Нанобөлшектер

Нанотехнология даму перспективасын болжай отырып оның тарихынан салыстырмалы аналогтар келтіруге болады. Табиғатта зат алмасуына, медицинада және биотехнологияда микроорганизмдердің ролін анықтауы Левенгукпен микроәлемді ашқаннан кейін, Л.Пастер, Р.Кох және басқа да атақты зерттеушілер енбектерінен соң (ескерту, ғасырлар өткен соң) мәлім болды. Нанотехнологияда басқа жайт. 1959 жылы физик Р. Фейнман өз жазуларында ескереді, «ұсақ формалар әлемі, молекулалар мен атомдардың таңғажайып күрделі әлем бар. Осы әлемді зерттеуге 1960 жылға дейін еш кім тығыз айналыспағаны туралы келешекте адамдар таңғалатын болады». 1974 жылы «нанотехнология» терминін алғаш рет Н. Танагути ұсынды. Ол осы терминмен кәсіпорнында бірнеше нанометр құраған өнімнің көлемін көрсету үшін қолданған. 1980 жылы наноконструкциялар және олардың келешектері туралы өз кітаптарында Э. Дрекслер жазады: «Дайындық машиналары: нанотехнология дәуірі келді» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») және «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Оның кітаптарында орталық орынды алатындар - бірнеше нанометрмен өлшенетін қондырғылар жұмысын талдау жасауға мүмкіндік беретін математикалық есептер; құрылыс материал ретінде пептидтердің әр бір молекуласын, нуклеин қышқылдарын және тағы да басқа биомолекулалар қолдана отырып клеткаішілік манипуляциялар жүргізуге нанороботтарды қолдану. 1990 жылдары өндірісте, биологияда және медицинада нақты қолданысқа ие болған бірінші наноматериалдар мен наноконструкциялар шығарыла басталды. 2000-2007 жылдары өнделіп жарық көрді: нанотехнология дамуының жол картасы (АҚШ), ғылыми-зерттеу және технологиялық даму бойынша ЕС жетінші салалық бағдарламасының Еуропалық комиссиясының жол картасы, нанотехнология дамуының стратегиялық бағдарламасымен күрделі рессей корпорациясы құралды. 60 астам елдерде, соның ішінде Қазақстанда да нанотехнология саласында зерттеулер мен өндеулер жүргізілуде.

2006 жылдын басында Nature Materials журналдың сараптамасы бойынша нанотехнология негізінде 130 дәрілер және дәрілерді қажетті орнына жеткізуі өнделген. Сонымен, ғалымдардың нанодүниесіне көз қарастарын бұрғанына 30-40 жыл өткенде адамзаттың барлық саласына, әсіресе биология мен медицинаға нанотехнологияның жетістіктерін белсенді түрде енгізе бастады. Дегенмен, кейбір ғалымдар нанотехнологияның қазіргі жағдайын арифмометрлер, логарифмдік линейка және т.б. қолданған 20-25 жыл бұрынғы компьютерлік технологиямен салыстырады.

Нанотехнология – бұл адамзаттың түрлі саласында қолданатын технологияларды өндеу мақсатында бөлек молекулалардан құралған аса ұсақ құрылымдар мен қондырғыларды зерттеу және дайындау. Ол табиғи және жасанды нанобөлшектерді қолдана отырып әр бір молекуланы визуализациялау, олармен манипулирлеу және арасында пайда болатын электромагнитті қарым-қатынасты өлшеу мүмкіндігін қамтамасыз ететін микроскопиялық қондырғылар дайындауымен жарық көрді.

Нанобиотехнология биологиялық зерттеулерде және технологияларда наноқұрылымдар мен наноматериал ретінде клеткаішілік құрылымдарды және биологиялық молекулаларды (нуклеин қышқылы, пептидтер және басқа төменгі молекулалы қосылыстар) қолдануға негізделген; ол нанотехнологиялар мен молекулалы биология жетістіктерін өзіне біріктіреді.

Наномедицина – бұл адамның аурулар диагностикасында, емдеуіне және алдын алуына наноконструкциялар мен нанотехнологияларды қолдану (сур.23).

Синтезделген биологиялық объектирдін нанофабрикалары Биочиптер Гендерді тексерү қодырғылар

Клеткалық дәрежедегі зондылық зерттеу әдістері мен объектілер синтезі НАНОБИОЛОГИЯ ЖӘНЕ НАНОМЕДИЦИНА

ДНҚ мен генді инженерия объектілерін зерттеу әдістері Клеткалық инженерияға деген прецизионды манипуляторлар

Биообъектілерді нанометрлік диапозонде зерттеу үшін зондылы оптикалық жүйелер Генді инженерияда кажетті көпзондылы

кондырғылар

Сурет 23. Медицина мен биологияда нанотехнологияларды қолдану

Биология саласында аса перспективті технологияларға жатады:

- «салыстырмалы қарым-қатынас» технологиясы – организмнің түрлі клеткалар байланысын анықтау;

- ядролық қайтара бағдарламалау – биологиялық материалдың тиімді көздерін қолданып барлық клеткаларды клондау мүмкіндігі;

- наномедицина.

