использование нанотехнологий в микробиологической практике
Вкусы вредителей можно поменять
Одним из важнейших направлений нанотехнологий в биологии должно стать целенаправленное изменение взаимоотношений вирусов, бактерий, бактероидов с высшими растениями.
Каждому живому существу в борьбе за жизнь приходится решать множество разнообразных по сложности проблем. Ему нужно из окружающей среды получать необходимые питательные вещества и минералы и в то же время избавляться от отходов жизнедеятельности, синтезировать самостоятельно недостающие вещества, добывать энергию, необходимую для энергоемких химических и физических процессов; находить подходящих партнеров для обмена наследственным материалом; заботиться о потомстве; защищаться от хищников — и все это в переменчивой, далеко не всегда благоприятной внешней среде.
Требования, предъявляемые жизнью к каждому отдельному организму, не только многочисленны и разнообразны — они очень часто еще и противоречивы. Невозможно оптимизировать сложную систему сразу по всем параметрам: чтобы добиться совершенства в чем-то одном, приходится жертвовать другим.
Поэтому эволюция — это вечный поиск компромисса, и отсюда следует неизбежная ограниченность возможностей любого отдельно взятого живого существа. Самый простой и эффективный путь преодоления этой ограниченности — симбиоз, то есть кооперация «специалистов разного профиля», например, растений с микроорганизмами, способными переводить азот из атмосферы.
Можно утверждать, что симбиоз — не просто очень широко распространенное явление. Это магистральный путь эволюции, без которого прогрессивное развитие жизни на Земле было бы крайне затруднено, если вообще возможно.
На симбиозе были основаны многие важнейшие ароморфозы (прогрессивные преобразования), из которых самый значительный — формирование эукариотической (ядерной) клетки, той основы, из которой в дальнейшем развились все высшие формы жизни (животные, растения, грибы).
На примере симбиоза природа демонстрирует нам, как можно решать сложные вопросы положительного взаимодействия микроорганизмов и высших растений, как в период напряженного энергетического кризиса можно обходиться меньшими затратами энергии. В этом, по нашему убеждению, и заключается необходимость применения в полном объеме нанотехнологий в биологии.
Молодые клубеньковые бактерии размером 0,5—0,9; 1,2—3,0 мк неспороносны, подвижны, аэробны, величина их в 1000 раз больше нанометра и с помощью нанотехнологии их можно обеспечить информацией или использовать как «бактерию-извозчик» для осуществления симбиоза не только с бобовыми, но и другими семействами культурных растений.
Научный потенциал и база для проведения таких исследований в Украине имеются: Институт сельскохозяйственной микробиологии УААН, Институт агроэкологии, Южный биотехнологический центр растениеводства, Институт защиты растений — УААН, Институт физиологии растений и генетики, Институт клеточной биологии и генной инженерии, Институт микробиологии и вирусологии им. Д. Заболотного — НАНУ.
В УААН накоплен большой опыт и научно-исследовательский материал по вопросам азотофиксации, создан большой банк штаммов азотофиксирующих бактерий. Такие исследования при надлежащем финансировании уже могли бы быть начаты. Но мы сегодня экономим копейки, чтобы завтра потратить впустую миллионы.
Спектр применения нанотехнологий в аграрном производстве многогранен.
Leptinotarsa decemlineata (колорадский жук)
Всем известна проблема с «гостем» наших картофельных полей из Америки — колорадским жуком. Чего только ни предлагали в борьбе с ним — от сильнодействующих ядов до трансгенного картофеля, который, по данным Института картофелеводства УААН, уже благополучно поедают отдельные особи этого насекомого. Вероятно, не тот путь был избран для решения этой проблемы. Изменчивость насекомых с учетом их многочисленности и плодовитости во много раз превосходит изменения, происходящие в растениях.
Так почему бы не использовать эти особенности и, применяя нанотехнологии, не изменить кормовую базу колорадского жука? Чтобы он с удовольствием поедал осот, а не картофель. Фантастика? Но она может стать реальностью. При нанотехнологиях следует коренным образом пересмотреть подход к решению многих проблем, поставив их с головы на ноги.
