Под термином нанонауки некоторые специалисты понимают умение манипулировать одиночными атомами с целью создания новых молекулярных конструкций. Такие манипуляции стали возможны с момента изобретения туннельного микроскопа (Герд Бинниг, Генрих Рорер, 1981год). Ученые считают, что с его помощью можно построить, укладывая атом за атомом, любые молекулы с любой структурой.
В 1989 году американский физик Д.Эйглер, перемещая атомы ксенона в поле туннельного микроскопа, расположил их так, что они образовали название компании “IBM”. Следом японцы, дабы не подумали, что они отстают, манипулируя атомами золота, сделали более длинную надпись «PEACE”91 HCRL” (Мир в 1991 году Центральная исследовательская лаборатория HITACHI), а французы таким же способом написали «NANO”. Других значимых результатов эти манипуляции пока не дали.
Понятно, что мечтой ученых является создание молекул-машин, способных выполнять полезные для человека функции. Решение этой задачи, вероятно, связано не только с умением перемещать атомы и располагать их в заданном порядке.
Молекулы живого вещества (белки, ДНК), состоящие из тысяч атомов, способны накапливать информацию, транспортировать другие молекулы, вырабатывать энергию, общаться между собой, воспроизводить самих себя и т.п. Другими словами, эти молекулы являются функционирующими машинами. Молекулу-машину, созданную путем сборки атомов, нужно научить выполнять подобные функции, а для этого, вероятно, потребуются дополнительные детали и узлы. Оправдаются ли надежды сторонников «чистой» нанотехнологии о сборке молекул-машин меньшего размера, чем создала природа, покажет будущее. Однако, любые успехи на этом нелегком пути не дадут оснований смотреть свысока на механизмы созданные природой.
Упомянутое понимание нанонауки и нанотехнологий не является ни единственным, ни общепринятым. Королевское общество Великобритании нанотехнологией называет производство и применение структур, устройств и систем, формы и размеры которых измеряются в нанометрах. Это качественно иной подход, без увязки со сборкой атомов. В центре этого определения - размер частицы (структуры). В таком случае история использования наноразмерных частиц никак не связана с достижениями науки конца ХХ века.
В античные времена умели вплавлять наночастицы меди в стекло для его окрашивания. Сажа, преимущественно состоящая из частиц углерода диаметром от 10 до 1000нм, всегда служила красителем при изготовлении чернил и туши. С 1917 года наночастицы сажи используются при производстве автомобильных и иных надувных шин для повышения износостойкости. Наночастицы платины, родия, палладия работают в автомобильных каталитических конвертерах, превращая токсичные оксид углерода (угарный газ) и оксиды азота выхлопных газов в нетоксичные продукты. В производствах бетона, керамики, облицовочных материалов тоже можно найти использование наноразмерных частиц. Отнесем и эти производства к нанотехнологиям? Говорят нет, это уж слишком.
Как же быть тогда с размером в нанометрах? Эврика! - заявляют. Давайте ограничим размер. Всё, что меньше 100нм – нано, а если больше, то совсем не нано. Опять неувязочка. Ведь тогда из категории наночастиц и наноматериалов придется исключить углеродные трубочки. А их открытие в 1991 году стало классическим достижением и имеет блестящие перспективы применения в сфере нанотехнологии. Формируются эти трубочки из листочков графита, которые при определенных условиях скручиваются сами. Выяснилось, что трубочки отличаются необычайной прочностью, повышенной теплопроводностью, имеют свойства проводников и полупроводников. Просматриваются перспективы их применения в микроэлектронике нового поколения. Длина трубочек достигает нескольких микрон (т.е. на порядок и более превышает величину 100нм), хотя диаметр трубки в тысячи раз меньше длины. Жалко исключать трубочки из сферы интересов нанотехнологии только за то, что они превысили заданные размеры.
Легче отказаться от строгого ограничения размеров наночастиц. Углеродные трубочки привлекли внимание ученых не только своими размерами, но в особенности уникальными свойствами. Следовательно, на первый план выходит не размер создаваемой частицы, а ее специфические свойства. Способ создания частицы также не имеет принципиального значения. Казалось бы в этом легко достигнуть согласия. Однако, это не совсем так.
Представители российской Госкорпорации «РосНАНО» пока придерживаются мнения, что современная биотехнология, с её методами генной инженерии, не входит в сферу интересов нанотехнологии. Почему? Якобы, дело в том, что генная инженерия манипулирует с молекулами, размеры которых, как правило, превышают 100нм. Действительно, в основе современной биотехнологии лежат методы генной инженерии ,которые далеко не исчерпали свои возможности в плане создания ценных для человека продуктов. Правда и то, что размеры молекул нуклеиновых кислот, как объектов генноинженерных манипуляций, превышают 100нм. А если их раскрутить, то их размеры увеличиваются во много раз. Следует ли из этого вывод о ненужности методов генной инженерии для целей нанотехнологии? Большой вопрос. Впрочем, об этом ниже.
А сейчас напомним, что современная биотехнология включает также активно развивающиеся методы культивирования клеток млекопитающих («клеточные культуры»), которые уже дали миру фармацевтические препараты, о которых в недавнем прошлом можно было только мечтать. К сфере биотехнологии, по нашему мнению, относятся и методы синтетической биологии, которые позволяют с помощью синтезаторов создавать заданные молекулярные структуры, используя нуклеотиды или составляющие их основания. Этих оснований, как известно, четыре (аденин, гуанин, цитозин, тимин). Они являются каркасом молекул живого вещества. Уже известны попытки создания молекулярных структур из шести оснований (четыре упомянутых + два неиспользуемых природой). Не есть ли это попытка создания новой формы жизни? Немножко жутковато при мысли о возможных последствиях.
