Нанонауки. Невидимая революция - Кристиан Жоаким

Но как собрать множество молекулярных частей вместе — и так, чтобы получалась сложная машина? Одни ученые, скажем, Жан-Мари Лен, изучают самопроизвольную сборку раздельных деталей: такая «самосборка» или «автосборка» напоминает детские головоломки и пазлы. Необходимые части помечают какими-то химическими соединениями. Каждая такая химическая метка опознает свою пару, то есть соединение-метку на другом кусочке пазла, и затем два кусочка головоломки сцепляются между собой. И так до завершения сборки. Этот метод самопроизвольной сборки в ходу у вирусов и у некоторых живых существ, включая многие виды бактерий. Вот почему столь важны исследования таких наипростейших «машин» или еще меньших самособирающихся «автоматов», как вирусы.

Группе ученых под руководством профессора Эккарда Виммера в Университете Стони Брук под Нью-Йорком в 2002 году впервые удалось синтезировать вирус — это был вирус полиомиелита. В природе он выглядит как шарик диаметром 28 нм. Его генетическую и белковую структуры расшифровывал в 2000 году Джеймс Хогл из Гарвардского университета, а позднее, в 2001 году, и Эккард Виммер с сотрудниками. Вирус этот состоит из собственно вируса — виральной компоненты — и оболочки, более или менее сферической. Виральная часть — это макромолекула РНК, содержащая 7411 нуклеотидов, и каждый из них, если его развернуть, вытянется на несколько микрометров. Шарообразная оболочка (капсид), внутри которой прячется виральная часть (вирион), составлена из 60 подъединиц, в каждой — по четыре белка. А каждый белок содержит в среднем 250 аминокислот. В 2002 году команда Эккарда Виммера сначала синтезировала РНК виральной части с ее 7411 нуклеотидами: в большинстве своем это цепочки атомов, которые уже умеет получать биотехнология и которые потому можно просто купить в магазине. Потом ученые химически синтезировали недостающее. По сравнению с химическим синтезом молекулы-машины в несколько этапов задача чрезвычайно упростилась — хотя бы потому, что многократно приходится синтезировать одно и то же или же вносить в синтез незначительные и очень понятные перемены. Получив виральную составляющую, исследователи не стали спешить с синтезом четырех протеинов, из которых состоит оболочка вируса. Вместо этого, чтобы получить белки и, главное, построить их в правильном порядке, сотрудники Эккарда Виммера состряпали «суп» из живых клеток, и синтезированная РНК полиомиелита использовалась уже существующими и работающими клеточными механизмами для построения оболочки — словом, был запущен механизм автосборки (ученые подсунули клеткам чужую РНК, и клетки, по своей рабской привычке, послушно выполнили совершенно ненужную им работу: собрали капсид (оболочку) вируса). Значит, не всегда необходимо строить новые молекулярные заводы — можно просто заказать нужный продукт предприятиям, уже существующим в природе. Например, бактериям.

Мы уже рассказали о первых молекулах-машинах и показали те дорожки, которые, похоже, могут вывести нас к молекулярному производству, то есть изготовлению молекул достаточного размера, примерно в десяток нанометров, которым будут по силам те же сложные дела, что и привычным для нас машинам нашего — макроскопического — мира. И мы обозначили эту задачу термином «монументализация», хотя занимаются монументализацией считаные исследователи — куда больше ученых заинтересованы в новых материалах, которые они называют «наноматериалами». Наноматериалы вроде бы могут иметь отношение к бетону, облицовке, керамике… словом, к вещам заведомо полезным и очень осязаемым. И будто бы как нельзя более далеким от той области, в которой орудуют молекулы-машины. Да и масштабы — бетона! — как-то трудно увязываются с нанометрическими. И как тогда прикажете понимать это самое «нано»? Собственно, термин «наноматериал» был вычеканен потому, что очень уже неудобно выговаривать: «материал, структурированный в нанометрическом масштабе». Речь идет о материалах, построенных из элементов, которые представляют собой молекулы, макромолекулы или маленькие атомные агрегаты (более или менее упорядоченные нагромождения атомов), причем размеры этих элементов, этих составных частичек материала, несомненно, измеряются в нанометрах. Возьмем, например, поваренную соль (или, если угодно, хлорид натрия). Ее основной мотив — повторяющийся узор, в узлах которого расположены атом хлора и атом натрия (расстояние между ними менее 0,3 нм). Этот узор повторяется пространственно — в трех измерениях, и в итоге получается кристаллик соли, маленький кубик, который очень просто подцепить пинцетом, чтобы потом разглядывать через лупу. Стало быть, структура поваренной соли — вполне атомная. А теперь обратимся к какому-нибудь наноматериалу: его повторяющийся мотив — это одна молекула, быть может, сложная, но, главное, она придает материалу какую-то нужную характеристику (устойчивость к деформациям, способность запоминать информацию и т. п.). Но сие драгоценное качество появляется только тогда, когда миллионы таких — одинаковых — молекул собираются вместе. И это же верно и тогда, когда элементарные кирпичики материала — не молекулы, а наночастицы размером лишь в несколько нанометров в диаметре, но собранные в нагромождения из тысяч и тысяч атомов.

