ВСЕМИРНЫЙ ФОРУМ ТАТАРСКИХ УЧЕНЫХ (19-22 сентября 2007 г., г. Казань) Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

СЪЕЗДЫ И КОНФЕРЕНЦИИ

ВСЕМИРНЫЙ ФОРУМ ТАТАРСКИХ УЧЕНЫХ

(19~22 сентября 2007 г., г. Казань)

Данный форум был организован Академией наук Татарстана и Всемирным конгрессом татар. В числе прослушанных докладов большой интерес вызвало вы-ступление профессора Пенсильванского университета (США) Р.И. Литвинова, посвященное современному состоянию и перспективам развития нанобиологии.

Когда речь заходит о нанотехнологиях, представляются сверхбыстрые компью-терные чипы, новые сверхстойкие мате-риалы или даже гипотетические самовоспроизводящиеся наномашины. Эти чудеса нанотехнологии связаны прежде всего с достижениями физики, химии и техники, однако широта охвата и возможности нанонауки этим не ограничиваются. На стыке двух миров - физико-химического и биологического - образовалась новая стремительно развивающаяся область знания - нанобиология.

Мир живой природы чаще всего воспринимается нами в макроскопическом масштабе. Растения, животные и люди имеют размеры от сантиметров до метров и видны невооруженным глазом. На клеточном уровне биологические объекты имеют величину порядка микрометров, т.е. миллионной доли метра; этот уровень называют микроскопическим. Если уменьшить шкалу еще на три порядка, до нанометра, т.е. до миллиардной доли метра, можно перейти к описанию жизни на молекулярном уровне. Так, молекулы ДНК имеют толщину 2 -3 нанометра, в то время как белки типа антител - от 5 до 10 нанометров. Важно осознать, что самые важные явления жизни всегда происходят именно в нанометровом масштабе.

По формальному определению, нано-биология -это область знаний, возникшая в результате слияния биологии с нанотехнологиями. Хотя молекулярные биологи и биохимики работали с биомолекулами нанометрового размера довольно давно, нанобиология не была самостоятельной областью науки, пока ученые не начали использовать возможности нанотехнологии для решения биологических проблем. Нанобиология охватывает широкий диапазон исследований, которые могут быть условно разделены на две основных категории - применение нанотехнологий в биологии и развитие новых нанотехнологий на основе биологических знаний. Такое подразделение нанобиологии основано на различии "источников вдохновения”. В первом случае мы используем наше знание физики, химии и техники, чтобы лучше понять биологию, выявлять, визуализировать и измерять биологические процессы и объекты. Этот подход на практике ведет к созданию методов, приборов и систем, которые могут использоваться в биологических исследованиях, и частично

относится к сфере молекулярной биофизики. Во втором случае нанотехнологии используют биологические знания для создания новых технологий. Этот подход позволяет нам брать у природы уроки эволюционного развития, которое привело к возникновению эффективных и элегантных биологических систем. Только сочетание этих двух главных разделов нанобиологии, как дорога с двусторонним движением, может осуществить реальную связь между миром биологии и миром физики.

Чтобы лучше понять, что такое современная нанобиология, нужно рассмотреть основные проблемы, которые решаются как в академических лабораториях, ведущих фундаментальные исследования, так и в лабораториях, нацеленных на решение прикладные задач.

Биология в нанометровом масштабе представляет собой медико-биологические исследования, которые выполнены на молекулярном уровне. Все биологические системы состоят из нанометровых компонентов, таких как единичные молекулы нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и белков, которые сегодня можно прямо наблюдать с помощью приборов или физически манипулировать ими. Одно из преимуществ изучения биологии в нанометровом диапазоне состоит в возможности изучать такие свойства биомолекул, которые не могут быть обнаружены и, тем более, количественно охарактеризованы в микро- и макромасштабах. Например, измерение термодинамических и механических свойств индивидуальных белков или молекул ДНК позволяет глубоко понять их структуру и функции. Это необходимо, чтобы изучать молекулярные механизмы базовых явлений жизни, таких как движение живых существ, их рост, дифференцировка или воспроизводство. Перечень биологических систем, которые становятся доступны для изучения в нанометровом масштабе, непрерывно увеличивается, что порождает нарастающий поток принципиально новой научной информации.