Помнится, в 70-е и 90-е годы прошлого столетия в Крыму наблюдалось нашествие обычно безобидного лугового мотылька. Но в те годы он вдруг стал всеядным вредителем, который за ночь опустошал поля подсолнечника и люцерны, свеклы и кукурузы. Однако когда на пути у него стало поле сои, относительно чистое от сорняков, он уничтожил все сорняки и не затронул сою. Вот так надо изменить «вкусы» колорадского жука, чтобы ему захотелось другой пищи.
Рашид Башир, работающий над проблемой доставки лекарств в Центре нанотехнологий в Барке, смог поместить наночастицы на поверхность бактерии, связав их с отрезками ДНК. Размеры наночастиц — от 40 до 200 нанометров. Ученые прикрепили их к поверхности бактерии специальными молекулами-линкерами. На одной бактерии можно разместить до нескольких сотен наночастиц, расширив таким образом количество и типы доставляемых грузов.
Так как бактерии обладают естественной способностью проникать в живые клетки, на сегодняшний день они являются идеальными кандидатами для доставки лекарств. Особенно это ценно в генной терапии, где необходимо доставить фрагменты ДНК по назначению, не убив при этом здоровую клетку.
После того, как гены попадают в клеточное ядро, оно начинает вырабатывать специфические белки, корректируя таким образом генетическое заболевание. Как говорит Р.Башир, подобным образом можно доставлять внутрь клеток лекарства или же диагностические агенты.
Этот метод мог бы стать основополагающим в диагностике и лечении сельскохозяйственных животных и на ранних стадиях предупреждать опасные эпидемии, повышать устойчивость организма животных к таким болезням. Тем более, что многие вирусы имеют размер 10 нм, а 1 нм почти точно соответствует размеру белковых молекул (в частности, радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен именно 1 нм).
Каждая частица квантовой системы каким-то загадочным образом «знает» о том, что происходит с другими частицами. Познав этот механизм, мы должны применить его на благо цивилизации.
Федор АДАМЕНЬ (профессор, доктор сельскохозяйственных наук)
Разумные вещи предлагает профессор. Прямо хоть составляй программу исследований в данной области для целого НИИ или даже группы НИИ. Хорошо бы и завязать научное сотрудничество между профильными институттами наших стран по данной тематике. Это (плюс грамотное разделение труда) помогло бы нам всем быстрее и дальше продвинуться в данной области и быстрее добиться важных практических результатов…
НАНОТЕХНОЛОГИИ И МИКРООРГАНИЗМЫ
Слова «нанотехнологии», «наночастицы», «на- Номатериалы» в последнее время звучат все чаще и чаще. Манипуляции в масштабе отдельных атомов и молекул, где единицами измерения служат нанометры, то есть величины, составляющие 10‘9м (одну миллионную часть миллиметра), позволяют создавать новые структурированные материалы с уникальными свойствами.
Привлекательность нанотехнологий для науки, промышленности и медицины состоит в том, что они позволяют манипулировать с веществом на уровне отдельных атомов и молекул; с их помощью создают материалы с уникальной структурой: углеродные нанотрубки, тончайшие полупроводниковые покрытия, особо прочные нанокомпозиты.
Исходным «сырьем» для производства нанопродукции могут выступать не только углерод, кремний, металлы, но и «строительные белки» биологической природы!
В процессе эволюции биологические молекулы приобрели свойства, которые делают их весьма привлекательными для применения в нанотехнологии. Во-первых, следует отметить химическое многообразие биологических «кирпичиков» (аминокислот, липидов, нуклеотидов). Во-вторых, они склонны к спонтанному образованию сложных пространственных структур. В-третьих, регулируемая сборка «строительных блоков» может идти различными путями, что открывает возможность создания самых различных наноконструкций [107].
