Использование ДНК для получения наноструктур

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра «Материалы, технологии и конструирование машин»

 

 

 

 

 

Процессы получения наночастиц и наноматериалов, нанотехнологии

 

Курсовая работа по теме:

Использование ДНК для получения наноструктур

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка группы МТН -11                                        Ложкина Ю.А.

 

Проверил                                                                                       Кульметьева В.Б.

                                                                                                  Порозова С.Е.

 

 

 

Пермь 2013

 

Реферат 26 стр., 8 рис., 26 источников.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ, НАНОКОНСТРУКЦИИ, ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ, НАНОМОСТИКИ, ДАУНОМИЦИН (ДАУ), ЭНТРОПИЙНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ, ЭНТАЛЬПИЙНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ, ПОЛИКАТИОН, ХИТОЗАН, АМПЛИФИКАЦИЯ, КОНФОРМАЦИЯ МОЛЕКУЛ, ДНК – ОРИГАМИ, КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ, ОТЖИГ, ОКТАЭДР.

 

Слова "нанотехнология", "наночастицы", "наноматериалы" известны уже широкому кругу исследователей. Действительно, манипуляции на уровне отдельных атомов позволяют создавать новые "структурированные" материалы и устройства, обладающие заранее заданными уникальными свойствами. В последнее время в научный оборот вошло такое понятие, как «нанобиотехнология», то есть формируются новые направления нанотехнологии, в которых "строительными блоками" при конструировании наноструктур служат молекулы биологического происхождения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

	Введение	4 - 5
1	Биологические макромолекулы и нанотехнология	6 - 7
2	Нуклеиновые кислоты – основа для создания наноконструкции	7 - 8
3	Пространственное упорядочение двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот в результате «энтальпийной конденсации» и наноконструкции на основе этих молекул	9 - 13
4	Пространственное упорядочение комплексов двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот с поликатионами в результате «энтальпийной конденсации» и наноконструкции на основе этих поликатионов	13 - 18
5	Области применения наноконструкции на основе двухцепочечных молекул ДНК	18 - 19
6	ДНК – оригами	19 - 20
6.1	Двухмерные структуры из ДНК	20 - 22
6.2	Трехмерные структуры из ДНК	23
	Заключение	24
	Список использованных источников	25 - 26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Фундаментальные исследования явлений, происходящих в структурах, имеющих размеры от 1 до 100 нм, лежат в основе новой области науки и техники, называемой нанотехнологией.  Нанотехнология возникла из современных достижений и открытий в области визуализации, анализа и манипуляций со структурами, имеющими нанометровые размеры, контролируемого синтеза новых материалов и создания наноразмерных устройств.

Нанотехнологию можно определить как науку о создании и использовании «структурированных» материалов, устройств и систем с такими функциями, которые связаны с геометрическими размерами или специфическими особенностями наноструктур.

Принципиальную схему «составных частей» классической нанотехнологии, сложившихся к концу 20 века, иллюстрирует рис.1.

Комментируя приведенную на рис.1 схему, можно сказать, что «инженерная» (техническая) нанотехнология ориентирована на решение таких задач, как:

а) создание твердых тел и поверхностей с управляемой молекулярной структурой (создание наноматериалов);

б) конструирование новых типов химических соединений с управляемыми свойствами (наноконструирование);

в) создание наноразмерных самоорганизующихся и/или самореплицирующихся структур;

г) разработка устройств различного назначения (компоненты наноэлектроники, нанооптики, наноэнергетики и т.д.);

д) сопряжение наноразмерных устройств с электронными системами. [1]

Если говорить о наноматериалах на неорганической (в частности, кремниевой) основе, то можно выделить такие свойства этих материалов, как механическая прочность, сверхпроводимость, развитая поверхность и т.д. Создание наноматериалов и устройств, имеющих малый размер, низкую стоимость, низкое энергопотребление и т.д., открывает возможность их применения в различных областях науки и техники.

 

 

 

 

 

«Строительные блоки»

Атомы

Слои

 

 

                                              Наноструктуры

 

 

1.Дисперсия  2. Материалы с развитой   3.Функциональные  4. Композитные

и покрытия                поверхностью              наноструктуры         материалы

 

 

 

На схеме выделены основные направления исследований. К очень важному направлению относится совсем новое направление – «опасность нано(био)материалов»; первые дискуссии в рамках этого направления были проведены в декабре 2005г. [2].

Нанотехнологии должны обеспечить высокий потенциал экономического роста, они определяют качество жизни населения, технологическую и оборонную безопасность, ресурсо- и энергосбережение, т.е. полностью соответствует социальным запросам любого общества.

