Имитируя природу, ученые разрабатывают совершенно новые молекулярные модели, которые могут служить кальками для новых материалов и сложных молекулярных машин. Развивающаяся область нанотехнологий использует базовые природные компоненты, такие как аминокислоты, для создания структур вроде пептидов и протеинов, применяемых в медицине и энергетике. Нанобиотехнологи уже начали использовать молекулярную самоорганизацию как способ производства новых нанобиоструктур, таких как нанотрубки для металлического литья, нанокапсулы для лекарств и каркасы из нановолокон для выращивания новых тканей. Помимо этого, уже сконструированы высокоплотные нанометровые фотосистемы и сверхлегкие молекулярные машины, собирающие солнечную энергию. Возможно, при лучшем понимании этого явления, которое сейчас кажется не поддающимся науке, человек когда-то сможет использовать наноприборы для восстановления частей тела или омоложения кожи, расширения возможностей человека, обуздания неограниченной солнечной энергии и других дел, которые сегодня нам кажутся невозможными.

"Примерно 10 тысяч лет назад человек начал одомашнивать животных и культивировать растения. Теперь пришло время приручения молекул."
— Сюзан Линдкист, Институт биомедицинских исследований имени Уайтхеда, Массачусетский технологический институт

Биотехнология, в основном, известна своим применением в медицине и сельском хозяйстве, но сейчас фокус все больше переходит на построение новых биологических материалов и машин с самыми разнообразными структурами, функциями и применениями. Эта тенденция усилилась с приходом нанотехнологий. Нанобиотехнологи учатся у природы, которая создавала и совершенствовала молекулярные структурные конструкции для выполнения бесчисленных конкретных задач на протяжении миллиардов лет, и сейчас создают совершенно новые молекулярные модели - по кусочкам, от простого к сложному - для построения новых материалов и сложных молекулярных машин. Весьма вероятно, что в следующем поколении величайшее влияние на наше общество и мировую экономику окажут такие достижения, как новые материалы, способные восстанавливать поврежденные ткани, и молекулярные машины для добычи солнечной энергии, собранные из мельчайших молекулярных аминокислот и липидов.

Современная биотехнология уже произвела множество полезных продуктов, в том числе инсулин человека и новые вакцины. Но в будущем нас могут ждать еще более революционные открытия. Именно поэтому правительства больших и малых стран, а также местные и глобальные индустрии стараются привлечь биотехнологов и средства. Нет никакого сомнения в том, что биотехнология, опираясь на нанотехнологические средства, расширяется все быстрее, и самое интересное ждет нас впереди.

ИМИТАЦИЯ ПРИРОДЫ

В построении замечательных материалов и молекулярных машин атом за атомом и молекула за молекулой равных природе нет. Ракушки, жемчуг, кораллы, кости, зубы, дерево, шелк, рога, коллаген, мышечные ткани и внеклеточные матрицы - это всего лишь несколько примеров природных материалов. Многофункциональные макромолекулярные агрегаты, такие как гемоглобин, полимеразы и мембранные каналы, по сути, представляют собой потрясающе сконструированные молекулярные машины.

За миллиарды лет молекулярного отбора и эволюции природа выделила основной набор молекулярных элементов, в который входят 20 аминокислот, несколько нуклеотидов - строительных элементов нуклеиновых кислот, таких как рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - примерно десяток молекул липидов и два десятка сахаридов. Из этих на вид простых элементов в ходе естественных процессов создается чрезвычайно разнообразное множество строительных элементов, которые далее могут самоорганизовываться в изощренные структуры, материалы и молекулярные машины, обладающие не только высокой точностью, гибкостью и способностью к коррекции ошибок, но и способностью к самообеспечению и развитию. К примеру, системы фотосинтеза некоторых бактерий и всех растений преобразуют солнечный свет в химическую энергию. В условиях недостатка солнечного света, например, глубоко под водой, фотосистемам необходимо стать более эффективными для получения достаточного количества солнечного света.

В начале 1990-х годов наука и технология вступили в эпоху сконструированных молекулярных материалов, когда биотехнологи начали осваивать манипуляции с природными строительными элементами, хотя бы один из размеров которых был в пределах от одного нанометра (одной миллиардной метра) до 100 нанометров, с целью создания новых молекулярных структур. Так же, как сделанные из глины и воды кирпичи используют при строительстве стен, - к примеру, Великой китайской стены - домов или дорог, основные природные строительные элементы, такие как аминокислоты, можно использовать для создания структур вроде пептидов и протеинов, которые могут применяться в разных областях. Например, у животных растет шерсть, чтобы согревать их, моллюски выращивают ракушки, чтобы защититься, пауки прядут шелк, чтобы ловить насекомых, а наши клетки вырабатывают коллагены, связывающие клетки вместе для образования тканей и органов.