Иерархия самособирающихся биологических структур начинается с мономеров, то есть нуклеотидов и нуклеозидов, аминокислот, липидов. Они образуют полимеры, такие как ДНК, РНК, белки, полисахариды. Полимеры организуются в ансамбли (мембраны, органеллы).
Использование биологических молекул для синтеза искусственных наноструктур на основе принципов, предлагаемых природой, выглядит вполне естественным. В результате самосборки можно получать вещества с уникальными свойствами, в частности, создавать химерные молекулы, содержащие в своем составе, например, аминокислоты и синтетические органические цепи. А это открывает фантастические возможности для конструирования наноматериалов и «переноса» биополимеров из мира биологии в мир техники.
С точки зрения удобства наносборки, среди разнообразия биологических соединений выделяются нуклеиновые кислоты. Почему именно они? У нуклеиновых кислот есть несколько характерных особенностей: короткие (длиной 50-100 нм) двухцепочечные молекулы ДНК и РНК имеют довольно высокую жесткость, а потому их удобно использовать в качестве «строительных блоков». В то же время одноцепочечная нуклеиновая кислота сохраняет гибкость и, кроме того, обладает способностью узнавать комплементарную ей цепочку. Две такие цепочки легко «слипаются» вместе благодаря образованию водородных связей. Если у двухцепочечных молекул есть на концах одноцепочечные «хвостики» (их называют липкими концами), то можно присоединять другие цепочки и формировать места разветвления. А это позволяет создавать плоские пространственные структуры.
Средства современной биотехнологии позволяют производить в промышленных масштабах одноцепочечные и двухцепочечные молекулы нуклеиновых кислот с заранее заданными последовательностями азотистых оснований, поэтому недостатка в «строительных блоках» для наносборки нет.
Конструирование «шаг за шагом». Этот подход, основанный на последовательной модификации исходной молекулы двухцепочечной нуклеиновой кислоты, или синтетического полинуклеотида, был теоретически обоснован в 1982 г. в работе американского химика Неда Зимана [107].
Первый шаг — получение фрагментов ДНК с липкими одноцепочечными концами. Это можно сделать биохимическими методами или путем прямого химического синтеза.
Второй шаг состоит в том, чтобы создать точку ветвления, необходимую дця формирования крестообразной структуры. Это возможно при использовании фрагментов ДНК со специфической последовательностью азотистых оснований. Крестообразные структуры совсем не экзотика. Они встречаются в составе молекул ДНК, выделенных из бактерий. Это дает перспективу использования микроорганизмов в создании различных уникальных конструкций, с различными свойствами и размерами. В перспективе с усвоения информационных технологий, применимых к микроорганизмам, можно будет с минимальными затратами создавать любую конструкцию биологического и технического назначения.
Технология Зимана красива, но сопряжена с большими экономическими затратами. Для ее применения нужны отрезки нуклеиновых кислот с заданной последовательностью азотистых оснований и целый арсенал ферментов — рестриказ и лигаз — для расщепления и сшивания фрагментов ДНК в нужных местах. Готовые продукты необходимо аккуратно извлечь из реакционной смеси и провести тщательный анализ их свойств. На всех стадиях такого наноконструирования требуются современные методы контроля, в частности атомная силовая микроскопия.
В противоположность — перспективы информационно-микробной технологии, где всю работу выполнят «обученные» микроорганизмы. К примеру, дом, как известно, строят из камней, кирпичей, дерева, из монолитного железобетона. А можно и вырастить при помощи микроорганизмов. Вначале создается архитектурный проект. Затем строится легкий каркас из оргстекла — скелет сооружения. После чего пустоты каркаса заполняются микробной культурой вместе с сырьем органического питания. Фантастика? Ничуть. Это возможный вариант строительства домов в недалеком будущем.
В процессе жизнедеятельности микроорганизмов образуется глеяподобное вещество— гибкая целлюлоза (зооглея), которая постепенно покрывает все пространство каркаса.