 

1 БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Материалы ряда семинаров и симпозиумов, проведенных в разных странах, в последнее время (см., например, материалы Международной конференции NanoTech 2005. May 8—12. Anaheim, California, USA) [3] показывают, что число исследований в областях нанотехнологии, в которых используются биологические макромолекулы,  стремительно увеличиваются. Такой интерес к биологическим молекулам является вполне оправданным. В процессе эволюции биологические молекулы приобрели целый ряд таких свойств, которые делают их крайне привлекательными для применения в нанобиотехнологии. Среди них можно отметить  следующие: во-первых, нужно отметить химическое многообразие «строительных блоков», таких как аминокислоты, липиды и нуклеотиды (нуклеозиды), несравнимое по своей численности со «строительными блоками» на неорганической основе; во-вторых, сами «строительные блоки» склонны к спонтанному, но регулируемому на молекулярном уровне образованию сложных пространственных структур; в-третьих, существует множество путей, по которым происходит сборка (полимеризация) «строительных блоков», что открывает возможность создания огромного ряда наноструктур. Иерархия самособирающихся биологических структур начинается с мономеров (т.е. нуклеотидов и нуклеозидов, аминокислот, липидов и др.), которые образуют биополимеры (такие, как ДНК, РНК, белки, полисахариды), затем их ансамбли (мембраны, органеллы) и, наконец, клетки, органы и даже организмы. (Можно сказать, что биология – это наука, в которой нанобиотехнология действительно «работает»). Наконец, нанобиоматериалы, зачастую получаемые в результате самосборки, могут иметь не только улучшенные свойства, но и уникальные области применения. Сочетание химической реакционной способности биополимеров, с их склонностью к созданию иерархических наноструктур, возможность промышленного получения биополимеров делают  эти молекулы удобным объектом для применения в нанотехнологии. Поэтому использование биологических молекул для создания искусственных наноструктур на основе принципов, предлагаемых природой, выглядит вполне естественным. Было бы странным не использовать для наноконструирования те возможности, которые широко предоставляет живая природа. Более того, успехи в химическом синтезе и биотехнологии, позволяющие сочетать «строительные блоки» разной природы, т.е. создавать «химерные» молекулы, содержащие в своем составе, например, аминокислоты и синтетические органические цепи, открывают фантастическую возможность – они позволяют создавать такие нанобиоматериалы и наноструктуры, которые, в принципе, отсутствуют в природе. Таким образом, можно ожидать, что по мере развития нанобиотехнологии будет происходить «перенос» биополимеров из мира биологии в мир техники.

 

2 НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ – ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАНОКОНСТРУКЦИЙ

Возможность применения нуклеиновых кислот для создания наноконструкции с регулируемыми параметрами основана на учете ряда свойств, характерных только для этих молекул:

а) одно – и двухцепочечные молекулы нуклеиновых кислот с заранее заданными последовательностями азотистых оснований могут быть получены в промышленных масштабах средствами современной биотехнологии;

б) высокая локальная жесткость коротких (длиной 500 - 1000Ǻ) молекул двухцепочечных нуклеиновых кислот при нормальных свойствах растворителя позволяет использовать такие молекулы в качестве «строительных блоков» без нарушения их свойств;

в) гибкая, одноцепочечная нуклеиновая кислота «узнает» комплементарную ей другую цепочку и за счет Н-связей образует с ней прочный комплекс, что открывает возможность для получения жесткой двухцепочечной структуры;

г) формирование мест «разветвления» в составе двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот в сочетании с комплементарными (узнающими, «липкими») концами позволяет создавать плоские решетки и сложные пространственные структуры;

д) предсказываемый и заранее программируемый характер пространственных форм жестких молекул двухцепочечных нуклеиновых кислот при изменении свойств растворителя и характер межмолекулярного взаимодействия в разных условиях открывают путь для направленной регуляции свойств создаваемых пространственных конструкций;

е) азотистые основания в пространственных структурах нуклеиновых кислот сохраняют способность не только к взаимодействию с разными химическими соединениями и биологически активными веществами, но и к их специфической ориентации относительно длинной оси молекулы нуклеиновой кислоты, что придает всей конструкции дополнительную химическую реакционную способность.

Наноконструирование на основе двухцепочечных нуклеиновых кислот, т.е. направленное создание сложных пространственных структур (наноконструкции, наноматериалов) с регулируемыми свойствами, «строительными блоками» которых являются молекулы двухцепочечных нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), вызывает в последнее время большой интерес исследователей [4-8].

В настоящее время описаны несколько стратегий создания наноконструкций на основе двухцепочечных нуклеиновых кислот, позволяющих контролировать структуру наноматериалов с молекулярной точностью.

