Применение нанотехнологий (1075549), страница 23

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 23)

Ученым института Rensselaer Polytechnic Institute удалось придумать довольно интересное и необычное применение нанотехнологий. Новое тату представляет из себя устройство, встраиваемое в кожу человека, к слову оно будет тоньше человеческого волоса и будет служить в качестве татуировки.

Нанодисплей – устройство, которое будет отображать разнообразные картинки даже в обесточенном состоянии. Такой аппарат далеко не простой, состоит он из 3 миллионов нанороботов, излучающих свет и способных самоупорядочиваться в нужном порядке.

К сожалению, исследователи пока не готовы «вывести в люди» полученное устройство, но они далеко шагнули вперёд. Сегодня имеется энергоэкономическое устройство, управляемое WPAN (Wireless Personal Area Network).

Очень возможно, что в роли татуировок сможет выступать и жизненно необходимая информация: пульс, давление, уровень холестерина в крови и т.п., средство коммуникации или просто симпатичная картинка.

Пока что готового решения у исследователей нет, есть только концепция энергоэкономичного устройства с поддержкой Wireless Personal Area Network (WPAN), которое бы управлялось по Wi-Fi с сервера или PDA и открывало новые интересные возможности потенциальным пользователям.

Это могут быть как жизненно необходимые вещи — подкожный дисплей, отображающий медицинские данные человека, так и разного рода «нательные» сообщения другим людям с целью коммуникаций или самовыражения.

1. Криосохранение

Итак, замороженное тело может храниться в жидком азоте в течение столетий практически без изменений. Возможность восстановления организма на молекулярном уровне в будущем связывают с развитием нанотехнологий, а именно молекулярных нанороботов в стиле Фрайтаса. Крионисты описывают гипотетическую процедуру размораживания следующим образом:

1. Замороженное тело, извлеченное из криостата, начинает постепенно оттаивать и в него внедряется огромное количество молекулярных роботов.

2. Они анализируют повреждения, возникшие в клетках организма при его смерти, замораживании и хранении, обмениваясь информацией между собой и с суперкомпьютером вне тела.

3. На основе этого анализа роботы производят исправление всех повреждений (восстанавливают клеточные мембраны и органеллы и т. д.). Кроме этого, они производят омолаживание лечение каждой клетки (а значит, и всего организма), т. е. оживлен будет не старый и больной организм, а здоровый и молодой.

4. По окончании работы молекулярные роботы покидают оживленное тело через кровеносную и дыхательную систему.

1. Биорегуляторы

Пожалуй, в медицине нанотехнологии первыми взяли на вооружение косметологи. В производстве косметических кремов уже несколько лет используются липидные наносферы, диаметр которых варьирует в пределах 50 — 200 нанометров. Они могут транспортировать глубоко в кожу жирорастворимые биодобавки (например, витамины, ценные масла и др.), способствуют поддержанию структуры кожи, усиливают ее сопротивляемость неблагоприятным внешним факторам, предохраняют от потери влаги, тем самым, препятствуют образованию морщин. Конечно, данный пример является далеко не единственным.

В последние годы на базе двух подразделений научно-исследовательских Институтов РАН проводится грандиозное исследование. Работа коллектива российских ученых посвящена исследованию процессов передачи информации в живой среде. Выяснилось, что матрицей при этом является наноструктурированная вода организма, а свойства ее определяют особые белки-биорегуляторы.

Специалисты дали им название ASM (ASM — aqua structure manager, что буквально означает «управляющие структурой воды»). Строение этих белков достаточно сложное, но удалось выяснить, что их молекулы всегда в водных растворах существуют в виде наночастиц размером около 100 нм.

Белки-биорегуляторы были обнаружены в растениях, в том числе и лекарственных. Установлено, что целебные свойства соответствующего растения связаны с его ASM. Например, ASM, выделенный из подорожника проявляет выраженное ранозаживляющее действие, из чистотела — тормозит развитие злокачественных опухолей, из листьев лесного ореха или каштана, стимулируют процессы кровообращения, препятствуют образованию тромбов.

Такие композиции оказываются исключительно эффективными при лечении ряда заболеваний, а также полезными в целях профилактики соответствующих патологий. При введении в организм ASM не вызывают развития аллергических и каких-либо других неблагоприятных реакций со стороны отдельных тканей и всего организма.

В результате многолетних углубленных исследований российскими специалистами были разработаны лечебно-профилактические препараты нового поколения (NOMMO). Основой для их создания послужили белки-биорегуляторы наиболее эффективных лекарственных растений, собранных в экологически чистой зоне и растворенных в природной структурированной воде. Эти лекарства, бесспорно, относятся к нанопрепаратам, так как основные их компоненты имеют микроскопические размеры и являются биологически активными именно в сверхмалых дозах, свыше 10 —12, моль/л.

