Применение микроорганизмов в нанотехнологии

Применение микроорганизмов в нанотехнологии

Как известно, живые организмы способны создавать вещества с поразительными свойствами. В последнее время ученые-материаловеды обратили внимание на мельчайшие живые организмы – вирусы, бактерии и грибы. Оказывается, микроорганизмы способны не только вырабатывать различные нужные для современных технологий вещества, но и сами могут служить важными компонентами новых материалов.

Например, ученые начинают использовать микроорганизмы для сборки кристаллов в сложные геометрические структуры или в качестве живой матрицы для роста кристаллов. Новые способы управлять ростом кристаллов вызвали огромный интерес среди материаловедов, так как существует теснейшая связь между структурой материала и его свойствами.

Размеры некоторых микроорганизмов, например, вирусов, не превышают нескольких десятков нанометров в длину. До сих пор не удается получить однородные синтетические частицы таких размеров. Микроорганизмы же достаточно доступны, имеют одинаковый размер, и приемы работы с ними относительно просты. Как правило, для жизнеобеспечения микроорганизмов требуются умеренные температура, давление и кислотность среды. Поэтому микробы – идеальные кандидаты для разработки новых экологически чистых технологий, взамен прежних процессов, где часто применяются высокие температуры, давление и агрессивные среды.

Многие микроорганизмы вырабатывают неорганические вещества, которые представляют интерес для материаловедов. Одноклеточные диатомовые водоросли производят кремнезем – соединение кремния с кислородом, состав которого соответствует обычному стеклу. Другие микроорганизмы способны образовывать из оксидов железа микроскопические магнитные частицы.

Некоторые микроорганизмы способны усваивать соединения металлов и затем в процессе биосинтеза накапливать металл в виде структур со строгой пространственной конфигурацией. В 1999 г. была опубликована статья группы исследователей из Университета города Уппсала (Швеция), в которой описан биосинтез кристаллов солей серебра бактериями Pseudomonas stutzeri штамма AG259. Этот вид бактерий обитает на месторождениях серебряных руд. В процессе метаболизма между цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой бактерий, в основном у полюсов клетки, образуются кристаллы солей серебра размером до 200 нм. Было показано, что бактерии способны образовывать не менее трех различных типов кристаллов с четкой пространственной структурой. Ученые предполагают, что, изменяя условия культивирования бактерий, можно будет синтезировать кристаллы с заданными параметрами. Возможность получать микрокристаллы серебра размером несколько нанометров чрезвычайно важна для микроэлектроники. Искусственное получение подобных микрокристаллов отличается малой производительностью при высоких затратах.

Рис. 1. Электронная микрофотография тонкого среза клеток P. stutzeri AG259. Видны крупные кристаллические частицы Ag и Ag2S, заключенные между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной.

Необычные способности микроорганизмов можно усилить методами генной инженерии. В 2000 г. группа исследователей из Копенгагенского университета опубликовала данные о регуляторном воздействии белков на процесс роста кристаллов. Было показано, что на поверхности клеток генетически модифицированной бактерии Esherichia coli вырабатываются белки, способные связываться с частицами золота. По меньшей мере три таких белка, выделенных из клеток E. coli, ускоряли кристаллизацию золота из раствора и определяли морфологию полученных кристаллов.

Группа датских ученых работает над изучением бактериальных генов, ответственных за выработку белков, которые способны связываться с поверхностью различных неорганических материалов. В 2002 г. исследователи сообщили, что им удалось выделить из генетически модифицированной E. coli и изучить аминокислотный состав и структуру ряда белков, которые способны избирательно соединяться с определенными гранями кристалла цеолита. (Цеолит – неорганическое соединение алюминия и кремния, его пористые кристаллы используют в качестве фильтров и катализаторов. Отдельные грани кристалла цеолита слегка отличаются по пространственной структуре).

В настоящее время эта группа изучает генетически модифицированные штаммы E. coli в поисках белков, которые способны связываться с другими неорганическими соединениями, например, со слюдой. Такие белки могут стать полезными инструментами при создании новых материалов для полупроводниковых технологий, химического катализа и т. д.

