Ноябрь 2010

Современному взгляду учёных на процесс зарождения жизни и природе химических взаимодействий в живых организмах была посвящена лекция вице-президента Российского химического общества им. Д. И. Менделеева, академика РАН Александра Коновалова в Политехническом музее 30 сентября. 

  
Александр Коновалов: «Клеточная мембрана, генетический аппарат ДНК, биосинтетический аппарат РНК и рибосомы, метаболический аппарат и ферменты – это всё супрамолекулярные системы, и это всё – составляющие клетки»

Свою лекцию о супрамолекулярных системах он начал с общей теории зарождения и развития жизни на Земле:

– Превращение  материи с момента Большого взрыва, создавшего Вселенную, до настоящего времени  рассматривают как единый процесс, который в английском варианте называют “Big history”, а в русском – Универсальной  историей. В этом едином процессе можно выделить три основных периода. Это предбиологическая эволюция – до возникновения жизни; биологическая эволюция – этап до появления человека; и, наконец, социальная эволюция – это развитие человеческого общества.

Интригующий момент в этой Универсальной истории – момент возникновения жизни, то есть переход от неживой материи к живой. Современные научные данные не претендуют на разрешение этой интриги, но свидетельствуют о ключевой роли в этом процессе супрамолекулярных систем. Эти системы изучает супрамолекулярная химия – наука, которая появилась всего 32 года назад. Создал эту новую отрасль французский учёный, впоследствии лауреат Нобелевской премии, иностранный член РАН Жан-Мари Лен. Супрамолекулярные системы – результат ассоциации вследствие взаимодействия межмолекулярных сил.

Существует ряд  молекул, которые могут быть селективными рецепторами, то есть они в состоянии  избирательно присоединять к себе другие молекулы. Эти рецепторы способны «цеплять» только определённую молекулу и никакую другую. В 1987 году учёные Ч. Дж. Педерсен, Ж. М. Лен и Д. Дж. Крам получили Нобелевскую премию за создание таких молекул. Подобное связывание молекул называют «принципом Гулливера». Когда лилипуты связали Гулливера множеством тонких канатов, он не мог пошевелиться. Так же связываются и молекулы: множество слабых связей за счёт своего количества прочно соединяют отдельные молекулы в единую материю. Этот принцип лежит в основе супрамолекулярной химии. Природа этих взаимодействий разная, молекулы соединяются химическими связями, которые известны нам ещё из школьной программы: ион-ионные взаимодействия, водородная связь, гидрофобные эффекты и т.д. Однако основа этих взаимодействий – селективная, то есть избирательное связывание. А это значит, что есть механизм молекулярного распознавания. Молекулы идентифицируют друг друга, иными словами – обмениваются молекулярной информацией.

  
Внутримолекулярный ансамбль самопроизвольной сборки фолдамера Жан-Мари Лена

Развитие супрамолекулярной  химии происходило двумя этапами: исследование синтетических супрамолекулярных  систем, которые учёные искусственно создавали в лабораторных условиях; и исследование природных супрамолекулярных систем, получаемых с помощью естественных биологических объектов. Сопоставление синтетических и биологических супрамолекулярных систем приводит к выводу о том, что и в природе, и в колбе реализуются одни и те же свойства и принципы строения.

На сегодняшний  день учёные искусственно создали синтетики-рецепторы  на все известные анионы (отрицательно заряженные ионы), все катионы (положительно заряженные ионы) и нейтральные молекулы как органической, так и неорганической природы. Это позволяет в лабораторных условиях создавать синтетические соединения. Это самосборка. Мы сталкиваемся здесь с самоорганизацией, важнейшим процессом, который присутствует в живой природе и прекрасно демонстрируется в супрамолекулярных системах. Некоторые молекулы могут связываться в синтетическую двойную спираль. В супрамолекулярной химии это очень распространённая система.

Что же происходит в биологических системах? Есть ли различие между водородными связями в синтетических супрамолекулярных системах и в так называемых нуклеотидных основаниях (пары аденин-тимин, гуанин-цитозин), которые присутствуют в нуклеиновых кислотах? По механизму, по природе связи – абсолютно нет! Более того, эти системы образуют двойную спираль нуклеиновых кислот, которые выступают в качестве генетического кода. С этой точки зрения, двойная спираль ДНК – это частный случай двойных спиралей, которые могут существовать в природе. Это доказала супрамолекулярная химия.

Клеточная мембрана, генетический аппарат ДНК, биосинтетический аппарат РНК и рибосомы, метаболический аппарат и ферменты – это всё  супрамолекулярные системы, и это  всё – составляющие клетки.

Биологические системы с небольшими исключениями – это мягкие материалы, они обладают свойствами вязкости и эластичности. А это – результат самосборки супрамолекулярных структур, которые стабилизированы нековалентными (межмолекулярными) взаимодействиями.

Получается, что  природа использовала свойства супрамолекулярных систем при создании биологических систем. Иными словами, если не наделять природу разумом, то супрамолекулярные системы самоорганизовались в биологические системы.

