Нанонысандар

Лекция 2. Нанонысандар.

 

Қарастыратын сұрақтар:

• Төменмолекулалық бионанонысандар;

Амин  қышқылдары, нуклеотидтер, қарапацым  қанттар, липидтер, биологиялық белсенді заттар – биологиялық макромолекуланың компоненттері және биотехнологиялық процестердің қатысушылары.

• Жоғарымолекулалық бионанонысандар;
• Бионанонысандардың қолданылуы.

 

• Нанобөлшектер;
• Наноталшықтар;
• Нанопленкалар.

 

Наноөлшемді биологиялық нысандар (ағылш. biological nanoobjects) — ең болмаса бір өлшемі 1-100 нм аралығындағы тірі жүйенің компоненттері.

 

Биологиялық нысандарға:

• Белоктар – өлшемдері (1- 1000 нм);
• Нуклеин қышқылдары (ДНҚ (диаметрі – 2 нм, ұзындығы – бірнеше см) және РНҚ);
• Цитоскелет  (қалыңдығы - 7-25 нм, ұзындығы – бірнеше мкм) пен клетка сыртындағы матриксты құрастыратын полисахаридтер;

Матрикстың  құрылымдары - наноөлшемді,

Мысалы,  клеткалардың арасында материал тасымалдайтын экзосомалар мен везикулалардың диаметрі -  65–100 нм, қан плазмасының липопротеин бөлшектері (организмде липидтерді тасымалдайтын бөлшектер  — 8–50 нм (сурет 1).

• Мембрандық каналдар  (белоктық пораның диаметрі – 120 нм), рецепторлар, тасымалдағыштар;
• Клеткаішілік сигнализация жүйесі;
• Белоктарды, нуклеин қышқылдарын синтездейтін, белгілі кеңістік құрылымға жинайтын, ыдырататын молекулярлы машиналар;
• Энергия түзетін молекулярлы станциялар;
• Клетка ішінде әртүрлі қосылыстарды тасымалдайтын машиналар;
• Клетканың қозғалысын қамтамасыз ететін машиналар мен турбиналар.
• Тірі материяның  жалғыз (егер вирусты тіріге жатқызатын болсақ) наноөлшемді формасы  - вирустар, олардың өлшемдері  25–300 нм.

 

Қан плазмасының липопротеиндері — нанонысандардың бір түрі.

Хиломикрондар — 1 мкм, ЛПОНП — тығыздықтары өте төмен липопротеиндер — 30–50 нм, ЛППП — орташа тығыздығы бар липопротеиндер — 40 нм, ЛПНП — тығыздығы төмен липопротеиндер— 17–25 нм, ЛПВП — тығыздығы жоғары липопротеиндер — 8–12 нм.

// Авторлары: д.б.н. Ширинский Владимир Павлович және  к.б.н. Борисенко Григорий Геннадиевич //thesaurus.rusnano.com/wiki/article571

 

Биология мен нанотехнологиияның ұлкен «интерфейсі» бар.

Көрсетілгендей, биологиялық  жүйелер наноөлшемді құрылымды  блоктармен,  молекулярлы машина (моторлардан) тұрады. Олардың ұйымдасуы мен жұмыс принциптері нанотехнологияларға – кең және таптырмас өркен болып табылады.

Сонымен қатар, нанотехнологиялар биологияны қажетті саймандармен, құрал-жабдықтармен, әдістермен, технологиялармен, қамтамасыз етеді және тірі организмнің ұйымдасуын молекулярлы денгейде зерттеуге мүмкіндік тудырады.

Биологиялық құрылымдардың  және жасанды наноматериалдардың сәйкес өлшембірліктері:

• 1) жасанды наноматериалдардың биологиялық және токсикологиялық қасиеттерін зерттеуге мүмкіншілік тудырады,
• 2)  биологиялық нанонысандарды жаңа наноқұрылымдарды жасағанда пайдалануға болады.

 

Наноденгей – кез келген тірі организмді құрайтын (атом) молекулярлы денгейден  ТІРШІЛІК (яғни өз өзін жасайтын, өздігінен құрастырылатын, көбеетін) денгейге дейінгі аралық денгей.

Ал   нанобөлшектер – молекулааралық әрекеттесу арқылы тұрақты супрамолекулярлы құрылымдар, олар жеке молекулалардын күрделі функционалды жүйелерді құрайды.