1. Генный анализ и инженерия

Ученые уже расшифровали структуру генома человека, состоящего из 30 тыс. генов. Это примерно 3 млрд нуклеотидов, играющих роль своеобразных букв при записи наследственной информации. Также известно, в какой части гигантской «книги ДНК» записан каждый ген. Большинство болезней спровоцированы «сбоями», вызванными мутациями в генах, поэтому при медицинском обследовании важно знать, есть ли у пациента врожденная предрасположенность к каким-либо заболеваниям, вызванная наследственными «ошибками» в ДНК.

В настоящее время это делается с помощью микрочипов. На каждом квадратном миллиметре такого устройства нанесено примерно 100 квантовых точек, к каждой из которых пришит свой зонд, способный специфически связываться с определенным фрагментом ДНК и таким образом тестировать ее.

Общий принцип тестирования следующий. Допустим, нужно выяснить, нет ли у человека предрасположенности к болезни Альцгеймера или к сердечной недостаточности. Для этого у него берется анализ крови и определяется, присутствует ли там ген, мутации которого вызывают данный недуг. Затем в лабораторных условиях синтезируется небольшой фрагмент ДНК размером, например, в сто нуклеотидов. При этом только в данном гене из всех 30 тыс. имеющихся существует такая последовательность. Фрагмент пришивается к квантовой точке и помещается в определенную ячейку на чипе, другой специфичный фрагмент пришивается к другой квантовой точке и вводится в следующую ячейку и т.д.

После того как на чип наносится капелька крови, происходит связывание пришитых к квантовым точкам зондов с определенными фрагментами ДНК. Далее с помощью компьютера, оснащенного микроскопом, «просматриваются» последовательно все ячейки. Если в каждой квантовой точке изменился цвет, значит, произошло связывание со всеми генами, которые тестирует данный микрочип, и у человека с ними все в порядке. Если же в какой-то ячейке цвет не изменился, значит, связывание там не произошло, и, следовательно, в соответствующем гене имеется «поломка», т.е. нарушение в последовательности нуклеотидов. После чего выясняется, в каком именно месте гена расположена поломка. Если она в том кусочке, который отвечает за болезнь Альцгеймера, то, значит, имеется предрасположенность к этому недугу.

Сейчас уже созданы микрочипы, в которых количество ячеек измеряется десятками тысяч, и в каждой – индикатор на определенный фрагмент человеческой ДНК. Они могут принадлежать одному гену или разным – в зависимости от поставленной задачи. Сегодня с помощью квантовых точек можно диагностировать не только наследственные заболевания, но также различные инфекции и т.д. Существует «специализация» чипов. Например, один сделан для всех сердечно-сосудистых заболеваний, второй – для эндокринных, третий – для онкологических. Чип с капелькой исследуемой крови кладут под микроскоп, специальная программа считывает все точки, информация обрабатывается на компьютере, и диагноз по данной болезни готов.

К сожалению, данная технология не позволяет провести полную генетическую диагностику человека. Наследственная информация, содержащаяся в ДНК, столь велика, что для этого потребуются миллионы специализированных микрочипов. Но если освоить технологию изготовления наночипов с размером ячейки около 100 нанометров или даже еще меньше, то можно будет увеличить его информативность в миллионы раз. Наночиповая технология позволит при использовании всего одного квадратного сантиметра произвести диагностику человека по всем генам и мутациям. Достаточно одной капли крови – и можно узнать все о генетическом здоровье человека. Ожидается, что уже в ближайшие годы будет сконструирован наночип, на который можно нанести весь геном человека.

Туннельный эффект поможет в генной медицине XXI века

Одно из самых загадочных свойств материи – туннельный квантовый эффект вместе с нанотехнологиями могут помочь в создании точных и недорогих устройств для секвенирования генома.

Стюарт Линдсей (Stuart Lindsay) и его коллеги из Института Биодизайна (Biodesign Institute), части Университета Штата Аризоны (Arizona State University), сообщили в текущем выпуске журнала Nature Nanotechnology Letters о создании нового метода ДНК-секвенирования.

Десятилетие назад секвенирование генома человека было одним из самых громких научных достижений XX века. Сегодня задача по секвенированию 3х миллиардов оснований никого не удивляет, но и не является столь простой задачей. Необходимо помнить, что задача по секвенированию человеческого генома заняла 11 лет и стоила почти миллиард долларов США. При этом использовалась «грубая вычислительная сила» в виде суперкомпьютеров.

