Израильский ученый предлагает элегантный способ управления
биологическими системами с помощью воздействия на находящиеся с ними в контакте наноструктуры,
реагирующие на инфракрасное излучение.
Мириады конкурирующих биологических видов за миллиарды лет своего развития достигли
вызывающей восхищение сложности. Например, многие бактерии и многоклеточные организмы
используют структурно-чувствительные белки для биоминерализации нанокристаллов, что в перспективе
может привести к созданию уникальных наноустройств. Вообще говоря, биосистемы и искусственные
наносистемы могут сосуществовать и дополнять друг друга. Совместное развитие био- и искусственных
наносистем может привести к формированию новых гибридных био-нано систем, беспрецедентных по
своему организационному и функциональному уровню.
Возможные способы коммуникации между компонентами био-нано систем обсуждаются в недавно
опубликованной работе израильского ученого П.Краля. Передача сигналов от наносистемы к биосистеме
может происходить путем регулирования каталитической активности белков. Клетки же могут
"говорить", изменяя свое микроокружение или испуская электромагнитные сигналы. Для передачи
сигналов клеткам можно было бы использовать электрохимические методы, применяемые в
биоэлектронике, но они требуют наличия электродов, которые довольно сложно поместить внутри клетки
(о возможных вариантах создания гибридных нейроэлектронных систем без применения электродов см.
нашу новость). Нужны
бесконтактные методы.
П.Краль предлагают управлять биологическими системами с помощью воздействия на
наноструктуры, реагирующие на излучение ИК области спектра. Используется тот факт, что клетки (в
образцах до 5 мм толщиной) прозрачны для излучения с длиной волны 0.74 - 1.2 мкм. Такой подход
применяется в фотодинамической терапии для химического разрушения опухолевых клеток путем ИК
возбуждения молекул на основе порфирина. Аналогичные результаты могут быть получены при
локальном нагреве наночастиц металлов, например, серебра или золота, которые являются отличными
кандидатами для биоконтроля. А почему бы не использовать углеродные нанотрубки для контроля
тонких клеточных срезов? - этим вопросом задался П.Краль. Действительно, нанотрубки все прочнее
завоевывают свое место в биологии, и уже создаются биосенсоры на их основе.
П.Краль предлагается очень элегантный способ реализации биоконтроля. Схема гибридной системы
двух нанотрубок, управляющей активностью белков, очень проста (см. рисунок). Используется веревка
(жгут) из двух металлических углеродных нанотрубок, одна из которых - так называемый гороховый
стручок, заполненный металлофуллеренами, а другая - пустая. Вследствие переноса электронов из
металлофуллеренов к стенкам "стручка" и далее во вторую нанотрубку, нанотрубки в такой системе
приобретают разноименные заряды. Нагрев в результате ИК воздействия приводит к обратному переносу
электронов (освобожденных из фуллеренов в равновесном состоянии), который сопровождается
перезарядкой нанотрубок. Изменение локального электрического поля вызывает деформацию белков,
которые селективно присоединены к нанотрубкам. Новая конформация (индивидуальная
пространственная структура белка) белков может иметь совсем иную каталитическую активность. Таким
образом, система работает в обратном порядке по отношению к некоторым биосенсорам, где антитела
связываются с белками, примыкающими к поверхностям, изгибают их и изменяют электрические
свойства поверхности.
П.Краль рассмотрел модель из двух нанотрубок радиусом порядка 0.68 нм (одна из них является
гороховым стручком). Расчеты показывают, что в результате переноса заряда, вызванного ИК
воздействием, заряженные кончики отдельных доменов (компактные глобулы, составляющие третичную
структуру многих белков) белка могут смещаться примерно на 0.35 нм. Этого достаточно для контроля
активности белков (ферментов), причем in vivo. Предлагаемую систему можно настраивать, используя
различные нанотрубки, фуллерены, меняя заполнение и белки.
Источник информации - заметка О.Алексеевой в бюллетене
ПерсТ, выпуск 04 за 2004 г.