Суретте көрсетілгендей, наноөлшем атомды-молекулярлы әлемнен Тіршілік әлемінің  арасында орналасқан.

Атом  мен молекулада тек байланыстар мен өзара әрекеттесу болса, Тіршілік әлемінде ол тек қана осы қасиеттермен шектермей, күрделі өз өзін жасайтын, өздігінен құрастырылатын, көбеетін жұйелерге ұйымдасқан.

Бір әлемнен екіншісіне өтуі - бөлшектердің тек өлшемдерімен ғана емес, ұйымдасуының күрделілігімен байланысты.

Табиғат баяғыдан супрамолекулярлы жүйелерді ойлап тауып, оны пайдаланады, ал біз ….

ТАБИҒАТТАН  КӨП ЗАТТЫ үйренуіміз керек!!!

 

 

Табиғи нанонысандармен  наноэффекттер

 

Биологиялық нанонысандар мен наноэффекттер өте көп  және алуан түрлі.

Бактериялардың  өлшемдері – микрометрлі болса, вирустардың көбісі - 10 - 200 нм.

 

 

 

 

 

 

 

 

Мысалы, грипп H2 N2 вирусы (суретте)  – диаметрі  80 -120 нм сфера тәрізді, д ол вирустан  1957 жылы болған эпидемиядан  шамамен 4 млн адам қайтыс болды.

  

 

• Вирустар  — нанобиотехнологияның уникальді «шығармасы». Оның ортасында теріс зарядталған, 8 бөлшектен тұратын  бір рибонуклеопротеиндік (РНП) тізбек бар, ол тізбек 10 вирустық белокты кодтайды.  РНП фрагменттері ортақ  белоктық қабықпен қоршалған. Вирустың бетінде тұйіршектер (гликопротеиндер) — гемагглютинин (олар эритроциттерді байластырады (агглютинациялайды) және нейраминидаза (фермент) орналасқан .
• Гемагглютинин  - вирустың клеткаға қосылуын қамтамасыз етеді.  
  Амин қышқылдарының өлшемдері шамамен  1 нм, ал белоктардың өлшемдері  - 4—50 нм (табл. 1).

Нысан	Қосылыс	Өлшемі, нм
Амин қышқылдары	Глицин  (ең кішкентай)	0,42
	Триптофан (ең үлкен)	0,67
Нуклеотид	Цитозин	0,81
	Гуанин  фосфат	0,86
	Аденозин трифосфат (АТФ, энергетикалық көз)	0,95
Молекула	Хлорофилл	1Д

Белоктар	Инсулин (адам, (полипептидтік гормон)	2,2
	Эластин (клетканың құрылымдық материалы)	5,0
	Гемоглобин	7,0
	Альбумин	9,0
	Липопротеин (холестеринді тасымалдайды)	20,0
	Рибосома	30,0
	Фибриноген (қан ұыйтатын фермент)	50,0

Вирустар	Вирус (адам гриппы H2N2)	100,0
	Вирус табачной мозаики  (ұзындығы)	120,0
	Бактериофаг Т2	140,0
Бактериялар	Ішек таяқшасы Escsherichia coli (E. coli)	8000

• Болжам бойынша – жаңа нанотехнологиялармен вирус бөлшегінің негізінде жылжымалы металлдық, электр тоғын өткізетін бөлшектерді алуға болады. Бұл экспериментке темекі мозаикасының вирусы қолайлы, оның ұзындығы - 120 нм.
• Академик Иосиф Григорьевич Атабеков  // «Поиск» газетінде, 23 мамыр 2008 ж.) – бұл вирусты клеткаға жаңа ген немесе вакцина тасымалдайтын құрал ретінде, яғни дәрілерді тасымалдайтын наноконтейнер ретінде қолдануға болады деп ұсынды.

 

• Дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) – қос, бір-біріне оралған нанотізбектер,  периоды - 3,4 нм және диаметрі - 2 нм (суретте).

 

 

 

 

 

Эволюциондық нанотехнологияның  аса маңызды жетістігінің бірі – ол  Браун және Бостон колледжінің ғалымдарының жұмысы: physorg. com, мәліметі бойынша - ДНҚ-ның генетикалық ақпаратты кодтайтын қабілеттілігіне сүйене отырып, олар цинк оксидінен микроталшықтар жасап шығарды.