Самым очевидным примером слияния нанотехнологии и биологии является использование нанотехнологических продуктов для обнаружения, количественной характеристики или качественного исследования биологических систем. Преимущество использования нанотехнологии для этих целей заключается в уникальных физических явлениях, которые могут происходить в нанометровом мире. Многие электрические и оптические процессы, которые протекают в нанометровом масштабе, реагируют на присутствие даже единичных активных биомолекул, что позволяет разрабатывать сверхчувствительные аналитические методы и приборы. Например, био-

Казанский медицинский журнал, 2007 г., том SS, № 5.

датчики или биочипы - высокочувствительные сенсоры, которые могут реагировать на отдельные молекулы белков или нуклеиновых кислот, в том числе химически или генетически модифицированные. Есть биодатчики с высочайшей производительностью и сверхмалые датчики, которые используют очень небольшие количества исследуемого биоматериала и реактивов. Существуют механоэлектричес-кие системы размером несколько нанометров, основанные на биологических закономерностях, которые трансформируют механические усилия величиной несколько пиконьютонов в регистрируемые электрические сигналы.

Биомиметика, или исследование биологических систем с целью их воспроиз- ведения, является уникальной областью науки и техники. В какой-то степени биомиметика сродни тому, что раньше называлось бионикой, но только применительно к наномет-ровому диапазону. Типичный пример - использование данных о строении листьев лотоса для разработки технологии водоотталкивающих поверхностей. В нанометровом масштабе листья лотоса имеют структуры, которые заставляют стекать капли воды без смачивания. Эти естественные водоотталкивающие свойства были воспроизведены на основе наноструктур из полимерных материалов. Другие области исследования, которые иллюстрируют биомиме-тику, включают создание трехмерных структур, построенных наподобие вирусов, белков и других биомолекул или создание химических и структурных аналогов рецепторных биосистем для датчиков и аналитических приборов.

Наномедицина - это, вероятно, самая широкая область в пределах нанобиологии, подразумевающая использование нанотехнологий применительно к медицине. Она ведет к созданию новых типов транспортных контейнеров для введения и адресной доставки лекарственных веществ, а также аналитических инструментов для диагностики. Многие достижения нанотехнологии уже начинают использоваться в медицине. Так, нагруженные и помеченные вектором наночастицы применяются в клиниках для точечной доставки лекарств, предназначенных для подавления очагов опухолевого роста. Кроме того, специально обработанные флуоресцентные наночастицы (fluorescent quantum dots) начинают использоваться с целью ранней диагностики объемных процессов путем прижизненной визуализации органов и тканей.

Нанобиология поверхностей основана на сочетании биохимии, а также химии и физики искусственных материалов. Как в биологии, так и в других науках изучаемые явления в большой степени зависят от химических реакций и физических взаимодействий, которые протекают на границах раздела сред, т.е. на поверхностях. Пограничные эффекты особенно важны в нанобиологии, так как большинство биохимических процессов происходит вблизи от поверхностей, образованных белками или мембранными липидами, или непосредственно на них. Важный пример "пограничной" нанобиологии - самосборка биологических молекул. Процесс естественной самосборки ведет к созданию уникальных трехмерных структур, которые часто имеют повторяющиеся нанометровые элементы. Самоорганизующиеся мономолекулярные слои уже используются во многих нанобиологических исследованиях и в нанотехнологиях. В результате взаимодействия биологических молекул или клеток с физическими поверхностями возможно создание смешанных, или гибридных, систем с уникальными биологическими свойствами, например, путем иммобилизации белков и клеток на синтетических полимерах. Этот подход может быть, в частности, полезен при создании различных имплантатов. Можно представить себе сложные электрические системы, такие как микрочипы, функционально связанные с нервной системой организма или головным мозгом.

Из представленного краткого обзора проф. Р.И. Литвинова ясно, что нанобиология охватывает обширное научное поле, включающее исследования и разработки в области биологии, химии, физики и техники. В отличие от традиционных медико-биологических исследований, особенности нанобиологии состоят в том, чтобы, с одной стороны, использовать достижения нанотехнологии, а с другой - подойти к явлениям жизни с точки зрения нанометро-вого масштаба измерений. Подобно химии и физике, многие биологические систем имеют качественно разные свойства на макро-, микро- и наноуровнях. Таким образом, нанобиология дает, во-первых, уникальные знания о том, как функционируют биологические системы, и, во-вторых, мощный импульс развитию новых нанотехнологий на основе достижений биологии, создает новые методы исследования. Как и любая наука, нанобиология уже помогла и поможет в будущем решить многие фундаментальные и прикладные проблемы.