирусов герпеса первого, второго (соответственно HSV-1 и HSV-2) и третьего (Varicella-Zoster Virus (VZV)) типов. Ведутся совместные работы и с другими институтами Сибирского отделения. Тенденция современности — миниатюризация, и биочип как нельзя лучше отвечает этому требованию.
После окончания лекции у присутствующих в зале возникло немало вопросов, свидетельствующих о том, что данная тема актуальна и интересна для всех.
Фото В. Новикова
стр. 7
|