Ещё больше возможностей предоставляют вирусы. Их применение может открыть новые подходы к направленному синтезу материалов. До сих пор никому не удалось синтезировать однородные стержнеобразные полимерные частицы размером с вирус. А между тем, частицы такого размера представляют большой интерес для физиков, так как они способны объединяться в структуры наподобие жидких кристаллов и при этом свободно перемещаться в растворе.

Чтобы исследовать процесс самоорганизации вирусных частиц, группа исследователей из Университета Брандейс (Brandeis University), США, создает методами генной инженерии вирусы с частицами определенной длины. Затем суспензию вирусов смешивают с полимерными шариками и исследуют полученные структуры.

Материаловеды уже используют технологии самосборки для того, чтобы воздействовать на структуру создаваемых материалов вплоть до нанометрового уровня. К примеру, группа ученых под руководством A. M. Belcher использует частицы вируса, покрытые различными неорганическими материалами. Обработанные таким образом вирусы собираются в сложные пространственные структуры, которые представляют потенциальную ценность для создания оптических, магнитных и электронных устройств. В 2002 г. эта группа осуществила генетическую модификацию белков на верхнем конце частиц бактериофагов таким образом, чтобы фаги могли связываться с полупроводниковыми кристаллами сульфида цинка. При достаточно высокой концентрации частиц бактериофага в растворе они самостоятельно организовывались в структуру наподобие жидкого кристалла, в которой полупроводниковые кристаллы располагались по одной линии. Иными методами крайне трудно добиться такого расположения полупроводниковых материалов.

Описанный метод позволяет организовывать вирусы в миниатюрные провода. Вирусы были генетически модифицированы таким образом, чтобы на поверхности их белковой оболочки находились пептиды, способные связывать сульфид цинка или сульфид кадмия.

С помощью генной инженерии исследователи стремятся добиться того, чтобы вирус мог создавать оболочку из полупроводникового материала по всей длине образующейся цепочки, а на концах вирусной частицы находились определенные химические группы. Предполагается, что эти химические группы будут служить своеобразными «разъемами», с помощью которых можно будет соединять покрытые полупроводниковым слоем вирусы в определенные структуры на плоскости. Таким образом можно будет создавать своего рода полупроводниковые схемы. В будущем ученые надеются найти способ объединять такие схемы в простейшие электронные устройства, размером на порядок меньше, чем обычные электронные чипы.

Вирусы, имеющие определенные химические группы на каждом конце, можно использовать и другим образом. Можно добиться, чтобы с одним концом вируса связывался магнитный материал, а с другим – какое-либо токсичное вещество. Теоретически такие конструкции можно будет применять для удаления токсичных примесей из раствора с помощью магнитного поля.

Рис. 2. Частица генетически модифицированного вируса (слева), покрытая частицами полупроводникового материала – сульфида цинка (в центре). На фото справа видно, что модифицированные вирусы образуют структуры, напоминающие провода.

Группа ученых из Университета штата Монтана сосредоточила свои усилия на другом аспекте биологии вирусов. Белковую оболочку вируса можно модифицировать (химическим путем либо методами генной инженерии) с таким расчетом, чтобы к ней присоединялись частицы определенного вещества. Можно добиться управляемого «включения» и «выключения» связывающих механизмов, при этом частицы вещества будут попадать внутрь или выходить наружу. Такие модифицированные вирусные оболочки могут служить для сборки новых материалов буквально «по крупице». Группа ученых под руководством M. Young ставит своей целью создание магнитных устройств для хранения информации путем включения в белковые структуры вирусов кристаллов магнетита или иного магнитного материала.

Ученым удалось выделить из бактерий и архебактерий белковые структуры, сходные с пространственной структурой молекулы ферритина – белка, который является резервным источником железа в клетках млекопитающих. Теперь, чередуя белковые структуры вирусов и ферритиноподобные структуры, исследователи стремятся создать двумерные системы, которые можно будет использовать в магнитных устройствах для хранения информации.

Хотя с точки зрения создания экологически чистых производств достаточно умеренные условия жизнедеятельности микроорганизмов являются преимуществом, они могут стать препятствием для применения таких организмов в жестких условиях многих современных производственных процессов. Young предлагает преодолеть эти препятствия двумя способами. Его сотрудники собирают образцы термофильных организмов в горячих источниках Йеллоустоунского Национального парка, а также подвергают белковые оболочки вирусов химической модификации, после чего вирусы становятся более устойчивы к температуре и кислотности среды.

