НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Манипуляция изолированными молекулами и измерение их параметров

Дж. Мердэй[17]

Приборы для манипулирования изолированными молекулами и измерения их характеристик предоставляют следующие возможности:

• Манипулирование отдельными молекулами и регулирование физико-хи­мических свойств биологических систем в наноразмерных масштабах, что приведет к коренным изменениям в медицине и биологии (гл. 10).

• По мере миниатюризации электронных устройств они будут приближаться к молекулярным размерам; в таких условиях необходимые значения пара­метров могут достигаться точной установкой отдельных молекул в заданных положениях с помощью соответствующей аппаратуры (гл. 8).

• Повышение эффективности проектирования и создания структурных по­лимеров, адсорбентов и надмолекулярных катализаторов (например, фер­ментов), свойства которых определяются строением, формой укладки и способностью изменять конфигурацию на молекулярном уровне (гл. 7).

Измеряемые в эксперименте молекулярные характеристики обычно пред­ставляют собой величины, усредненные по некоторым статистическим ан­самблям, а не относятся непосредственно к отдельным молекулам. Хотя такие операции усреднения данных хорошо развиты, однако при их проведении пропадает часть ценной, детальной информации, которая (что в нашем случае является весьма существенным) могла бы позволить использовать особенно­сти молекулярного поведения. Измерительная аппаратура нового типа, рас­сматриваемая в этой главе, позволяет изучать системы на уровне отдельных молекул:

Рис. 3.7. Углеродная нанотрубка вокруг элект­рического контакта [19] (© 1999 American Institute of Physics).

• Углеродные нанотрубки. Теоретические оценки необычных электрических и механических свойств углеродных нанотрубок в настоящее время подтвер­ждаются прямыми экспериментальными измерениями характеристик от­дельных нанотрубок (рис. 3.7).

• Молекулярное распознавание. Многие биохимические процессы (включая важнейшие для здоровья реакции иммунного ответа организма) зависят от распознавания на молекулярном уровне и связывания на специфических сайтах (участках) биомолекул. Сейчас возможны непосредственные изме­рения зависимостей (типа нагрузка-смещение) на связанных молекулах (рис. 3.8), что может привести к развитию принципиально новых методов молекулярного распознавания (дискриминационная проба при нагрузке), высокая избирательность и чувствительность которых будут обеспечивать-

Растяжение молекулы полиинозина между двумя поверхностями dC20

©

®

Рис. 3.8. Исследование процесса связывания комплементарной ДНК на АСМ [3] (© 1996 American Vacu­um Society).

ЛМІ

Акт и новая нить| * t.* У* -*■ *■« .Т 1...

ШШІИ

Ьиотин

І Іл6і>ЄДИН11Ц. І

Н и кол ьнитри. ітри-\ \'кс\сная кислота

Шшшшц;

Рис. 3.9. Fi — АТФаза с ак - тиновой нитью, прикреп­ленной к стеклянной под­ложке [45] (© 1997 Macmil - lan Magazines Ltd.).

Ся регистрацией силы связи двух биологических молекул (например, анти­тело/антиген или двух цепей комплементарной ДНК).

• Молекулярные двигатели. Молекулярные двигатели обеспечивают транс­крипцию ДНК, клеточный транспорт и сокращение мышц. Новые измери­тельные микроинструменты позволяют выделить такие двигатели, изучить принципы их действия и приспособить для использования в наноэлектро - механических устройствах, которые будут значительно меньше микроэлек­тромеханических устройств. На их основе, возможно, удастся создать искусственные биологические устройства, внедряемые в организм и ис­пользующие в качестве «топлива» АТФ, как это происходит в нормальных биохимических процессах (рис. 3.9).

В

Рис. 3.10. Оптический пинцет и манипуляция магнитными «бусинками» с использо­ванием флуоресцентных зондов (FRET). [57] (© 1999 American Association for the Advancement of Science).

• Молекулярная укладка. Одна из важнейших проблем биохимии — пробле­ма механизма укладки белков, т. е. вопрос о том, каким образом белок «узнает» о своей конечной конфигурации и быстро ее достигает? Анало­гичные проблемы возникают и в химии структурных полимеров (напри­мер, при их кристаллизации или образовании ламелл). Разнообразная из­мерительная аппаратура (включающая «оптические пинцеты» и т. д.) обеспечивает прямые измерения сил, определяющих молекулярную ук­ладку и динамику соответствующих процессов (рис. 3.10).