Также общеизвестно, что для генной медицины нужно знание не только «человеческого генома» в общем, а набора нуклеотидов ДНК вполне конкретного пациента. На данный момент ни одна технология по секвенированию не позволят считать «на лету» ДНК человека быстро и недорого. Поэтому ученые несколько лет пытаются использовать последние достижения нанотехнологий и микроэлектроники для улучшения секвенаторов. Отдельные ученые предлагают принципиально новые методы их работы.

Основная задача ДНК-секвенатора – точно определить последовательность из четырех оснований – аденина, цитозина, гуанина и тимина. Обычно для этого требуется разбить исходную ДНК на сотни фрагментов, которые обрабатываются параллельно, а затем, с помощью суперкомпьютера все части расшифрованного генома «сшиваются» в один.

Рис. 1. Принцип туннельного секвенирования

Профессор Стюарт Линдсей задумался насчет эффективности подобного секвенирования и решил выяснить, какие же фундаментальные причины мешают более эффективно расшифровать геном.

Оказалось – ширина инструмента, «читающего» последовательность! Как бы не проходила процедура секвенирования, все равно расстояние между двумя основаниями пар нуклеотидов меньше длины инструмента! Поэтому, как подумал Линдсей, необходимо найти альтернативный способ для идентификации оснований.

Выход нашелся сравнительно быстро – на этот раз ученым помогли фундаментальные принципы квантовой механики – туннельный эффект. Туннельный эффект – это возможность элементарной частицы, например электрона, пройти (протуннелировать) через потенциальный барьер, когда барьер выше полной энергии частицы. Возможность существования туннельного эффекта в микромире была понята физиками в период создания квантовой механики, в 20–30-х годах XX века. В дальнейшем за счет туннельного эффекта были объяснены некоторые весьма важные явления, обнаруженные экспериментально в различных областях физики. Туннельный эффект является принципиально квантово-механическим эффектом, не имеющим аналога в классической механике. В этом основной интерес туннельного эффекта для физики и физиков.

Рис. 2. Измерение туннельного тока пары гуанин-цитозин и аденин-тимин

Линдсей решил использовать это полезное явление для секвенирования. В качестве основных исследовательских инструментов выступили сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ). Если кончику СТМ ученые прикрепляли один из нуклеотидов, то ведя им вдоль развернутого фрагмента ДНК он встречался с комплементарным ему участком (например гуанин-цитозин), срабатывали водородные химические связи, и ученые видели туннельный ток, протекающий через нуклеотиды.

Давайте представим себе, что есть достаточно точные системы позиционирования молекулы ДНК и быстрое устройство наподобие СТМ с прикрепленными нуклеотидами – тогда остается полностью «просканировать» весь фрагмент, получив сразу полную картину генома. Теоретически это открывает принципиально новую технологию распознавания базовых оснований!

Воодушевившись полученными результатами, исследователи провели измерения туннельного тока, протекающего по парам аденин-тимин и цитозин-гуанин. Оказалось, что сила туннельного тока при равных расстояниях выше в цитозин-гуаниновых парах, имеющих три водородные связи, а пары аденин-тимин, с двумя водородными связями, проводят ток хуже.

Именно это позволило Линдсею сделать вывод о двойном преимуществе туннельного метода распознавания – кроме самого формирования туннельного канала для протекания электронов при совпадении комплементарных пар, можно еще и уточнить значение тока, протекающего через основания, что в очередной раз идентифицирует пару оснований.

То, что пары Г-Ц и А-Т связаны разным количеством водородных связей Линдсей назвал невероятной удачей, иначе распознать их с помощью этого метода было бы гораздо трудней.

Располагая быстродействующим оборудованием, Линдсей уверен, что на основе туннельный метода идентификации базовых пар удастся сделать секвенатор, способный анализировать тысячи базовых пар за секунду! А это уже ощутимый шаг к появлению экспресс-анализаторов, так необходимых генной медицине. На сегодняшний день профессор и его коллеги заняты совершенствованием СТМ-микроскопа для того, чтобы он мог «нести на себе» несколько типов базовых оснований, что существенно ускорит процесс анализа. Будем надеяться, что в скором времени мы сможем увидеть развитие этой техники секвенирования.

1. Нанокапсулы

Нанокапсулы для лекарств и ядов. Учёные из американской лаборатории Беркли (Berkeley Lab) определили, что в процессе диффузии твердых материалов образуются идеальные нанокапсулы. Они проводили опыты с нанокристаллами кобальта (шарики, насчитывающие лишь несколько тысяч атомов) и поместили их в серу. На первый взгляд, результат был ожидаемый — образовались шарики сульфида кобальта. Но вот рассмотрев их под электронным микроскопом внимательнее, учёные удивились — это были не шары, а полые сферы. Учёныепопробовали повторить процесс с другими парами материалов: кобальт и кислород, железо и кислород, кадмий и сера… Всё повторялось в точности.

Характеристики

Список файлов книги