Нанобиотехнологии

Москва
Лаборатория знаний

2020

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

ПРАКТИКУМ

Под редакцией
чл.корр. РАН А. Б. Рубина

4е издание, электронное

УДК 57
ББК 28.07
Н25

С е р и я о с н о в а н а в 2006 г.

А в т о р ы:
А. М. Абатурова, Д. В. Багров, А. А. Байжуманов, А. П. Бонарцев,
А. Р. Браже, Н. А. Браже, В. К. Ванаг, П. В. Гулак , А. Н. Дьяконова,
Д. В. Зленко, И. Б. Коваленко, Н. А. Крупенина, А. В. Локтюшкин,
О. Г. Лунева, Е. Г. Максимов, П. А. Мамонов, Д. Н. Маторин,
А. М. Нестеренко, В. Н. Новоселецкий, В. А. Осипов, Е. Ю. Паршина,
Г. Ю. Ризниченко, А. Б. Рубин, А. А. Розенкранц, М. Г. Страховская,
Ю. В. Храмцов, А. А. Черкашин, К. В. Шайтан, А. О. Шумарина,
А. И. Юсипович
Р е ц е н з е н т ы:
д-р биол. наук, профессор кафедры биофизики биологического
факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Г. В. Максимов;
заместитель декана факультета наук о материалах МГУ, членкорреспондент РАН Е. А. Гудилин

Н25
Нанобиотехнологии : практикум / под ред. А. Б. Рубина. —
4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 403 с. —
(Нанотехнологии). — Систем. требования: Adobe Reader XI ;
экран 10".— Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-728-8
Практикум по курсу «Нанобиотехнологии» разработан сотрудниками
кафедры биофизики и биоинженерии биологического факультета МГУ
им. М. В. Ломоносова. Включает описание современных приборов (атомносиловая микроскопия, конфокальная микроскопия, лазерная интерференционная микроскопия, спектроскопия КР и ЭПР) и методов моделирования,
а также цикл лабораторных работ, посвященных применению наноструктур
(квантовые точки, коллоидные частицы, липосомы) как для повышения
эффективности биологического исследования, так и для обучения основам
нанобезопасности.
УДК 57
ББК 28.07

Деривативное издание на основе печатного аналога: Нанобиотехнологии : практикум / под ред. А. Б. Рубина. — М. : БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2011. — 384 с. : ил., [8+8] с. цв. вкл. — (Нанотехнологии).
ISBN 978-5-9963-0627-5

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-728-8
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

На биологическом факультете Московского государственного
университета им. М. В. Ломоносова с 2008 г. ведется подготовка
кадров по современным направлениям исследований в области нанобиотехнологий. Ученый совет биологического факультета МГУ
на своем заседании 14 мая 2009 г. одобрил создание новой межкафедральной специализации «Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии» для студентов 4–5 курсов. В этой работе принимают
участие кафедры биофизики, биоинженерии, вирусологии, эмбриологии и генетики, а также ряд других факультетов: физический, химический, наук о материалах, биоинженерии и биоинформатики,
фундаментальной медицины. Участие в научно-исследовательских
разработках в сфере нанобиотехнологий требует от современного молодого специалиста, наряду с глубоким знанием своей узкой области,
широкого научного кругозора, понимания основных проблем и подходов смежных наук — физики, химии, биологии, материаловедения,
медицины. Поэтому при подготовке специалистов в этой области на
биологическом факультете необходим выход за рамки не только отдельных кафедр, но и факультетов, обеспечивающий специалисту дополнительные знания и исследовательские навыки, требующиеся для
работы по междисциплинарным направлениям.
Основные принципы подготовки специалистов в области нанотехнологий на биологическом факультете:

Мультидисциплинарный характер образования, обеспечиваемыйпараллельнымпреподаваниемфундаментальных основсоставляющих дисциплин (математика, информатика, физика,
химия, биология).

Обеспечение постоянной связи учебного процесса как с фундаментальными научными исследованиями, ориентированными на
понимание основ нанотехнологий, так и с решениями инженерных (прикладных) проблем с помощью нанотехнологий.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Постоянный контакт с научно-исследовательскими и производственными учреждениями как необходимый элемент учебного процесса.