В Лос-Анджелесе, на международном конкурсе, дизайнеры из «Mercedes-Benz» представили концепт автомобиля будущего— Biome. Такому средству передвижения не понадобится завод, скорее — лаборатория. Его в прямом смысле будут выращивать — фантазируют авторы. «Таким образом, мы представляем себе идеальную машину будущего.
Это гибридный автомобиль, который будет частью земной экосистемы», — говорит Хуберт Ли, глава дизайнерского бюро. В основу креативщики закладывают биоматериал, сходный с желе, но изготовленный из водорослей. Он будет легче металла и пластика, но твердым, как сталь. Готовая машина при этом будет весить чуть меньше 400 килограммов. Автомобиль, таким,образом, будет полностью экологичным. По причине лабораторного происхождения в такой фантастической машине не будет ничего вредного. По истечении срока эксплуатации ее можно будет полностью переработать. Подпитываться такой автомобиль станет от энергии солнца. А выращивать его смогут по желанию клиента. То есть двух одинаковых машин может и не оказаться. Заказчики будут вольны создавать собственный дизайн будущего средства передвижения. ‘
Еще одно интересное исследование продемонстрировали американские ученые: прямую передачу электроэнергии по «нанопроводам» между двумя видами бактерий, необходимую для переработки питательных веществ. Перенос электроэнергии между бактериями был известен ученым и раньше, однако до сих пор считалось, что он происходит через частицу-посредник — протон Н+, переходящий через жидкую среду, в которой обитают организмы, от одной клетки к другой.
Как сообщает РИА «Новости», команда Дарека Лавли из Массачусетского университета в Амресте (США) продемонстрировала новый, ранее неизвестный способ передачи электричества между бактериями.
В своей работе команда ученых использовала два вида бактерий— Geobacter mettalirebucens и Geobacter sulfurreducens. Первый вид может перерабатывать этиловый спирт в энергию, однако побочным продуктом этого процесса являются высвобождающиеся электроны, которые бактерии нужно куда-то «слить». Второй вид перерабатывать этанол не может, однако способен использовать внешние электроны для собственных нужд. Ученые ожидали, что перенос электронов между культурами этих бактерий, помещенных в лабораторных условиях совместно в питательную среду, будет происходить за счет транспорта протонов. Однако взаимодействие бактерий происходит изначально очень медленно с низким поглощением и переработкой этанола. Впрочем, за несколько месяцев совместной эволюции бактерии сумели образовать сообщества — шарообразные колонии, содержащие представителей обоих видов, окрашенные в красный цвет. При этом потребление этанола бактериями резко возросло. Красный цвет колоний был обусловлен образованием белка цитохрома, который производят оба вида бактерий. Генетически заблокировав работу механизмов, позволяющих бактериям передавать электричество в форме частиц-посредников — протонов, ученые обнаружили, что бактерии все равно обладают возможностью образовывать колонии и перерабатывать этанол.
Как выяснилось позднее, способность видов совместно перерабатывать питательные вещества зависит от их способности «выращивать» провода из электропроводящего белка цитохрома, которыми они соединяются друг с другом и совместно выполняют работу по разложению этанола.
Эксперты полагают, что такие связи между клетками могут существовать и в человеческом организме, что может быть использовано для изучения болезней и разработки новых типов лекарств.
«Откуда же сознание извлекает огромный объем информации? Характерно, что почти все знания точных наук получены не формальнологическим путем, а посредством интуиции. Эту связь можно было бы объяснить наличием некоего “информационного банка”, с которым и взаимодействует сознание. Сам банк информации предстает при этом множеством самостоятельных устойчивых объектов типа фантомов, которые, однако, не порождены индивидуальным сознанием, а являются отражением универсальных идей, существующих как бы вне времени и пространства, а мозг — своеобразным биокомпьютером.
Есть основание полагать, что новое знание возникает как продукт взаимодействия сознания с внешней средой, с неким информационным полем, причем это взаимодействие по своей природе является психофизическим».