Если уменьшить строительные элементы в миллиард раз до наноразмеров, то молекулярные материалы и машины можно собирать из готовых деталей примерно так же, как из готовых элементов строят дома.

Молекулярные структурные элементы пептиды, образованные из аминокислот, очень важны в разработке новых нанобиологических материалов. В воде и жидкостях организма пептиды образуют хорошо упорядоченные каркасы из нановолкон, которые могут использоваться для выращивания трехмерных тканей и для восстанавливающей медицины. Например, ученые использовали биологические каркасы и клетки для выращивания искусственных хрящей и костей на замену поврежденным тканям. Более того, ученые доказали, что самоорганизующиеся пептидные нановолокна могут мгновенно остановить кровотечение, что очень полезно в хирургии. Новые пептиды оказываются крайне нужными в доставке лекарств, протеинов и генов, так как они могут обволакивать нерастворимые в воде лекарства и доставлять их в клетки и другие части организма. Помимо этого они необходимы для создания био-солнечных молекулярных машин для поглощения энергии, использующих фотосистемы листьев шпината и деревьев.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ

Все биомолекулы, в том числе пептиды и протеины, взаимодействуют естественным образом и способны самоорганизовываться в четкие структуры для выполнения определенных задач. По результатам наблюдений за процессами естественной сборки биологических молекулярных структур нанобиотехнологи начали применение самоорганизации в качестве способа производства новых нанобиоструктур, таких как нанотрубки для металлического литья, нанокапсулы для лекарств и каркасы из нановолокон для выращивания новых тканей.

В процессе молекулярной самоорганизации образуются, в основном, слабые связи, - как если бы люди взялись за руки - которые могут быстро устанавливаться и исчезать. Это разительно отличается от прочного крепления наших рук к телу. По отдельности слабые молекулярные силы весьма незначительны. Вместе же такие слабые взаимодействия, как водородная и ионная связи, играют важнейшую роль во всех биологических структурах и взаимодействиях между ними. Поскольку все биологические материалы взаимодействуют с водой, особенно значимы в биологических системах водородные связи, опосредованные многочисленными молекулами воды, связывающими две отдельные части. Связи, которые можно найти в коллагенах, повышают влажность на более длительный период времени.

Что касается молекулярных строительных элементов, сконструированные пептиды похожи на игрушечные кирпичики в строительном наборе "Лего", сделанные по четкой схеме и способные образовывать правильные структуры. Эти новые молекулярные элементы, часто называемые "Лего-пептидами", спонтанно образуют правильные наноструктуры под воздействием определенных внешних условий.

Лего-пептидные молекулы в воде формируют правильные нановолокна, которые в свою очередь связываются и образуют каркасы. "ПюраМатрикс" - это коммерчески реализованный каркасный материал из нановолокон, который получил свое название благодаря идеальности в качестве биотехнологически разработанного биологического каркаса. Ученые-биомедики во всем мире сейчас используют его для изучения раковых и стволовых клеток и для воссоздания костной ткани.

Наличие в каркасах из нановолокон пор размером от 5 до 200 нанометров и чрезвычайно высокое содержание воды обуславливают возможность их использования в подготовке трехмерного выращивания клеток и тканей и в восстановительной медицине. Помимо этого, благодаря маленьким размерам пор этих каркасов, может быть, их можно будет использовать для постепенного выделения медикаментов, чтобы человеку приходилось принимать лекарство не несколько раз в день, а гораздо реже. Устройство с нанокаркасом для медленного выделения может имплантироваться в кожу с запасом лекарства на месяцы и даже годы.

СОЗДАНИЕ БОЛЬШЕГО ЧИСЛА СТРОИТЕЛЬНЫХ БЛОКОВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР

Новый класс липидоподобных пептидных детергентов был разработан с использованием природных липидов в качестве образца. В эти пептиды входит семь-восемь аминокислот, так что их длина примерно схожа с длиной природных липидов, образующих клеточные стенки в 20 тысяч раз тоньше диаметра человеческого волоса.

Простые липидоподобные пептидные детергенты образуют удивительно сложные и динамические структуры, так же как несколько простых кубиков формируют множество различных, характерных конструкций.

Оказалось, что некоторые пептидные детергенты способны стабилизировать крайне тяжело стабилизирующиеся мембранные протеины - протеиновые молекулы, прикрепленные или связанные с клеточной мембраной - что открывает новые пути к решению одной из самых сложных задач биологии: получению ясной картины повсеместно присутствующих и жизненно необходимых мембранных протеинов.

Многочисленные лекарства оказывают свое воздействие через мембранные протеины. Однако в большой степени неизведанным остается способ взаимодействия лекарств с мембранными протеинами на молекулярном уровне. Сконструированные пептидные детергенты обещают справиться с этой задачей. Понимание природы взаимодействия этих протеинов, возможно, поможет нам производить более эффективные и действенные лекарства с минимальным количеством или вообще без побочных эффектов.

ОБУЗДАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Подробное молекулярное исследование работы мембранных протеинов - это всего лишь упражнение в понимании принципов их работы. Изучая способы взаимодействия клеток с их окружением, мы узнаем, как все живые системы реагируют на внешнюю среду. Используя эти знания, современные нанобиологи научились создавать более изощренные молекулярные машины, способные разрабатывать сверхчувствительные сенсоры для применения в медицине или поглощать био-солнечную энергию. Например, чтобы поставить диагноз, древние китайские врачи нюхали пациента, поскольку считали, что болезни могут изменять запах тела или выделений человека. Современная наука использует несколько методов для постановки точного диагноза. В будущем, возможно, обонятельный сенсор, чувствительный, как нос у собаки, сможет отличить здорового человека от больного. В Великобритании собаки уже доказали свою способность по запаху отличать людей, больных раком.

Никто не станет спорить с тем, что доступная, устойчивая и безопасная для окружающей среды энергия - это залог благополучия современного общества. Проблема энергии в мире стоит сейчас особенно остро с учетом вреда, нанесенного окружающей среде загрязнением от органического топлива, и растущих энергетических потребностей. Сейчас в срочном порядке разрабатываются альтернативные решения, которые раньше долго обсуждались, но почти никогда серьезно не разрабатывались.

Помимо этого все более подвижный характер компьютеризации и связи и создание материалов и молекулярных машин на основе нанотехнологий требует разработки легких и независимых источников энергии меньших размеров. Солнце представляется очевидным источником бесконечной энергии. Природа создала эффективную систему по переработке фотонов в электроны и далее в химическую энергию; растения и другие биологические организмы уже миллиарды лет используют эту систему.

Большая часть энергии на земле получается путем фотосинтеза в фотосистемах - самых эффективных энергодобывающих системах. Если разработать способ добычи энергии, производимой природными фотосистемами, это даст нам чистый и практически неисчерпаемый источник энергии.

Позаимствовав идею у энергодобывающих фотосистем бактерий и растений, нанобиотехнологи уже доказали, что фотоны можно непосредственно превратить в электроны с помощью новых био-солнечных молекулярных машин. Используя сочетание точного машиностроения и биоинженерии фотосистемы, была сконструирована сверхплотная нанометровая фотосистема и сверхлегкие молекулярные машины, добывающие солнечную энергию.

Для создания био-солнечной энергодобывающей молекулярной машины требуются два важнейших элемента: производящая энергию био-солнечная система (фотосистема) из листьев растений и сконструированные пептидные детергенты. Упрощенная фотосистема использовалась для производства био-солнечной энергии. Изначально ученые получали фотосинтетические системы из листьев шпината, а недавно для тех же целей были успешно применены клен, сосна, дуб и листья бамбука. Весь фотосинтетический комплекс, высотой всего лишь около 20 нанометров, был вертикально монтирован на золотую поверхность.

Сейчас продолжаются эксперименты для изыскания путей повышения производительности и срока службы этих чудесных новых молекулярных энергодобывающих машин (Рисунок 1).

ЧТО ВПЕРЕДИ?

Постоянное усовершенствование нанобиотехнологических материалов и молекулярных машин поможет нам лучше понять это явление, которое сейчас кажется не поддающимся науке. Наноинженерия с использованием молекулярного дизайна самоорганизующихся пептидов - это высокоэффективная технология, которая должна сыграть важную роль в будущем биотехнологии и в ближайшие десятилетия может изменить нашу жизнь. К примеру, стареющие или поврежденные ткани можно будет заменить на каркасы, стимулирующие клетки к восстановлению частей тела или омоложению кожи. Возможно, закрепленный в легких аппарат из нанокаркаса, несущий дополнительный запас кислорода, позволит нам плавать и нырять, как дельфины, или забираться высоко в горы. Можно представить себе покрытие машин и домов фотосинтетическими молекулярными машинами, способными добывать неограниченную солнечную энергию для всех людей во всех уголках земли, независимо от их достатка.

Мы находимся только в самом начале захватывающего пути, и впереди нас ждет много неожиданных открытий. Несмотря на трудности в работе, нанотехнологи продолжают исследовать вопросы, касающиеся молекулярного производства композитных материалов и молекулярных машин. Биотехнические самоорганизующиеся пептиды можно рассматривать в качестве строительных элементов для создания новых материалов и для производства молекулярных машин будущего, сконструированных человеком. Эти пептиды также могут разрабатываться в виде комбинаций для объединения с другими строительными элементами, такими как сахариды, липиды, нуклеиновые кислоты и многочисленные металлические кристаллы. Природа вдохновила нас и открыла нам свои секреты. Теперь дело за способностью нашего воображения создавать новое на базе природных материалов и молекулярных машин.

Мнения, высказываемые в этой статье, не обязательно отражают взгляды или политику правительства США.