Подготовка проводится с использованием современного научно-исследовательского и производственного оборудования
в режиме модульного обучения. Она должна включать выполнение студентами курсовых, дипломных, магистерских проектов, а также защиту кандидатских диссертаций, в которых
сочетаются фундаментальные и прикладные аспекты нанотехнологий, начиная с формулировки темы и целей исследования
и методов выполнения работы.

Внедрение современных методов обучения, включая дистанционное обучение и обучение на современном оборудовании
в специальных центрах. На основе апробированных лекционных и семинарских курсов, опыта проведения практических
занятий будут оперативно готовиться учебники, учебные и
методические пособия, которые можно будет использовать
для эффективного обучения молодых кадров в других российских вузах. На факультете создаются специальные курсы и
практикумы, затрагивающие многие аспекты этой развивающейся отрасли фундаментальной, прикладной науки.
Представленное методическое пособие для практикума по курсу
«нанобиотехнологии» разработано сотрудниками кафедры биофизики и биоинженерии биологического факультета. Оно включает
описание современных приборов (атомно-силовая микроскопия,
конфокальная микроскопия, лазерная интерференционная микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) и ЭПР) и методов моделирования и цикл лабораторных работ, посвященных
применению наноструктур (квантовые точки, коллоидные частицы,
липосомы) для повышения эффективности биологического исследования. Пособие предназначено для студентов, магистров и аспирантов, специализирующихся в области нанотехнологий.

М. П. Кирпичников,
академик РАН

4
Предисловие

Первое упоминание о методах, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, американская пресса связывает с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места»
(англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom») 29 декабря 1959 г.
в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной
сессии Американского физического общества. В этой речи он пророчески заметил: «В 2000 г., когда оглянутся на эту эпоху, то удивятся, почему же на пороге 60-х никто серьезно не стал двигаться
в этом направлении». Под «этим направлением», как принято
считать, Фейнман имел в виду решение задачи манипулирования и управления объектами в очень малых масштабах. Собственно, именно эту программную речь Фейнмана и рассматривают чаще всего как начало истории нанотехнологий. Хотя справедливости ради надо отметить, что и изобретатели туннельного
микроскопа Герд Биннинг и Генрих Рорер, и первый человек, который начал писать слова атомами на поверхности кристалла, Дон
Эйглер, признались в своих интервью, что не знали об этой работе
Фейнмана.
Впервые же термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 г. Он назвал так субмикронные технологии, которые в то
время тоже считались фантастикой. Сам термин «нанотехнология»
стал популярен после того, как в 1980-х годах Эрик К. Дрекслер
широко использовал его в своих книгах: «Машины создания: грядет эра нанотехнологии» и «Наносистемы: Молекулярные машины, производство, и расчет». В этих книгах Дрекслер пытался
представить, к чему приведет развитие новых технологий, создающих нанопроцессоры и наномашины. И надо заметить, что как раз
благодаря выступлениям Эрика К. Дрекслера отцом нанотехнологии считают Ричарда Фейнмана. Нанотехнология — слово, состоящее из трех греческих слов: nanos (карлик) – дольная приставка,

ВВЕДЕНИЕ

обозначающая одну миллиардную часть, techne – искусство, мастерство и logos – учение. Термин практически не употреблялся до
начала 1990-х годов, пока в Америке не начала работать программа под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива». С этого времени, сначала американское, а затем японское и европейское научные сообщества начали связывать очередной
прогресс сразу в нескольких дисциплинах с развитием нанотехнологий. Как в научной, так и в популярной литературе стали употреблять такие термины, как «наночастицы» (НЧ), «наноматериалы» и «нанотехнологии». Что же такое «наноструктуры», «наноматериалы» и «нанотехнологии»? Из-за чего к ним прикован такой
интерес со стороны научного мира и идет значительное бюджетное
финансирование исследований по этой теме во всем мире? Дело
в том, что при уменьшении размеров вещества от «макроразмеров»
к размерам от 1 до 100 нм резко меняются его свойства — с увеличением поверхностной энергии изменяется его поверхностное натяжение, температуры плавления и структурных переходов, может
измениться сама структура, электронные и оптические характеристики — то есть весь спектр физико-химических свойств, чего
не наблюдается для веществ в макросостоянии.
Согласно определению Нобелевского лауреата Ж. И. Алферова,
«если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной,
двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба
возникает новое качество или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с
ними — к нанотехнологиям».
В «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» (2004 г.) нанотехнология определяется как совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и
модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами
менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого
получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в функционирующие системы большего
масштаба. Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для
создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и НЧ.