 

• Қазіргі уақытта алтын мен жартылайөткізгіштердің нанобөлшектерін кез келген биологиялық молекулаларға бекітуге мүмкіндік бар. Олардың көмегімен биологиялық молекулалардың әрекеттесулерін, құбылыстарын электрондық құралдармен сырттай қадағалауға болады // автор Шугуан Чжан (Shuguang Zhang), Массачусетс технологиялық институтының,  биомедициналық инженерия орталығының директор орынбасары).
• Ұқсас жұмыстардың инициаторы – кванттық физик Джеймс Якобсон ( James Jacobson). Ол жеке атомдар мен молекулалармен жұмыс істейтін  наноөлшемді машиналар шығару үшін  биологиямен шұғылданған.  Ғалым өзіне күрделі мақсат қойған – өте ұсақ компьютерлік чиптер жасау. Қазіргі уақытта – ең кішкентай чиптың үлкендігі 30 нм.
• Бірақ табиғатта, тірі организмде өте кішкентай жүйелер жұмыс істейді: олар күрделі ұйымдасқан және күрделі жұмыстарды атқарады. Әр тірі клетка  — өзінің энергия көзі бар, клеткалық шаруашылығы бар, өндірістері мен жоятын (утилизация) құрылғылары мен әдістері бар биозавод. 

• Дж. Якобсон және оның әріптестері (Биомедициналық инженерия Орталығы) ДНҚ молекуласына  жүздеген атомнан тұратын  ерекше радиоантенна орнатты.

Белгілі толқын ұзындығы бар радиотолқындармен сәулелендіргенде  молекула басқа күйге айналады.  

Биомолекулалармен радиотолқындар көмегімен басқару  — ең заманауи бағыт. Оның көмегімен тірі организмдерді зерттеу әдістерінде және биотехнологияларда революция жасауға болады.

 

  

Геккон -  Ван-дер-Ваальс күшімен  тегіс беттерге тартылады ( J. D. van der Waals).

Нанотехнологиялар негізінде гекконның аяғының талшықтарына ұқсатып, құрылғылар жасауға болады. Қауыпсіз тормоз жүйелері (автомобиль, лифт, т.б.), тігіссіз киім, т.б.

«лотос-эффект» ( Lotus- effect).

 

• XX  ғ.  70-ші жылдары – Бонн университетінің  (ФРГ) ботаниктері В. Бартлотт пен К. Найнуис – кейбір өсімдіктердің жапырағы мен гүлдері былғанбайтынын байқады. Зерттеп, бұл феномен  наносқұрылымды беттермен байланысты екендігін дәлелдеді. Зерттеу нәтижесі патенттелді.  
  Лотос гүлі  буддизмде пәктіктің , тазалықтың белгісі деп есептелетін.
• Тек тазалық емес, өсімдіктер микроорганизмдерден де қорғанған.
• Бұл эффект басқа да өсімдіктерде байқалды (қырыққабат, камыс, водосбор, тюльпан), сонымен қатар жануарларда да (стрекоз, көбелек қанаттары) табылған. Олардың «беттері» түрлі бейорганикалық (шаң, күйе),  биологиялық (саңырауқұлақ, микробтардың, балдырлардың споралары, т.б.) қорғайды.  
  Электрондық микроскоп көмегімен ғалымдар бұл өсімдік пен жануарлардың бетінде жұқа клетка сыртында орналасатын мембраналарды тапты.

 

• Лотос-эффект  - физика-химиялық құбылыстарға негізделген, сондықтан оны кез-келген материалдардан жасауға болады.
• Сондықтан, қазіргі уақытта нанотехнологиялардың бір бағыты – ластануға тұрақты, өзі өзін тазалайтын беттер мен материалдар жасалуда.

Биологиялық жүйелердегі  өздігінен жиналу

 

 Клетка – ол су мен биополимерлердің динамикалық құрылымдарының ұйымдасуы.

Төрт биополимерден  түрлі құрылымдар тұрады: рибосома, мембрана, микрофиламенттер, микротрубочкалар, т.б.

Биомолекулалар мен биологиялық құрылымдардың  (суббөліктерден, мономерлерден) жиналуы – құрылымдық иерархия принципімен жүреді.

 

 

• Биологиялық құрылымдар жеке суббөліктерден құрастырылады.
• Бұл процесс «самосборка – өздігінен жиналу» деп аталады. Көбінде қарапайым әлсіз байланыстар болады.