Взаимосвязь между биотехнологией и рядом направлений развития нанотехнологий существует объективно. Многие специалисты считают биотехнологию одним из направлений нанотехнологии, в связи с чем появился термин нанобиотехнология. Без использования методов биотехнологии нанотехнологии теряют в развитии огромный сектор. Именно такое понимание нанотехнологий утвердилось во многих странах.
Напомним как рассматривались и решались эти вопросы в мире. Известно, что первыми начали разработку программы с названием «Национальная нанотехнологическая инициатива»(NNI) США.
1992 год – слушания в Сенате США по теме «Новые технологии для устойчивого развития». Из темы слушания следует, что изначально в США нанотехнологию связывают с проблемой устойчивости развития экономики.
1994 год – доклад Альберта Гора «Наука на службе страны», в котором нанотехнологиям приписывалась ключевая роль в обеспечении будущего микроэлектронной, химической и фармацевтической промышленности.
1995 год - решение Национального фонда науки (NSF) о содержании понятия нанотехнологии , в котором не было ни слова о молекулярных машинах и тем более об их сборке путем перемещения атомов.
2000 год – президент США Б. Клинтон официально объявляет о развертывании работ по программе NNI, которая включила микроэлектронику, материаловедение и биотехнологию. Малекуломашины и манипулирование атомами заняли в ней лишь нижние строки программы.
Финансирование программы NNI: 2000 год – 300 млн. $, 2005 год – 970 млн. $, 2008 год – около 1500 млн. $.
Аналогично содержание программы NMP («Нанотехнологии, материалы и процессы»), которую в 2002 году утвердила Еврокомиссия (высший орган власти Евросоюза). Французская, китайская и индийская нанотехнологические программы также практически являются копиями американской NNI.
Итак, нанотехнологические программы ведущих стран, ставя задачи создания и использования наночастиц, вполне игнорируют вопросы о способах достижения поставленных целей, а также о том какие «кирпичи» используют создатели (атомы, молекулы, нуклеотиды, антитела и т.п.) Практика реализации конкретных проектов убеждает в том, что, как правило, при этом используется комплекс методов и подходов. Рассмотрим некоторые примеры.
Эккард Виммер (США) в 2002 году синтезировал вирус полиомиелита. Этот вирус относится к числу наиболее мелких (диаметр 28 нм) и относительно просто устроенных. Ученому было необходимо синтезировать РНК вириона, состоящую из 7411 нуклеотидов и белковую оболочку (капсид), которая включает 60 субъединиц, в каждой субъединице четыре белка, а каждый белок состоит из 250 аминокислот. Для синтеза РНК Э. Виммер использовал современный мощный синтезатор и добился необходимого результата. С синтезом капсида задача представлялась еще более сложной. Упростить ее решение ученому удалось с использованием методов биотехнологии. Он ввел синтезированную РНК в питательную среду, содержащую необходимые аминокислоты и живые бактериальные клетки. Эти бактерии сами построили необходимую белковую оболочку, то есть осуществили автосборку. Автор этого проекта делает вывод, что не всегда необходимо строить новые молекулярные заводы, можно просто заказать нужный продукт, например, бактериям.
Форест Картер (США) в 1984 году создал молекулярную интегральную схему также с участием биотехнологов (из компании Genex), которые научили бактерии вырабатывать требуемые электронные структуры.
Медиков интересуют наночастицы, обладающие способностью преодолевать гематоэнцефалический барьер. Названный барьер является великим благом, охраняющим человеческий мозг от его поражения большим количеством вредных веществ, циркулирующих в крови. Однако, в случаях возникновения опухолей мозга доставка лекарственного средства к больным клеткам мозга становится остро необходимой. Большинство ныне известных лекарственных препаратов не обладают способностью преодоления гематоэнцефалического барьера. Решение этой задачи в настоящее время ученые связывают с созданием наночастиц, которые могли бы не только преодолевать барьер, но и находить именно раковые клетки. Изучение макромолекулярных конфигураций на поверхности мембраны привело к выявлению белков, открывающих «замки» мембраны. Просматриваются перспективы создания комплексов, включающих антитела, упомянутые молекулы белков и молекулы лекарственного средства. Естественно, эта задача решается с применением методов биотехнологии. При этом, разве имеет значение будет ли такой комплекс размером до 100 нм или более?
Биотехнологи, в том числе российские, активно работают над созданием комплексов лекарственных средств с липосомами. Ожидается, что такие комплексы будут способны узнавать раковые клетки и избирательно их поражать, преодолевать гематоэнцефалический барьер (лечение опухолей мозга, болезни Паркинсона), проникать внутрь клеток, существенно понизить токсичность препаратов (важно, например, для решения проблемы непереносимости туберкулостатиков). Биотехнологи называют эти комплексы наночастицами независимо от того, согласны с этим в Госкорпорации «РосНАНО» или нет.
Изложенное не имеет цели участия в научной дискуссии о содержании понятия нанотехнологий. Наша цель более прозаичная и относится к сфере организации в России разработок биотехнологий и их промышленного освоения. Пока наша биотехнология остается на положении падчерицы. В стране нет структуры ответственной за развитие биотехнологии. Вопреки мировому опыту Госкорпорация «РосНАНО» не считает биотехнологию важной частью своей проблематики. Если вышеприведенные аргументы хоть в малой степени проясняют вопрос об объективной связи и взаимозависимости нанотехнологий и биотехнологии, мы будем считать поставленную цель достигнутой.