6
Введение

Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать
хоть одним линейным размером менее 100 нм — это могут быть
макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создается с разрешением на уровне отдельных атомов или которые содержат нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает
также методы диагностики и исследования таких объектов.
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких размерах макроскопические технологии часто неприменимы, а микроскопические явления, роль которых пренебрежительно мала на привычных масштабах, становятся
намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса, квантовые эффекты).
Для изучения структуры нанообъектов в настоящее время используются различные виды микроскопии. Так с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) можно не только увидеть
отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в
частности перемещать атомы по поверхности. Например, в исследовательском институте IMRE в Сингапуре, последовательно перемещая атомы золота на поверхности кристалла золота, сотрудники смогли выложить слово NANO, используя 51 атом золота.
В настоящее время в исследовательских лабораториях применяют не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ
в комплексе с флуоресцентной микроскопией, микроскопией комбинационного рассеяния света, конфокальной микроскопией, микроскопией с насыщением люминесценции, рентгеновской микроскопией, растровой сканирующей электронной микроскопией и др. Для
создания НЧ выделяют два основных пути. Один хорошо известный — «сверху вниз», при котором используют диспергационные
технологии для измельчения крупных частиц, другой — «снизу
вверх», когда атомы и молекулы заставляют самоорганизовываться
в упорядоченные структуры размером в несколько нанометров
(золь-гель метод, криохимическая технология, синтез с использованием микроэмульсий и жидкокристаллических матриц, синтез
в органических мицеллах). Частицы размерами от 1 до 100 нм
обычно называют «наночастицами». Оказалось, что при уменьшении размера НЧ приобретают новые электрические и механические
свойства, до этого им несвойственные. Так, например, выращен
Введение
7

ные методом эпитаксии (послойного наращивания) нанопроволоки
кремния обладают в десятки раз большей прочностью, чем обычные образцы. Это происходит из-за того, что нанопроволока —
это монокристалл, и в ней практически отсутствуют пластические
деформации. Наночастицы золота и серебра (в обычном состоянии
эти металлы практически не участвуют в химических реакциях)
обладают очень хорошими каталитическими свойствами. Так как
в нанотрубках диаметром в несколько нанометров электрон проводимости проявляет в основном свои волновые свойства, то электричество «превращается в оптику». Кроме того, при прохождении тока не выделяется «джоулево тепло». Эту необычную проводимость в наномире, которая не зависит от длины нанотрубки,
площади ее поперечного сечения и не сопровождается выделением теплоты, назвали баллистической (от греч. ballo — бросаю;
баллистика — наука о движении артиллерийских снарядов, пуль
и т. п.). На практике это означает, что создание нано- взамен микросхем приведет к тому, что приборы станут меньше нагреваться.
Приведем примеры наиболее распространенных материалов,
синтезированных на основе НЧ со специфическими свойствами,
которые определяются наноразмерами составляющих их элементов.

Углеродные нанотрубки — протяженные структуры, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных сеток с атомами углерода в узлах. Открыты в 1991 г.
японцем Иджимой. Диаметр нанотрубки — от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон.
Верхние концы трубочек обычно закрыты полусферическими
головками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы
фуллерена.

Фуллерены — аллотропные формы углерода, содержащие
четное (более 20) количество атомов углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники. Фуллерены
(футболены) были открыты в 1985 г. Атомы в молекулах фуллеренов расположены на поверхности сферы или сфероида в
вершинах гексагонов и пентагонов.

