Иван Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

Очень активную позицию занимают в русскоязычных ресурсах интернет-издания Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы» ( http://www.portalnano.ru), «Нанометр» ( http://www.nanometr.ru), «Нано Дайджест» ( http://nanodigest.ru), «Российский электронный наножурнал» ( http://www.nanojornal.ru), «Сайт о нанотехнологиях № 1 в России» ( http://www.nanonewsnet.ru), «Официальный сайт потребителей нанотоваров» ( http://www.nanowere.ru) и др.

Несмотря на достаточно насыщенный и плодотворный путь, пройденный нанонаукой, все же стоит отметить, что мы все еще находимся в начале пути ее развития.

Как указывает академик РАН Ю. А. Третьяков, в своем отношении ко всему новому, в том числе к нанотехнологиям, человечество переживает две основные стадии. Необоснованные ожидания через «положительную», а затем «отрицательную» гиперболизацию представляющихся возможностей. В Японии, например, уже выдвигаются «анти-» или «постнанотехнологические» инициативы.

Важно, чтобы своеобразный «нанотехнологический бум» не прошел стороной, не сумев породить в душах и помыслах людей, особенно в сердцах ученых и политиков, ни малейшего желания и энтузиазма для успешного развития нанонауки и наноиндустрии. Однако важно также, чтобы он не захлестнул их с головой, не бросил в пучину спекуляций и ненужного ажиотажа, получившего полууголовное определение «нанопурга».

В 1665 году сын английского священника Роберт Гук (Robert Hooke) в своей работе Micrographia первым опубликовал рисунки обнаруженных им микроорганизмов, за которыми наблюдал через простейший микроскоп собственного изготовления.

После того как голландский торговец и изобретатель Антони ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek) создал свой первый микроскоп с увеличением уже в более чем 200 раз, появилась возможность заглянуть на уровень микрообъектов вооруженным глазом. Оказалось, что окружающий нас мир наполнен разнообразными микроскопическими биологическими созданиями.

В 1683 году Левенгук написал письмо в Королевское научное общество в Лондоне, где описал бактерии «как невероятно большое собрание крошечных организмов». Именно эти биологические наблюдения Левенгука принято считать одними из первых научных исследований в мире. Как заметил еще в I веке до н. э. древнеримский политик и философ Марк Туллий Цицерон, «изучение и наблюдение природы породило науку».

С развитием науки оказалось, что о нанометрической сущности многих на первый взгляд простых объектов, материалов и эффектов мы порой даже и не подозреваем.

Как уже отмечалось, сам термин «нано» изначально появился именно применительно к биологическим объектам.

На семинаре в Германии в 1909 году в Берлинском экологическом обществе известный немецкий биолог Ганс Ломанн (Hans Lohmann) предложил новый термин – нанопланктон. Этим термином он назвал разнородные карликовые (размером менее 5 мкм) микроорганизмы, которые отделяются от воды только с помощью центрифуги, не способны сопротивляться течениям и свободно дрейфуют в толще воды.

Наполнением планктона, который наблюдал ученый только через оптический микроскоп, служат диатомеи, кокколитофориды, бактерии, некоторые простейшие, а также водные растения группы кремниевых жгутиконосцев.

Более того, в настоящее время различают еще и пикопланктон, состоящий из бактерий и наиболее мелких одноклеточных водорослей размером 0,2–2 мкм, а также фемтопланктон из океанических вирусов величиной менее 0,2 мкм. Как видим, их реальные размеры не имеют ничего общего с размерностью системы СИ, но широко используются океанологами всего мира.

Если реальные размеры бактерий исчисляются микрометрами, то белки занимают размерную нишу в диапазоне 4-50 нм. Аминокислоты имеют величину около 1 нм, а размер большинства вирусов – всего от 10 до 200 нм (табл. 4).

Так, вирус гриппа H2N2, вызвавший в 1957 году эпидемию, в результате которой умерли 1–4 млн человек, представляет собой сферу диаметром 80-120 нм (рис. 6).

Таблица 4. Размеры некоторых биологических нанообъектов

Вирусы – это уникальное природное произведение нанобиотехнологий. Сердцевина вируса содержит одну отрицательную цепь рибонуклеопротеинов (РНП), состоящую из восьми частей, которые кодируют десять вирусных белков. Фрагменты РНП имеют общую белковую оболочку, объединяющую их и образующую нуклеопротеид. На поверхности вируса находятся выступы (гликопротеины) – гемагглютинин (названный так из-за способности агглютинировать эритроциты) и нейраминидаза (фермент). Гемагглютинин обеспечивает способность вируса присоединяться к клетке.

Рис. 6. Вирус гриппа H2N2 (диаметр около 100 нм)

До конца XIX века в медицине «вирусом» называли любой инфекционный объект, вызывающий заболевание. Современное определение термин получил только после 1892 года, когда русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский обнаружил «фильтруемость» возбудителя мозаичной болезни табака (табачной мозаики). Он установил, что какие-то вещества клеточного сока из пораженных этой болезнью растений даже после фильтрации от бактерий вызывают то же заболевание у здоровых растений. Так были открыты вирусы.

Отличительная особенность этих и других биологических и биогенных объектов – их способность к агрегации (объединению элементов в одну систему) и самоорганизации. Данные свойства активно используются в нанобиотехнологиях при создании искусственных наноконструкций, обладающих некоторыми свойствами реальных биологических структур.

Характерный пример – различные однокомпонентные и многокомпонентные липосомы – особые мембранные структуры, способные при определенных условиях формироваться из жира или жироподобных веществ (липидов). Уже сейчас различные вирусы эффективно используются в генной трансфекции (модифицировании) клеток. Например, установлено, что аденовирусы (представитель группы ДНК-вирусов) с разрушенной способностью к размножению (саморепликации) имеют потенциальную возможность для использования в местной неинвазивной (без инъекций) вакцинации через кожу (рис. 7). Для направленной доставки лекарственных средств также подходят следующие искусственные биогенные структуры: циклические пептиды, хитозаны, липидные нанотрубки, наночастицы и наноэмульсии, наночастицы на основе нуклеиновых кислот.