Научные основы биотехнологий. Часть I

Министерство образования и науки российской федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Московский педагогический государственный университет»

В. А. Горленко, Н. М. Кутузова, С. К. Пятунина

НАучНые оСНоВы  
биотехНолоГии

Часть I 
Нанотехнологии в биологии

учебное пособие

МПГу

МоСКВА 

2013

УДК 57
ББК 28.081
Г 695

Рецензенты:
Г. А. Севастьянова – профессор кафедры органической и биологической химии биолого-химического факультета Московского педагогического государственного университета, доктор биологических наук;
и. Г. Горичев – профессор кафедры общей и аналитической химии биолого-химического факультета Московского педагогического 
государственного университета, доктор химических наук.

Горленко В. А., Кутузова Н. М., Пятунина С. К. Научные основы биотехнологии. Часть I. Нанотехнологии в биологии : Учебное пособие. – М.: МПГУ, 2013. – 262 с.

Данное издание вводит читателя в удивительный мир нанотехнологий – многопрофильную и междисциплинарную область научных знаний и технологий, составляющую основную современную 
тенденцию в развитии науки и производства. Целью издания является ознакомление будущих учителей с сущностными элементами нанотехнологий и, с учетом биологической направленности обучаемых, 
со спецификой нанобио- и бионанотехнологий, основанных на использовании живых организмов (фагов, вирусов) и биомолекул, их составляющих (белков, липидов, нуклеиновых кислот и т.п.), в качестве 
объектов нанотехнологических разработок, а также с проявлениями, 
открытиями и внедрениями нанобиотехнологических процессов в разнообразные отрасли науки и производства, медицины, фармакологии, 
мониторинга, безопасности, социальной сферы и т.п. 
Издание предназначено в качестве учебного пособия в первую 
очередь для студентов биологических специальностей педагогических 
вузов (биологи с дополнительными специальностями: химия, экология, иностранный язык и другие). Но может вызвать интерес у широкого круга изучающих биологию и химию: учителей школ, учащихся школ 
с углубленным изучением биологии и химии, студентов нехимических 
вузов. 

ISBN 978-5-7042-2445-7

© МПГУ, 2013
© Издательство «Прометей», 2013

СодеРжАНие

Список сокращений .............................................................................. 6
Предисловие ............................................................................................ 8

I. Введение. основные понятия нанотехнологии.  
история становления и развития ................................................11
1. Нанотехнологии – что это? .....................................................................11
2. История возникновения и развития нанотехнологий ...........15
2.1. Проблемы развития нанотехнологий .....................................24
2.1.1. Проблемы образования и выращивания  
квалифицированных кадров ....................................................................24
2.1.2. Динамика нанотехнологий в Российской Федерации ...............25
2.1.3. Достижения в развитии нанотехнологий в РФ .........................28
2.2. Биобезопасность ..................................................................................30
3. Зачем нужны нанотехнологии ..............................................................33
4. Принципиальные схемы получения наноматериалов ...........39
5. Инструментарий в нанотехнологиях: атомно-силовой  
и сканирующий туннельный микроскопы ........................................41
5.1. Сканирующий туннельный микроскоп ..................................43
5.2. Атомно-силовой микроскоп ..........................................................46
6. Возникновение нанобио- и бионанотехнологий .......................54

II. Классификация нанообъектов .................................................50
7. Основные виды нанообъектов и перспективы  
их использования в нанотехнологиях ..................................................50
7.1. Кластеры ..................................................................................................52
7.2. Фуллерены ..............................................................................................54
7.3. Графен .......................................................................................................58
7.4. Нанотрубки .............................................................................................61
7.4.1. Углеродные нанотрубки ............................................................................61
7.4.2. Неуглеродные нанотрубки .......................................................................64
7.5. Карбин .......................................................................................................65
7.5.1. Предполагаемые области применения .............................................68
7.5.2. Углерод с гранецентрированной кубической решеткой .........70
7.6. Нанонити, или вискеры ...................................................................71
7.7. Наноремешки ........................................................................................72
7.8. Дендримеры ...........................................................................................74
7.9. Фракталы .................................................................................................75

Научные основы биотехнологии. Часть I

7.10. Нанокомпозиты .................................................................................79
7.11. Нанокристаллы .................................................................................82
7.12. Наномембраны ...................................................................................83
7.13. Гибридные наноматериалы .......................................................85
7.14. Фотонные кристаллы ....................................................................87