Графен — монослой атомов углерода, соединенных посредством sp2 связей в гексагональную кристаллическую решетку.
Его можно представить как одну плоскость графита, отделен
8
Введение

ную от объемного кристалла. Впервые получен в октябре
2004 г. С этим материалом связаны надежды на создание баллистического транзистора, который будет работать при комнатной температуре.
Большое значение имеет и то, что в наномире изменяются и оптические свойства веществ. Было обнаружено, что полупроводниковые НЧ, известные также как квантовые точки, начинают флуоресцировать на свету. При этом длина волны флуоресценции зависит
от размера квантовой точки. Используя эти свойства, созданы
квантовые точки с заданными размерами, способные избирательно
присоединяться к различным клеточным структурам. В настоящее
время они широко применяются для многоцветной визуализации
биологических объектов (вирусов, клеточных органелл, клеток,
тканей) in vitro и in vivo. Размеры клеток и их органелл, как правило, значительно превышают 100 нм, что не позволяет их отнести
непосредственно к нанообъектам. Однако компоненты клетки и
органеллы образуют уникальные наноразмерные структуры, значительно отличающиеся по своим свойствам от агрегатов этих же
веществ в растворе. В качестве примера можно рассмотреть биологические мембраны — клеточные органеллы, образованные из комплексов белков, липидов и полисахаридов и выполняющие различные функции в клетке, главным образом защитную и транспортную. При этом липиды в мембране образуют ориентированную
структуру — бислой, в котором заряженные головки их молекул
направлены в водную среду, а гидрофобные части молекул —
«хвосты» — обращены друг к другу. Внутри липидного бислоя
мембран расположены белки, а также другие вещества. В клетках
толщина биологических мембран менее 100 нм; внутри них происходит большое количество сложных и жизненно важных процессов, что позволяет напрямую относить биологические мембраны
к микроструктурам, имеющим наноструктурированную поверхность.
Другим примером биологических наноструктур могут быть
хромосомы — структуры ядра клетки, содержащие генетическую
информацию. Хромосомы имеют сравнительно большие размеры — 0,2–20 мкм и достаточно сложное внутреннее строение.
Основа хромосомы — линейная макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), состоящая из специальным образом свя
Введение
9

занных между собой пар азотистых оснований. Помимо ДНК, в
состав хромосомы входит несколько типов специализированных
белков — гистонов и ряд негистоновых белков. В покое макромолекула ДНК обвивает октамеры (структуры, состоящие из восьми
белковых глобул) гистонов, образуя структуры, названные нуклеосомами. В целом вся конструкция несколько напоминает бусы, последовательность нуклеосом называется нуклеофиламентом, диаметр которого составляет около 10 нм, что позволяет отнести хромосомы в категорию наноструктур.
Пространственно-временные изменения белков, их синтез и
распад в процессе жизнедеятельности тканей и клеточных структур,
а также воздействие на них внешней среды, реагентов и лекарств,
должны проявляться на различных уровнях клеточной организации, в том числе и на наноскопическом. Подобная задача становится особенно актуальной в связи с развитием нанобиотехнологии и ее медицинских приложений, в которых ключевую роль
играют исследование различных функционирующих клеток и изучение действия на клетки наночастиц. Поскольку вследствие малого размера НЧ проходят через гематоэнцефалический барьер
и могут накапливаться в клетках различных органов, они способны влиять не только на наноскопическом уровне клеточной
организации, но и на более высоких: макро-, микро- и субмикро-.
Поэтому перед исследователями встает вопрос о безопасности для
человека и экосистемы НЧ и веществ, образующихся при производстве и применении наноматериалов. Одним из направлений современных нанобиотехнологий является использование природных
и модифицированных биологических молекул (пигменты, ДНК,
белки, и т. д.) в различных устройствах, например электронных
или фотонных. Особый интерес представляет применение природных светочувствительных пигмент-белковых комплексов, таких как
реакционные центры (РЦ) фотосинтеза или бактериородопсин. Они
могут стать активными элементами высоэффективных биосенсорных устройств или систем преобразования солнечной энергии.
Разработка миниатюрных и высокоэффективных искусственных
«биоаккумуляторов» является весьма многообещающим направлением, так как лучшие современные солнечные батареи имеют
коэффициент полезного действия (КПД) не выше 15–17%, в то
время как расчеты показывают, что, используя фотосинтетические

10
Введение