Особенное структурирование вещества ради получения материала с желательными свойствами известно давно да и применяется с незапамятных времен. Еще в античные времена умели вплавлять наночастицы меди в стекло, чтобы стекло стало красноватым. Растворяемые краски тоже содержали наночастицы в эмульсии. Угольная или ламповая — она же голландская — сажа тоже состоит из частиц углерода диаметром от 10 до 1000 нм. Об этом писали еще в учебниках в XIX веке. И такие же наночастицы служат — и всегда служили — красителями в чернилах и туши. Те же наночастицы сажи в 1917 году стали добавлять в надувные шины, чтобы служили подольше. Наночастицы платины, родия, палладия работают в автомобильных каталитических конвертерах: они сидят в крошечных порах керамического блока — поры в керамике увеличивают площадь ее соприкосновения с выхлопным газом. Наночастицы ускоряют химические реакции, в результате которых содержащиеся в выхлопных газах оксид углерода (угарный газ) и оксиды азота превращаются в воду и диоксид углерода (углекислый газ).

Новизна наноматериалов по сравнению с материалами традиционными состоит в химической структуре повторяющегося основного мотива, который становится много сложнее. Возделывающие ниву наноматериалов и не заглядывают на поля монументализации, где молекула становится машиной, — они полагают, что ей уготована участь элементарного кирпичика для построения наноматериала. Наноматериалы — это такая необъятная область исследований, что ей следовало бы посвятить отдельную книгу. И не одну. Но никакого отношения к нанотехнологии наноматериалы не имеют.

Немало ученых, как и встарь, видят в молекуле всего лишь маленький «кусочек» вещества. А разговоры последних лет о молекулах-машинах научная среда нередко встречала насмешками, хотя это давно уже не просто разговоры, речь идет о реальных экспериментах. Молекула коренным образом изменила свой статус и, утратив анонимность, вышла из толпы множества себе подобных и равно безликих, чтобы обрести индивидуальность, — и как только у молекулы появилось «лицо», так она выказала неслыханную доступность по отношению к измерительным приборам и процедурам. Откликаясь на вызов, брошенный монументализацией, мы должны отыскать новаторские способы и приемы изготовления подобных молекул-приборов и молекул-машин, добиваясь, чтобы такая огромная молекула содержала ровно столько атомов, сколько требуется для выполнения ее работы, и не больше. И понятно, никто не скажет, до каких размеров и до какой сложности дорастут эти машины.

Глава 5

Наннобактерии

Из элементарного кирпичика, затерянного среди миллиардов миллиардов многих иных таких же кирпичиков, молекула за какие-то пятнадцать лет превратилась в нечто вполне самостоятельное. Теперь она может воплотиться в научный прибор или в сложную установку, а то и машину, и эти новые роли молекулы становятся все сложнее и многочисленнее, ей под силу все более трудные дела, и со дня на день должна прилететь весточка об успешной монументальной сборке молекулы-машины. Раз уж нам удалось понять, как собираются белки, мембраны и рибосомы в живой клетке, то неужели мы не сумеем воспроизвести структуру и организацию хотя бы самых простейших, но и самых крошечных форм жизни? А вдруг, когда мы соберем все составляющие вместе, получится искусственная клетка и эта клетка окажется живой?

Насколько нам известно сегодня, самые маленькие из всех живых организмов, населяющих нашу планету, — бактерии. А самые маленькие бактерии — меньше 200 нм. Вот это малютки! Для сравнения: обычные бактерии часто разрастаются до 1000 нм, а средний размер клеток человеческого тела — около 20 000 нм. Вирусы, правда, еще меньше (200–300 нм), но их не считают живыми организмами, потому что они не умеют ни жить самостоятельно, ни репродуцировать себя (то есть сами по себе вирусы не способны размножаться).