III. Зонная структура макрообъектов.  
Квантовые точки .................................................................................91
8. Начала квантовой механики ..................................................................91
8.1. Описание состояния электрона в атоме ................................91
8.2. Энергетические зоны ........................................................................97
8.3. Экситон и экситонные переходы ............................................100
8.4. Квантово-размерные эффекты ................................................102
8.5. Квантовые точки ..............................................................................104
8.6. Полупроводниковые нанокристаллы –  
флуоресцирующие материалы  
нового поколения...........................................................................105
8.7. Энергетические зоны гетероструктур .................................106
8.8. Получение квантовых точек ......................................................109
8.9. Модификации квантовых точек и конъюгация  
с биологически активными молекулами ..........................112
8.10. Пути использования конъюгатов  
квантовых точек с биологически  
активными молекулами .............................................................115
8.10.1. Визуализация биологических объектов ......................................115
8.10.2. Диагностика раковых заболеваний ..............................................117

IV. Супрамолекулярные системы ...............................................119
9. Супрамолекулярные системы как мост  
от неживой материи к живой ..................................................................119
9.1. Супрамолекулярные структуры в природе .......................119
9.2. Самосборка. Амфифильные соединения ............................121
9.2.1. Липиды – природные амфифильные соединения .....................122
9.2.2. Жидкие кристаллы ....................................................................................124
9.2.3. Поверхностно-активные вещества и самосборка .................128
9.3. Полимеры в нанотехнологиях ..................................................130
9.3.1. Самосборка полимеров ............................................................................134
9.3.2. Блок-сополимеры ........................................................................................135
9.3.3. «Умные» полимеры ....................................................................................138
9.4. Супрамолекулярные матричные структуры ....................141

Содержание
Содержание

V. Нанобиотехнологии ....................................................................147
10. Взаимопроникновение нанотехнологий  
и биологии ..........................................................................................147
10.1. Биоматериалы .................................................................................147
10.2. Белки, иерархическая структура ..........................................148
10.2.1. Первичная структура белков ...............................................................149
10.2.2. Вторичная структура ..........................................................................155
10.2.3. Надвторичные структуры ................................................................159
10.2.4. Третичная структура ..........................................................................163
10.2.5. Четвертичная структура .................................................................165
10.2.6. Конформационная подвижность белков ...................................168
10.2.7. Проблемы узнавания и реагирования ..........................................168
10.3. Иммуноглобулины. Молекулярное  
конструирование на основе иммуноглобулинов .........175
10.3.1. Структура и функции иммуноглобулинов ................................175
10.3.2. Иммуноглобулины. Подходы к наноконструированию.  
Моноклональные антитела .................................................................179
10.3.3. Наноконструирование на основе иммуноглобулинов.  
Гуманизирование моноклональных антител ...........................181
10.3.4. Наноконструирование на основе мини-антител.  
Создание молекулярного «лего» ..........................................................184
10.4. Белки – размножаемые «кирпичики» ................................193
10.5. Каталитически активные белки – ферменты ...............196
10.5.1. Начальные представления  
о ферментативном катализе ............................................................197
10.5.2. Теории ферментативного катализа ...........................................202
10.5.3. Идентификация каталитических групп ферментов ........207
10.5.4. Факторы, оказывающие влияние  
на ферментативные реакции .............................................................209
10.6. Перспективы использования  
белков-ферментов в био- и нанотехнологиях ...............214
10.6.1. Инженерная энзимология ...................................................................214
10.6.2. Мицеллярная энзимология .................................................................220
10.6.3. Химические и генетические модификация ферментов  
с целью придания новых свойств ......................................................222
11. Биомиметика. «Молекулярные моторы» ..................................232
11.1. Аденозинтрифосфатсинтаза ..................................................235
11.2. Флагеллярный мотор бактерий ............................................241
11.3. Миозин – молекулярная машина .........................................243

литература .......................................................................................................257

СПиСоК СоКРАщеНий

СDR – complementarity determining region (гипервариабельный 
участок).
HAMA – human anti-mouse antibodies (человеческие антимышиные антитела).
scFv – single-chain variable fragments (одноцепочечные вариабельные фрагменты).
SPR – surface plasmon resonance (поверхностный плазмонный 
резонанс).
АДФ – аденозиндифосфат.
АзКЦ – антителозависимая клеточная цитотоксичность.
АО – атомная орбиталь.
АСМ – атомно-силовой микроскоп.
АТ – антитела.
АТФ – аденозинтрифосфат.
АТФаза – аденозинтрифосфатаза.
АТФ-синтаза – аденозинтрифосфатсинтаза.
ГЦК – гранецентрированная кубическая решетка.
ГЦУ – гранецентрированный углерод.
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота.
ЖК – жидкие кристаллы.
КАТ – каталаза.
КзЦ – комплемент-зависимая цитотоксичность.
КМ – кальмодулин.
КПД – коэффициент полезного действия.
КТ – квантовые точки.
ЛЦУ – линейно-цепочечный углерод.
мкАТ – моноклональные антитела.
МЛЭ – молекулярно-лучевая эпитаксия.
МО – молекулярная орбиталь.
НК – нуклеиновые кислоты.
ННС – национальная нанотехнологическая сеть.
НОЦ – научно-образовательные центры.
ОРН – органофосфатгидролаза.
ПАВ – поверхностно-активные вещества.
РНК – рибонуклеиновая кислота.
РЭМ – растровый электронный микроскоп.