Академик А. Е. Акимов
Две связанные друг с другом «особо значимые» задачи, стоящие сегодня перед исследовательскими лабораториями, — создание стабильного материала с высокой плотностью записи информации и поиск новых надежных способов хранения данных. Похоже, что их решение удастся найти в ближайшем будущем, пишут в журнале «Наука и жизнь» [109].
Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной исследовательской лаборатории нашли новый способ хранения данных. Учитывая, что все существующие сегодня носители информации достаточно легко уничтожить, они предложили использовать для записи ДНК бактерий. По расчетам разработчиков нового метода, такая форма хранения информации обладает очень высокой i надежностью. В ходе экспериментов были использованы наиболее устойчивые и широко распространенные колонии бактерий кишечной палочки Escherichia coli и Deinococcus radioburans, которые способны выдержать большие перепады температуры и длительное воздействие УФ- излучения.
Суть новой технологии описана в журнале «New Scientist». Она заключается в том, что данные «переводятся» в код оснований ДНК, затем в соответствии с полученной последовательностью формируются искусственные нити ДНК, которые и внедряются в бактерии. Во время кодирования данных начало и конец каждой вновь создаваемой нити ДНК снабжаются специальными метками,
не позволяющими бактерии уничтожить чужеродную цепочку подобно тому, как она уничтожает вирусы. В результате информацию, зашифрованную в бактерии, можно извлечь даже спустя сотни лет.
Применение микроорганизмов в нанотехнологии
Применение микроорганизмов в нанотехнологии
Например, ученые начинают использовать микроорганизмы для сборки кристаллов в сложные геометрические структуры или в качестве живой матрицы для роста кристаллов. Новые способы управлять ростом кристаллов вызвали огромный интерес среди материаловедов, так как существует теснейшая связь между структурой материала и его свойствами.
Размеры некоторых микроорганизмов, например, вирусов, не превышают нескольких десятков нанометров в длину. До сих пор не удается получить однородные синтетические частицы таких размеров. Микроорганизмы же достаточно доступны, имеют одинаковый размер, и приемы работы с ними относительно просты. Как правило, для жизнеобеспечения микроорганизмов требуются умеренные температура, давление и кислотность среды. Поэтому микробы – идеальные кандидаты для разработки новых экологически чистых технологий, взамен прежних процессов, где часто применяются высокие температуры, давление и агрессивные среды.
Многие микроорганизмы вырабатывают неорганические вещества, которые представляют интерес для материаловедов. Одноклеточные диатомовые водоросли производят кремнезем – соединение кремния с кислородом, состав которого соответствует обычному стеклу. Другие микроорганизмы способны образовывать из оксидов железа микроскопические магнитные частицы.
Некоторые микроорганизмы способны усваивать соединения металлов и затем в процессе биосинтеза накапливать металл в виде структур со строгой пространственной конфигурацией. В 1999 г. была опубликована статья группы исследователей из Университета города Уппсала (Швеция), в которой описан биосинтез кристаллов солей серебра бактериями Pseudomonas stutzeri штамма AG259. Этот вид бактерий обитает на месторождениях серебряных руд. В процессе метаболизма между цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой бактерий, в основном у полюсов клетки, образуются кристаллы солей серебра размером до 200 нм. Было показано, что бактерии способны образовывать не менее трех различных типов кристаллов с четкой пространственной структурой. Ученые предполагают, что, изменяя условия культивирования бактерий, можно будет синтезировать кристаллы с заданными параметрами. Возможность получать микрокристаллы серебра размером несколько нанометров чрезвычайно важна для микроэлектроники. Искусственное получение подобных микрокристаллов отличается малой производительностью при высоких затратах.
Рис. 1. Электронная микрофотография тонкого среза клеток P. stutzeri AG259. Видны крупные кристаллические частицы Ag и Ag2S, заключенные между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной.