В основе технологии создания наноконструкции, предложенной Н.Зиманом [9] в 1982г., лежит представление о создании пространственных структур в результате последовательной модификации исходной молекулы двухцепочечной ДНК, приводящей вначале к созданию плоской нанорешетки, а затем структур типа куба, октаэдра и т.д., ребрами жесткости, которых являются молекулы ДНК. В состав таких пространственных структур предполагается включать молекулы «гостей», что будет придавать по мнению авторов, наноконструкции новые, полезные свойства. Тем не менее, важнейшая задача наноконструирования – создание пространственных конструкций с управляемыми свойствами, содержащих в своем составе молекулы других соединений (гостей), не решена в рамках рассмотренной технологии. Эта технология, является трудоемкой, ресурсозатратной, она требует непрерывного контроля «качества» каждой из стадий процесса наноконструирования.

Физическая химия двухцепочечных нуклеиновых кислот и их комплексов свидетельствуют о том, что существуют другие, более простые способы упорядочения соседних молекул нуклеиновых кислот.

В основе технологий создания наноконструкций, разработанных  в Институте молекулярной биологии РАН [10], которые  в принципе отличаются от технологии Н.Зимана, лежит представление о возможности создания пространственных структур нуклеиновых кислот в результате различных вариантов самопроизвольного упорядочения соседних молекул нуклеиновых кислот (или комплексов нуклеиновых кислот) при их фазовом исключении.

 

 

 

 

 

3 ПРОСТРАНСТВЕННОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ В РЕЗУЛЬТАТЕ «ЭНТРОПИЙНОЙ КОНДЕНСАЦИИ» И НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ЭТИХ МОЛЕКУЛ

Первый из вариантов технологии наноконструирования основан на использовании частиц жидкокристаллических дисплеев (ЖКД), которые образуются в результате фазового исключения жестких, линейных, двухцепочечных нуклеиновых кислот из водно-солевых растворов некоторых полимеров при соблюдении ряда условий (молярная масса нуклеиновых кислот, молярная масса и концентрация полимера, ионная сила раствора, его солевой состав и т.д.) [11]. Полимер не входит в состав образующихся частиц жидкокристаллических дисплеев.  ( Фазовое исключение нуклеиновых кислот называется также «ψ – конденсация» (ψ – акроним от слов polymer – salt – induced, psi), «энтропийная конденсация» нуклеиновых кислот).

Частицы жидкокристаллических дисплеев обладают несколькими особенностями, представляющими интерес для наноконструирования. Во – первых, для частиц жидкокристаллических дисплеев двухцепочечных нуклеиновых кислот характерно сохранение химической реакционной способности структурных элементов (азотистых оснований и т.д.), высокая (в пределах от 160 до 400 мг/мл!) локальная концентрация и упорядоченное расположение соседних молекул нуклеиновых кислот в частицах жидкокристаллических дисплеев. В зависимости от осмотического давления раствора, расстояние между соседними молекулами нуклеиновых кислот в частицах жидкокристаллических дисплеев можно регулировать в пределах 2.5 – 5.0 нм [12]. Во – вторых, как правило, молекулы нуклеиновых кислот, в силу присущей им геометрической и оптической анизотропии, стремятся упаковаться в частицах жидкокристаллических дисплеев, таким образом, при котором возникает спирально закрученная пространственная структура соседних слоев молекул нуклеиновых кислот (так называемая «холестерическая» структура). Формирование холестерических жидкокристаллических дисплеев нуклеиновых кислот сопровождается появлением аномальной оптической активности, проявляемой в виде интенсивной полосы в спектре в области поглощения хромофоров нуклеиновых кислот. В–третьих, на поверхности соседних молекул нуклеиновых кислот, фиксированных в пространственной структуре частиц жидкокристаллических дисплеев, присутствуют реакционно – способные группы (места) либо такие группы могут быть химически встроены в структуру молекул нуклеиновых кислот без нарушения их способности к образованию частиц ЖКД. Такими местами являются, в частности, азотистые основания, образующие комплексы с ионами металлов; ими могут быть молекулы лигандов, дополнительно вводимых в систему. Учитывая расстояние между соседними молекулами нуклеиновых кислот.  «Сшивки» можно назвать «наномостиками», которые соединяют эти молекулы. Поскольку наномостики могут формироваться между любыми соседними молекулами двухцепочечных нуклеиновых кислот, этот процесс приведет к возникновению трехмерной пространственной структуры, которую  можно назвать «наноконструкцией». Наконец, если процесс формирования наномостиков удастся реализовать таким способом, при котором пространственная структура частиц жидкокристаллических дисплеев остается неизменной, то аномальная оптическая активность позволит контролировать изменение не только вторичной структуры исходных молекул нуклеиновых кислот, но и появление в структуре наноконструкции молекул, образующих наномостики.