«Нано» (грек тілінен — миллиардты бөлік) нысанаға сипаттама бергенде олардың көлемі 1-1000 нм (10⁻⁹ м) аралықта болады, яғни атомарлы-дан субклеткалыққа дейінгі биологиялық ұйымдастырылулар деңгейіне сәйкес келеді. Бір нанометр – бұл сутектің оң атомынан құралған қатар. Мысалы, адам шашының қалыңдығы шамамен 50 000 нанометр құрайды, пептидтер көлемі - 1 нм, нәруыздар – 10-нан 100 нм дейін. ДНҚ ұзындығы - 1,5 м, бірақ «жинақталған» күйінде оның көлемі 100 нм тен. Антиденелердің, вирустардың, органеллалардың көлемі де осындай деңгейде. Прокариот және эукариот клеткалары микроәлемге жатады (кесте 5, сур.24).

Кесте 5. Макромолекулалар мен нанобөлшектердің салыстырмалы сипаттамасы

Сурет 24. Эритроцит беткейіндегі нанобөлшектер

Құрылымы бойынша нанобөлшектерді бірнеше кластарға топтастырады:

Биологиялық нанобөлшектер – бұл ферменттер (катализдік активтілігі бар нәруыздар), ДНҚ мен РНҚ молекулалары, рибосомалар, клеткалы везикулалар, вирустар және т.б. Осындай нысаналардың ерекшелігі олардың агрегацияға қабілеттілігі мен өзіндік ұйымдастырылуы (мысалы, полипептидті немесе полинуклеотидті тізбектер ұйымдастырылуында комплементарлық, арнайы байланысу принциптері).

Полимерлі нанобөлшектер – бұл табиғи немесе биоинертті жасанды полимерлер: полисүт және полигликол қышқылдары, полилактидтер, акрилполимерлер, полиэтиленгликоль (ПЭГ). Полимерлі нанобөлшектер морфологиясы бойынша наносфераларға (беткейінде тасымалданатын активті зат орныққан тұтас полимерлі

бөлшектер) және нанокапсулаларға (тасымалданатын активті заты бар қуысты қамтитін полимерлі қабаттар құралған) бөледі.

Дендримерлер. Дендримерлер өте күшті тармақталған құрылымы бар уникальды полимер классы. Химиялық синтезге олардың көлемі мен формасы нақты белгілі беріледі. Дендримерлер синтезіне қолданатын типті «мономерлерге» полиамидоамин (ПАМАМ) және амин қышқылдардан лизин жатады. Активті тасымалданатын молекулалар дендримерлермен олардың беткейімен комплекс құру немесе олардың әр тізбектер арасына терең орнығу арқылы байланысады. Дендримерлердің беткей көлемі және қасиеттері бақылауда болуы және тұрақтылығы оларды тасымалдаушы ретінде қолдануы перспективті.

Бейорганикалық нанобөлшектер – осы класқа кремний оксиді және түрлі металдар (алтын, күміс, платина) негізінде алынған наноқұрылымдарды жатқызады. Көп жағдайда осындай наноқұрылымдар кремний ядросынан және металл атомдарынан құралған сыртқы қабаттан тұрады. Металдарды қолдануынан уникальды қасиеттерге ие тасымалдаушылар дайындауға болады. Мысалы, олардың активтілігі (дәрілік заттың шығуы көрінеді) температура әсерінен (инфракүлгін сәулесі) және магнитті аймақтың өзгерісімен модульденуі жүреді. Белгілі, металдан дайындалған нанобөлшектер эпидермис ішіне қарқынды ене алады.

Көмірсулы нанобөлшектер – нанотүтіктер мен фуллерендер (сур.25); олар аса «танымалы» наноқұрылымдар. Қазіргі таңда өндірістік масштабта фуллерендерді катализатор қатысуымен төменгі қысымдағы инертті газдың атмосферасында көміртегі бар құрымдыжоғары температурада тозаңдату арқылы дайындайды. Нанотүтіктер липидті құрылымдарға туыстығы жоғары, пептидтер мен ДНҚ-олигонуклеотидтермен тұрақты кешендер құруға қабілетті.

Сурет 25. Фуллерендер (С 60 молекуласы)

Кесте 6. Медицинада наноматериалдар мен нанотехнологияларды қолдану

Ескерту. Ғылыми мағынасы: (+++) – жоғары , (++) – айтарлықтай , (+) – орташа, (-) –аздаған (Nanomedizin: Innovations potentiale in Hessen fuer Vedizintechnik, Wiesbaden, 2006)