Ю. В. Малюкин, д-р физ мат наук, проф., зав отд нанокристаллических

Нанотехнология определяется как технология конструирования, манипулирования деталями и создания новых структур в масштабах нанометров с атомной точностью. Наиболее адекватно суть нанотехноло­гии отражает название "молекулярная нанотехнология". Так, например,


16




нанотехнологи сейчас успешно манипулируют заданным атомом (например, атомом аргона), перемещая его в заданном направлении на заданное расстояние по поверхности кристалла (например, по кристаллу кремния). В будущих бионанотехнологиях инструменты из олиго­нуклеотидов ДНК, пептидных нанотрубок и белковых фибрилл могут использоваться для сборки в наноконструкции металлических нано­проводников и других наноэлементов для нужд наноэлектроники и наноэлектрохимии.
Биология обеспечивает технолога машинами, которые манипу­лируют единичными атомами, поэтому ожидается, что бионаномашины смогут подобным образом "строить" макрообъекты, которые совершенно не свойственны естественными (природным) системам.
Молекулярное узнавание в биологических системах имеет огромное значение для реализации принципов самосборки в нанотехнологии. Биомолекулы и надмолекулярные комплексы представляют собой естественные строительные блоки, готовые "опознающие модули" (recognition modules) и целые системы (например, рибосома или комплекс инициации транскрипции). И даже более высоко организованные структуры, такие как вирусы животных и растений и бактериофаги (вирусы бактерий) состоят из нанокомпонентов. Сборкой структур по принципу bottom-up может управлять биологическое узнавание, характерное, например, для специфичных антител. Благодаря высокой специфичности и спонтанности их образования, мультимолекулярные сборки из биомолекул могут служить "умными каркасами" (smart scaffold) для "автоматического" монтажа сложных органических и неорганических наномашин и наноинструментов.
Таким образом, практическое использование биологических систем и достижений биотехнологии идёт в двух главных направлениях (рисунок 2).
Бионанотехнология решает различные задачи, в том числе не связанные с биологией, с помощью сборок из биомолекул. В этом случае роль биологических компонентов заключается главным образом в их специфичности, разнообразии и способности к образованию сложнейших


17

Самособирающиеся (self- assembled) наноструктуры		"Клетка на чипе" (Cell-on-a-Chip)
Металлизация биосборок (bio-assemblies)		Тканевая инженерия на нано­матрицах (nano-templates)
Материалы, созданные по образцу живых систем		Наноматричная (nano-array) диагностика
Биомолекулярная электроника		Квантовые точки (quantum dots) в биологии

>3
3
оз
О
с;
о
X
03
£

1. 3
   VO

   
   

1
£
л:
03
а
о.
§
*
3
о
*
(В
а:


Рисунок 2 - Инструменты бионанотехнологии и нанобиотехнологии


Нанобиотехнология решает биологические задачи с помощью достижений нанотехнологии. Применяемые для этой цели наноструктуры могут быть построены вовсе без биомолекул, а, например, только из кремниевых ("lab-on-a-chip") или углеродных наноструктур (подложки из углеродных нанотрубок для тканевой инженерии). Использование нанотехнологии может произвести переворот в биотехнологии, открыв возможности для ранней диагностики заболеваний, мониторинга


18




медицинских процедур в реальном времени и выращивания тканей в пробирках.
Несмотря на различия между бионанотехнологией и нанобиотехно­логией, во многих случаях происходит объединение этих технологий. Например, биомолекулярные структуры, образовавшиеся путем само­сборки, могут служить в тканевой инженерии как трехмерные матрицы при выращивании сложных органов "в пробирке". Нанокаркас (nano­scaffold) из биомолекул может обладать уникальными свойствами - биосовместимостью и возможностью размещать на нём биологические сигнальные молекулы. И хотя биологические наносборки играют роль неорганических каркасов, но они, в то же время, обладают уникальными свойствами быть связующим звеном (т. е. активно участвовать) в биоло­гических сигнальных каскадах, а если на них размещать ферменты и антитела, то они могут, в принципе, даже усиливать биологические сигналы.

3.