Необычные способности микроорганизмов можно усилить методами генной инженерии. В 2000 г. группа исследователей из Копенгагенского университета опубликовала данные о регуляторном воздействии белков на процесс роста кристаллов. Было показано, что на поверхности клеток генетически модифицированной бактерии Esherichia coli вырабатываются белки, способные связываться с частицами золота. По меньшей мере три таких белка, выделенных из клеток E. coli, ускоряли кристаллизацию золота из раствора и определяли морфологию полученных кристаллов.
Группа датских ученых работает над изучением бактериальных генов, ответственных за выработку белков, которые способны связываться с поверхностью различных неорганических материалов. В 2002 г. исследователи сообщили, что им удалось выделить из генетически модифицированной E. coli и изучить аминокислотный состав и структуру ряда белков, которые способны избирательно соединяться с определенными гранями кристалла цеолита. (Цеолит – неорганическое соединение алюминия и кремния, его пористые кристаллы используют в качестве фильтров и катализаторов. Отдельные грани кристалла цеолита слегка отличаются по пространственной структуре).
В настоящее время эта группа изучает генетически модифицированные штаммы E. coli в поисках белков, которые способны связываться с другими неорганическими соединениями, например, со слюдой. Такие белки могут стать полезными инструментами при создании новых материалов для полупроводниковых технологий, химического катализа и т. д.
Ещё больше возможностей предоставляют вирусы. Их применение может открыть новые подходы к направленному синтезу материалов. До сих пор никому не удалось синтезировать однородные стержнеобразные полимерные частицы размером с вирус. А между тем, частицы такого размера представляют большой интерес для физиков, так как они способны объединяться в структуры наподобие жидких кристаллов и при этом свободно перемещаться в растворе.
Чтобы исследовать процесс самоорганизации вирусных частиц, группа исследователей из Университета Брандейс (Brandeis University), США, создает методами генной инженерии вирусы с частицами определенной длины. Затем суспензию вирусов смешивают с полимерными шариками и исследуют полученные структуры.
Материаловеды уже используют технологии самосборки для того, чтобы воздействовать на структуру создаваемых материалов вплоть до нанометрового уровня. К примеру, группа ученых под руководством A. M. Belcher использует частицы вируса, покрытые различными неорганическими материалами. Обработанные таким образом вирусы собираются в сложные пространственные структуры, которые представляют потенциальную ценность для создания оптических, магнитных и электронных устройств. В 2002 г. эта группа осуществила генетическую модификацию белков на верхнем конце частиц бактериофагов таким образом, чтобы фаги могли связываться с полупроводниковыми кристаллами сульфида цинка. При достаточно высокой концентрации частиц бактериофага в растворе они самостоятельно организовывались в структуру наподобие жидкого кристалла, в которой полупроводниковые кристаллы располагались по одной линии. Иными методами крайне трудно добиться такого расположения полупроводниковых материалов.
Описанный метод позволяет организовывать вирусы в миниатюрные провода. Вирусы были генетически модифицированы таким образом, чтобы на поверхности их белковой оболочки находились пептиды, способные связывать сульфид цинка или сульфид кадмия.
С помощью генной инженерии исследователи стремятся добиться того, чтобы вирус мог создавать оболочку из полупроводникового материала по всей длине образующейся цепочки, а на концах вирусной частицы находились определенные химические группы. Предполагается, что эти химические группы будут служить своеобразными «разъемами», с помощью которых можно будет соединять покрытые полупроводниковым слоем вирусы в определенные структуры на плоскости. Таким образом можно будет создавать своего рода полупроводниковые схемы. В будущем ученые надеются найти способ объединять такие схемы в простейшие электронные устройства, размером на порядок меньше, чем обычные электронные чипы.
Вирусы, имеющие определенные химические группы на каждом конце, можно использовать и другим образом. Можно добиться, чтобы с одним концом вируса связывался магнитный материал, а с другим – какое-либо токсичное вещество. Теоретически такие конструкции можно будет применять для удаления токсичных примесей из раствора с помощью магнитного поля.
Рис. 2. Частица генетически модифицированного вируса (слева), покрытая частицами полупроводникового материала – сульфида цинка (в центре). На фото справа видно, что модифицированные вирусы образуют структуры, напоминающие провода.