Вселенная развивается  в направлении всё большего усложнения. Сложным системам предшествуют чуть менее сложные. Супрамолекулярные системы – высшая точка предбиологической эволюции, это мост от неживой материи – к живой: биологические системы существуют на основе супрамолекулярных систем.

Объекты каждого  уровня структурной организации  материи обладают свойством к образованию объектов следующего уровня. У элементарных частиц есть способность образовывать атомы под действием ядерных и электростатических сил. Атомы наделены свойством образовывать молекулы путём ковалентной связи. И так далее. Выстраивается неуклонная последовательность: образование атомов – свойство элементарных частиц, образование молекул – свойство атомов. А если появились молекулы, то будут и супрамолекулярные системы, а если есть последние, то будут и биологические системы, следовательно, будет и жизнь. Вся совокупность этих процессов показывает, что возникновение жизни предопределено – при возникновении соответствующих условий. На основании вышеизложенного можно перефразировать известную формулировку о том, что «жизнь – форма существования белковых тел»: жизнь – это форма существования супрамолекулярных систем.

Владислав Новиков для STRF.ru 

STRF.RU

По принципу действия новинка похожа на направленные телеантенны (на снимке) метрового диапазона, с той разницей, что работает в микрометровой  области спектра (фото Enoch Lau).

Физики из Каталонского института передовых исследований (ICREA) и института фотоники (ICFO) ухитрились приладить к микроскопическим объектам, излучающим свет, столь же крошечные антенны, подобные тем, что работают в радиолокации и телевидении.

Наноразмерные кристаллы — квантовые точки — могут стать основой для чувствительных датчиков, реагирующих люминесценцией на крошечные концентрации того или иного вещества. Проблема в том, что такой свет трудно уловить, поскольку он слаб, а исходит во всех направлениях.

Испанские учёные нашли способ обойти проблему, построив нановерсию антенны типа "волновой канал", или антенны Яги (Yagi-Uda antenna). Такие нередко можно встретить на крышах домов. Но если в классических антеннах Яги роль ключевых элементов — вибраторов — исполняют макроскопические проводники размером порядка метра, то в системе испанцев — это золотые стержни нанометрового размера, лежащие на стеклянной подложке.

Их удалось  получить при помощи фотолитографии. Длина одной такой антенны  Яги составляет 830 нанометров. Отдельные  вибраторы длиной 145 нм в ней отделены зазорами в 175 нм. Главное же новшество в том, что, применив фотолитографию второй раз, авторы устройства сумели добавить к таким антеннам излучающие наночастицы.

Благодаря своему положению квантовая  точка (красный шарик) оказывается "сцепленной" с ближним полем наноантенны  Яги (ряд жёлтых брусков). Возникает плазмонный резонанс (синхронные колебания электронов на поверхности золотых наночастиц), который повышает эффективность системы и превращает "ненаправленную" квантовую точку в узконаправленный эмиттер (иллюстрация ICFO).

Исследователи создали несколько наноантенн и показали, что, выбирая геометрические параметры, можно точно настраивать их на резонанс с излучением тех или иных квантовых точек, примерно так, как происходит настройка на телеканал. Кстати, как гласит пресс-релиз ICFO, команда испанских учёных предполагает, что их световые наноантенны будут так же хорошо работать и на приём.

Подробности опытов можно найти в статье в Science. (Читайте также о первых антеннах для видимого света, целом массиве наноантенн для инфракрасного излучения и опыте по проталкиванию светачерез кабель с поперечником меньше длины волны. 

MEMBRANA.RU

Так оценил кадровые потребности формирующейся российской наноиндустрии академик Юрий Третьяков в ходе прошедшей в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете Первой международной научно-технической конференции «Нанотехнологии функциональных материалов».

С точки зрения декана факультета наук о материалах МГУ, академика Юрия Третьякова, сегодня в России недостаточно развиваются исследования, направленные на создание революционных нанотехнологий. Одной из главных проблем формирования российской наноиндустрии он назвал кадровый голод. По оценкам академика, для становления нанотехнологической отрасли в России потребуется  120–140 тысяч специалистов – от учёного до оператора на промышленном комплексе. Готовить их можно и посредством дистанционного обучения – формы, пока ещё недостаточно развитой и малоэффективной в практике российского образования, тогда как в университете Мэрилэнда за счёт использования информационных технологий число студентов за последние пять лет увеличилось с 60 тысяч до 360 тысяч человек, подчеркнул Юрий Третьяков.

Другой вопрос, который волнует сегодня исследователей в области нанотехнологий и который  также поднимался на конференции, –  возможности применения нанотехнологического метода в разных отраслях промышленности. В частности, директор ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей», академик Игорь Горынин высказался за использование нанотехнологий для постепенной замены ими основных технологических процессов традиционной металлургии и последующего создания так называемой «белой металлургии», которая не загрязняет окружающую среду.

Наталья Быкова Σ 

STRF.RU