Список сокращений
Список сокращений

СВЧ – сверхвысокая частота.
СОД – супероксиддисмутаза.
СТМ – сканирующий туннельный микроскоп.
ТОФО – триоктилфосфиноксид.
УФ – ультрафиолетовый.
ФОВ – фосфорорганические отравляющие вещества.
ФОС – фосфорорганические соединения.
ФЦП – федеральная целевая программа.
ХС – хондроитинсульфат.
ЯМР – ядерный магнитный резонанс.

ПРедиСлоВие

Данное издание предназначено для студентов биологических специальностей педагогических вузов и вводит читателя в удивительный мир нанотехнологий – многопрофильную 
и междисциплинарную область научных знаний и технологий. 
Стремительное вхождение нанотехнологий во многие сферы 
деятельности человека составляет основную современную тенденцию в развитии науки и производства. Целью издания является ознакомление будущих учителей-биологов с сущностными 
элементами нанотехнологий и, с учетом биологической направленности обучаемых, со спецификой нанобио- и бионанотехнологий, основанных на использовании живых организмов (фагов, 
вирусов) и биомолекул, их составляющих (белков, липидов, нуклеиновых кислот и т.п.), в качестве объектов нанотехнологических разработок, с проявлениями, открытиями и внедрениями 
нанобиотехнологических процессов в разнообразные отрасли 
науки и производства, медицины, фармакологии, мониторинга, 
безопасности, социальной сферы и т.п., открывающими необыкновенные перспективы и сулящими человечеству очередную 
технологическую революцию во всех сферах деятельности.
Содержание книги включает определение нанотехнологий, историю возникновения и развития нанотехнологий в России и мире, проблемы, с которыми сталкиваются специалисты 
в этой области, начиная с организации многопрофильного 
и междисциплинарного образования, выращивания качественных кадров и заканчивая собственно нанотехнологическими 
проблемами биобезопасности. Важное место в нанотехнологиях занимают способы получения наноматериалов, а также современный инструментарий, в первую очередь сканирующая 
микроскопия высокой степени разрешения, позволяющая «отслеживать» топографию поверхности нанопродукта. В материале издания дана классификация нанообъектов, приводится 
краткое описание основных их видов: кластеры, фуллерены, 
графен, нанотрубки, карбин, вискеры, дендримеры, фракталы, 
фотонные кристаллы, нанокомпозиты, гибридные материалы, 
гетероструктуры и т.д. – и их характеристика и раскрываются 
перспективы применения указанных наноматериалов в нано

Предисловие
Предисловие

технологиях. С использованием квантово-механических подходов подведено обоснование квантово-размерных эффектов, 
вызывающих появление уникальных свойств наноматериалов, 
например, зависимости испускаемого наночастицей (квантовой 
точкой) света от ее размера. Рассматриваются получение и перспективы использования полупроводниковых нанокристаллов (КТ) как флуоресцирующих материалов нового поколения 
в биологических и медицинских исследованиях, а также получение и пути использования конъюгатов КТ с биологически активными молекулами (визуализация биологических объектов, 
диагностика раковых заболеваний и т.д.). В рамках нанобио- 
и бионанотехнологий рассматриваются природные и синтетические супрамолекулярные системы, обсуждаются вопросы 
самосборки, самоорганизации, молекулярного узнавания и реагирования, имеющие значение для формирования наноматериалов и биоматериалов. Описываются природные белки как иерархические структуры и приводятся примеры использования 
определенных групп белков и ферментов в нанотехнологических целях. Приводятся структура и функции иммуноглобулинов 
как чрезвычайно удобных объектов для наноконструирования 
и результаты научных исследований по созданию молекулярного конструктора на основе иммуноглобулинов с перспективой 
применения в медицине. Описываются данные, иллюстрирующие направления изучения потенциала белков-ферментов 
в био- и нанобиотехнологиях (инженерная энзимология, мицеллярная энзимология, химические и генетические модификации 
ферментов с целью придания новых свойств). Рассматриваются 
вопросы биомиметики и перпективы разработки молекулярных моторов на основе механизмов функционирования известных клеточных систем: АТФ-синтазы, флагеллярного мотора 
бактерий, мышечного сокращения (миозин) и т.п.
В содержании и методике изложения материала учитывается уровень подготовки студентов биологических специальностей по смежным (математика, физика, физхимия и т.п.) 
и специальным (биология, биохимия, молекулярная биология, 
физиология, генетика, генетическая инженерия и другие) предметам и устанавливается взаимосвязь нанотехнологий и современных областей знаний.
Содержание и объем издания по органической химии преследуют цели обеспечения высокого уровня профессиональной 