Группа ученых из Университета штата Монтана сосредоточила свои усилия на другом аспекте биологии вирусов. Белковую оболочку вируса можно модифицировать (химическим путем либо методами генной инженерии) с таким расчетом, чтобы к ней присоединялись частицы определенного вещества. Можно добиться управляемого «включения» и «выключения» связывающих механизмов, при этом частицы вещества будут попадать внутрь или выходить наружу. Такие модифицированные вирусные оболочки могут служить для сборки новых материалов буквально «по крупице». Группа ученых под руководством M. Young ставит своей целью создание магнитных устройств для хранения информации путем включения в белковые структуры вирусов кристаллов магнетита или иного магнитного материала.
Ученым удалось выделить из бактерий и архебактерий белковые структуры, сходные с пространственной структурой молекулы ферритина – белка, который является резервным источником железа в клетках млекопитающих. Теперь, чередуя белковые структуры вирусов и ферритиноподобные структуры, исследователи стремятся создать двумерные системы, которые можно будет использовать в магнитных устройствах для хранения информации.
Хотя с точки зрения создания экологически чистых производств достаточно умеренные условия жизнедеятельности микроорганизмов являются преимуществом, они могут стать препятствием для применения таких организмов в жестких условиях многих современных производственных процессов. Young предлагает преодолеть эти препятствия двумя способами. Его сотрудники собирают образцы термофильных организмов в горячих источниках Йеллоустоунского Национального парка, а также подвергают белковые оболочки вирусов химической модификации, после чего вирусы становятся более устойчивы к температуре и кислотности среды.
На данный момент этой группе удалось выделить или создать искусственно белковые структуры, которые переносят интервал рН от 1 (сильнокислая среда) до 11 (слабощелочная). Некоторые из этих структур выдерживают температуры более 100º С. После таких успехов можно ожидать, что микроорганизмы будут применяться для синтеза материалов в различных областях техники.
Поскольку структуры белковых оболочек многих вирусов хорошо изучены даже на атомном уровне, они могут стать исключительно полезным инструментом для конструирования наноструктур. В 2002-2003 гг. группой под руководством M. G. Finn из калифорнийского Scripps Research Institute был опубликован ряд сообщений о создании генетически модифицированного вируса мозаики коровьего горошка. Белковая оболочка вируса содержит остатки серосодержащих аминокислот, к которым впоследствии присоединяются частицы золота и флуоресцентные красители. Ученые намереваются использовать такие конструкции как строительный материал для построения электрических схем или новых материалов. В настоящий момент в этой лаборатории ведется работа еще над несколькими видами вирусов. Руководитель исследования специально подчеркивает, что ни один из этих вирусов не способен инфицировать человека.
Предложен ещё один подход к созданию высокотехнологичных материалов: к наночастицам присоединяется одноцепочечная ДНК, которая может связываться с комплементарной последовательностью другой молекулы ДНК. Таким образом можно объединять наночастицы в двух- и трехмерные структуры, которые также могут быть полезны при конструировании электронных устройств.
Рис. 3. Схематическое изображение живой матрицы. К поверхности гифы прикрепляются наночастицы золота, соединенные с одноцепочечными молекулами ДНК (а). Другие частицы, несущие на поверхности комплементарные участки одноцепочечной ДНК, связываются с частицами золота (b). Таким образом можно покрывать гифу дополнительным слоем частиц различного размера из разных материалов. По мере роста гифы (с) все новые и новые поверхности покрываются слоем материала (d, e).
Рис. 4. Электронные микрофотографии. Верхнее фото: поперечный срез гифа гриба с нанесенными на поверхность наночастицами золота. Нижнее фото: при большем увеличении видны отдельные частицы золота.
По-видимому, взаимосвязь между материаловедением и микробиологией будет еще более углубляться. Применение микроорганизмов способно существенно упростить разработку новых материалов, так как именно микроскопическое строение материала в конечном счете определяет его свойства.