На данный момент этой группе удалось выделить или создать искусственно белковые структуры, которые переносят интервал рН от 1 (сильнокислая среда) до 11 (слабощелочная). Некоторые из этих структур выдерживают температуры более 100º С. После таких успехов можно ожидать, что микроорганизмы будут применяться для синтеза материалов в различных областях техники.

Поскольку структуры белковых оболочек многих вирусов хорошо изучены даже на атомном уровне, они могут стать исключительно полезным инструментом для конструирования наноструктур. В 2002-2003 гг. группой под руководством M. G. Finn из калифорнийского Scripps Research Institute был опубликован ряд сообщений о создании генетически модифицированного вируса мозаики коровьего горошка. Белковая оболочка вируса содержит остатки серосодержащих аминокислот, к которым впоследствии присоединяются частицы золота и флуоресцентные красители. Ученые намереваются использовать такие конструкции как строительный материал для построения электрических схем или новых материалов. В настоящий момент в этой лаборатории ведется работа еще над несколькими видами вирусов. Руководитель исследования специально подчеркивает, что ни один из этих вирусов не способен инфицировать человека.

Предложен ещё один подход к созданию высокотехнологичных материалов: к наночастицам присоединяется одноцепочечная ДНК, которая может связываться с комплементарной последовательностью другой молекулы ДНК. Таким образом можно объединять наночастицы в двух- и трехмерные структуры, которые также могут быть полезны при конструировании электронных устройств.

Настоящими «живыми матрицами» для разработки материалов с заданными нано- и микрохарактеристиками являются грибы Исследователям из Northwestern University (США) удалось покрыть тонки слоем золота гифы – тонкие волокна, образованные грибом. Гифы отличаются постоянством диаметра, а их толщина индивидуальна для каждого вида гриба. Споры гриба Aspergillus niger культивировали в присутствии частиц золота размером 13 нм. Частицы оседали на поверхности гиф. К частицам золота были присоединены фрагменты одноцепочечной ДНК, что позволяло присоединять другие микроскопические объекты, на поверхности которых находились комплементарные фрагменты ДНК. Аналогичные манипуляции были проделаны и с другими видами грибов, которые образуют гифы различного размера. Таким образом можно конструировать достаточно сложные структуры из наночастиц. Возможно также покрывать микроорганизмы слоем частиц, например магнитного или полупроводникового материала. Было предложено также покрывать гифы слоем катализатора, что позволит обеспечить большую площадь контакта с катализатором для проведения химических реакций. С помощью грибов можно будет создавать материалы заданной наноструктуры для применения в оптике и электронике.

Рис. 3. Схематическое изображение живой матрицы. К поверхности гифы прикрепляются наночастицы золота, соединенные с одноцепочечными молекулами ДНК (а). Другие частицы, несущие на поверхности комплементарные участки одноцепочечной ДНК, связываются с частицами золота (b). Таким образом можно покрывать гифу дополнительным слоем частиц различного размера из разных материалов. По мере роста гифы (с) все новые и новые поверхности покрываются слоем материала (d, e).

Рис. 4. Электронные микрофотографии. Верхнее фото: поперечный срез гифа гриба с нанесенными на поверхность наночастицами золота. Нижнее фото: при большем увеличении видны отдельные частицы золота.

По-видимому, взаимосвязь между материаловедением и микробиологией будет еще более углубляться. Применение микроорганизмов способно существенно упростить разработку новых материалов, так как именно микроскопическое строение материала в конечном счете определяет его свойства.

Источники:

G. Gorman. Microbial Materials. Science news, July, 5, 2003 (http://www.sciencenews.org/20030705/bob8.asp).

M. Sarikaya. Biomimetics: Materials fabrication through biology. PNAS, December, 7, 1999 (http://www.pnas.org/cgi/content/full/96/25/14183).

T. Klaus, R. Joerger, E. Olsson and C.-G. Granqvist. 1999. Silver-based crystalline nanoparticles, microbially fabricated. PNAS, November, 23, 1999 (http://www.pnas.org/cgi/content/full/96/24/13611).