Научные основы биотехнологии. Часть I

подготовки студентов в области биологии с учетом новейших 
современных тенденций в развитии научных знаний. Для студентов естественнонаучных дисциплин материал данного издания позволяет достичь необходимой широты и глубины научного мировоззрения для подготовки полноценного учителя 
биологии с высоким профессиональным уровнем.
Все ценные замечания и предложения, направленные 
на улучшение издания, будут приняты авторами с благодарностью. 

I. ВВедеНие. оСНоВНые  
ПоНятия НАНотехНолоГии. 
иСтоРия СтАНоВлеНия  
и РАЗВития

1. НАНотехНолоГии – что это?

Известно множество определений нанотехнологий. Ведущая организация в области нанотехнологий в России ГК «Роснанотех» предлагает рассматривать нанотехнологии как совокупность методов и приемов, применяемых при изучении, 
проектировании, производстве и использовании структур, 
устройств и систем, включающих целенаправленный контроль 
и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия 
составляющих их наномасштабных элементов (1–100 нм) для 
получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами.
Единое и всеобъемлющее определение нанотехнологии, 
по-видимому, невозможно ввиду множественности аспектов 
этой области знаний. Коротко можно определить нанотехнологии как совокупность процессов, позволяющих создавать 
материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется в первую очередь наноструктурой 
(1–100 нм).
Наноматериалы – это продукты нанотехнологий, важнейшие функциональные свойства которых связаны с наноуровнем 
их структуры (рис. 1.1).
Важнейшая стадия нанотехнологии – химический синтез 
нанопродуктов, поэтому может показаться, что химия ближе 
всего к нанотехнологиям. Недаром ученые (Нобелевский лауреат Р. Хоффман, физик) шутят, что наконец-то «для химии люди 
нашли новое название и теперь у них появился стимул изучать 
то, что они не желали изучать в школе». 
Действительно, химики занимаются нанотехнологиями 
на протяжении уже двух с половиной столетий. Но все же если 

Научные основы биотехнологии. Часть I

объектами «обычной» химии являются атомы и молекулы, 
то наноматериалы – это качественно новые объекты, более 
сложные образования, как правило, обладающие уникальными 
свойствами, не обнаруживаемыми макровеществами.
В мире современных наук нанотехнологии занимают место между ядерной, атомной физикой и химией, с одной стороны, и биологией – с другой (рис. 1.2).
Примечательно также, что если обычная промышленность работает с тоннами и кубометрами материалов, то на
Атомы

Молекулы 
1–10 нм

Молекулярные ансамбли
Конденсированные системы и композиты

Макроскопические 
объекты 
>1 мм

10–1000 нм

Рис. 1.1. Сравнительные масштабы объектов микро- и макромира

Рис. 1.2. Сравнение размеров наночастиц с бактериями,  
вирусами и молекулами

I. Введение
I. Введение

номатериалы – продукты высоких технологий – не требуют 
многотоннажного производства: граммы таких веществ могут 
решить множество проблем. 
Наноматериалы – это множество разных материалов, 
объединенных в различные семейства с практически полезными и интересными, как правило, необычными свойствами. 
Одна из уникальных специфик наномира состоит в поразительном многообразии форм организации вещества при 
постоянном химическом составе. Так, неожиданно оказалось, 
что диоксид титана, широко известный как основной компонент титановых белил, может служить совершенно для 
других целей (рис. 1.3). Этот оксид на наноуровне образует 
0-мерные наночастицы, 1-мерные нановискеры и нанотрубки, аэрогели и мезопористые материалы, способные очищать 
воду и воздух и обладающие целым рядом других полезных 
свойств. 

Рис. 1.3. Формы организации TiO2 в наномире:  
а) нановискеры; б) наночастицы; в) нанотрубки;  
г) пленки; д) мезопористый материал

При уменьшении размеров объектов до наноуровня 
(10–20 нм) многие хаактеристики твердых тел резко изменяются. Вещества на наноразмерном уровне обнаруживают 
уникальные свойства (химические, физические, механические, биологические), не характерные для макроразмерного 
их состояния: многократно повышается электропроводность, 
в десятки раз возрастает прочность, меняются прозрачность 
и магнетизм, резко изменяется реакционная способность, 
на сотни градусов падает температура плавления (рис. 1.4), 
появляется способность к самосборке, цвет начинает зависеть от размера (наночастицы золота 100 нм – красного цвета, 
50 нм – зеленого) и т.д.