Инновационный Вестник "Современные Нанотехнологии"

В последние десятилетия мировая биологиче­ская наука развивалась удивительно быстро и до­билась потрясающих результатов как с точки зре­ния получения фундаментальных знаний, так и с точки зрения практических применений. Особенно впечатляющие результаты были достигнуты в мо­лекулярной биологии, молекулярной генетике, биохимии и биофизике. Удивительно, но исследо­вание структуры и свойств биологических систем на молекулярном и клеточном уровне может нау­чить технических специалистов, например специа­листов в области электроники, компьютерной нау­ки, материаловедения и других специалистов, но­вым принципам организации сложных функцио­нальных устройств.

Дело в том, что современные технические устройства пока что не идут ни в какое сравнение с биологическими системами ни по оптимальности устройства, ни по эффективности функционирования. Достаточно сказать, что еди­ничная клетка бактерии размером всего около 1 мкм содержит в своем геноме коли­чество информации, эквивалентное количеству ин­формации, содержащейся на современном гибком диске высокой плотности; ее рибосома образуется в результате самосборки из более чем 50 различ­ных белков, а синтез ее ДНК происходит с потря­сающе высокой точностью. Исследование этих удивительных устройств, созданных Природой, и понимание принципов их функционирования мо­жет вызвать революционные изменения во многих технических науках.

Исследование биологических систем ведется в настоящее время широким набором физических и химических методов. Несмотря на их разнообра­зие, в последние годы все большее значение в ис­следовании биологических объектов на молеку­лярном и клеточном уровне приобретают методы, использующие достижения современной нанотех­нологий. Широкое развитие таких методов, как сканирующая атомная силовая микроскопия и ска­нирующая туннельная микроскопия, открыло но­вые возможности для биологических исследова­ний. В первую очередь эти методы используются для визуализации отдельных биологических мак­ромолекул (нуклеиновые кислоты, белки) и над­молекулярных комплексов. Одновременно в по­следние годы в мировой биологической науке все большее значение приобретают работы, связанные с манипулированием индивидуальными макромо­лекулами нуклеиновых кислот и белков с помо­щью нанозондов - рабочей части атомного силово­го и туннельного микроскопа. Кроме того, для этих целей сейчас применяют так называемый «оп­тический пинцет» - давление сета лазера, и «маг­нитный пинцет» - использование магнитного поля для перемещения парамагнитных частиц, при­крепленных к нужным частям молекул. В настоя­щем кратком обзоре рассказано о некоторых на­правлениях исследований биологических систем с использованием нанотехнологий

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, основной носитель генетической информа­ции, представляет собой знаменитую двойную спи­раль, которая во внутренней области содержит по­следовательно уложенные, спаренные азотистые основания, имеющие плоскую структуру. Азотистые основания являются частью нуклеотидов, представляющих собой звенья полимерной цепи ДНК. Наружная часть двойной спирали со­стоит из остатков моносахаридов циклической фор­мы и остатков фосфорной кислоты. Длина ДНК кишечной палочки, состоящей примерно из четы­рех миллионов пар нуклеотидов, в вытянутом со­стоянии равна 1,4 мм, что в 700 раз превышает раз­меры самой бактериальной клетки. В эукариотических клетках с помощью основных белков гистонов происходит переход глюкопиранозного кольца из конформации «кресла» в конформацию «лодки». При малых значениях приложенной силы растяжение декстрана определяется энтропийны­ми эффектами, при более значительных силах происходит изменение углов химических связей, а при еще более значительных силах происходит се­рьезное изменение конформации полимера.

Автор: Е.А. Пермяков