УДК 69:539 Методы получения наноматериалов из микроорганизмов и их применение Галаганова Е.Н., студент Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра «Электронные технологии в машиностроении» Научный руководитель: Гончаренко Е.Е., к.х.н. доцент Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана eeg84@bmstu.ru Нанобиотехнология – область науки, находящаяся на нанотехнологии. Этот широкий термин обычно используют как стыке биологии и в случаях применения нанотехнологических устройств и наноматериалов в биотехнологии, так и при использовании биологических молекул для нанотехнологических целей[1-3].Нанобиотехнология основана на использовании структурных и биохимических свойств молекул живых организмов. Результаты разработок в области нанобиотехнологии находят практическое применение в медицине, пищевой промышленности и охране окружающей среды[10-12]. Основополагающими факторами, влияющими на появление, становление и развитие нанобиотехнологии, являются высокий рост в развитии таких научных дисциплин, как микробиология, молекулярная биология и инженерия, белковая инженерия и, биотехнология, а также развитие материаловедения, электроники и других областей нанотехнологии, наноинженерии и нанонауки, фундаментальной основой которых является физика. В настоящее время нанобиотехнология имеет три сформировавшихся направления, развитие которых сейчас идет усиленным темпом. Это: наномедицина, биомиметика[15] и разработка методов и способов получения искусственных наноразмерных частиц, различных материалов и их внедрение в живые системы[2]. В современном мире использование нанобиотехнологии актуально, так как эта область охватывает широкий круг технологических подходов, таких как: · применение нанотехнологических устройств и наноматериалов в биотехнологии; · использование биологических молекул с размерами частиц от 1 до 100 нм для http://sntbul.bmstu.ru/doc/696018.html нанотехнологических; · использование биотехнологических подходов, в основе которых лежит принцип контролируемой самоорганизации наноструктур. · Рис. 1. Схема получения оксида кобальта Нанобиотехнология стремительно доказывающих удивительные микроорганизмов. свойства развивается. Проведено наночастиц, полученных множество с опытов, использованием Например, в работе [8] используются частицы вируса М13. При добавлении последовательности нуклеотидов к ДНК вируса М13 удалось создать его модификацию, которая при размножении взаимодействовала с ионами кобальта. На рис.1[16] приведена схема получения наночастиц оксида кобальта с использованием нанобиотехнологии. Пластина из твердого полимера-электролита погружалась в раствор вируса М13, после чего опускалась в раствор с ионами кобальта. В результате пластина покрывалась слоем оксида кобальта–ценного материала для электрода литий-ионных и литий-полимерных батарей. Была также [8] осуществлена генетическая модификация 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. При использовании других технологий не удастся добиться такого результата. Данный 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 [8]. Молодежный научно-технический вестник ФС77-51038 Таким образом, если рассматривать обычные неорганические и органические материалы в нанометровом масштабе, то можно обнаружить некоторые новые свойства, связанные со строением этих веществ и размерами частиц, что дает возможность создавать новые материалы. Рис. 2. Стенки диатомовых водорослей Для получения наноматериалов из микроорганизмов используют теоретически разработанные методы нанобиотехнологии. Работа с микроорганизмами не связана с большими трудностями. Для их содержания необходимы умеренная температура, определенное давление и кислотность среды. Именно в этом заключается экологичность и безопасность разработанных технологий. В процессе исследований не применяются высокие температуры, давление и агрессивные среды. .Известно много микроорганизмов, которые вырабатывают неорганические вещества. Одноклеточные диатомовые водоросли производят кремнезем – соединение кремния с кислородом, состав которого соответствует обычному стеклу. Диатомовые водоросли имеют «панцирь», в состав которого входит диоксид кремния . Их можно использовать для получения наноструктурированных частиц диоксида кремния [9]. К сожалению, такой метод синтеза не предполагает получение точно одинаковых наноструктур, и тем более структуры на микроуровне. Это зависит от панциря водорослей и от вариаций в их структуре. Диатомовые водоросли изображены на рис. 2 [9]. Недостатком метода является то, что размер http://sntbul.bmstu.ru/doc/696018.html пор и сама структура получаемых материалов определены структурой бактерий. Можно выделить следующие этапы получения наноматериалов из микроорганизмов [1-5,13]: Отбор определенного вида или штамма микроорганизма, который в процессе своей естественной деятельности синтезирует необходимый материал. 1. Совершение структурных доработок в геноме бактерии методами генной инженерии и молекулярной биотехнологии. 2. Встраивание измененной плазмиды в рекомбинированную ДНК методами генной инженерии. 3. Внедрение рекомбинированной ДНК в клетку хозяина. 4. Пересаживание клетки на необходимую по составу питательную среду. 5. Клонирование измененной клетки ( микробиологическое культивирование). 6. Пересаживание модифицированных микроорганизмов на новые питательные среды. Это процесс производственного культивирования с целью получения необходимого наноматериала. Рис. 3.Производство жидких кристаллов с использованием методов нанобиотехнологии Дальнейшее получение, отделение и выделение наноматериала можно производить стандартными микробиологическими способами. В качестве примера данного процесса можно представить применяется процесс нанобиотехнологического в производстве жидких синтеза протеинов, кристаллов, используемых как который органический наноматериал. Данный процесс изображен на Рис. 3 [17]. Если говорить о составе питательной среды для микроорганизмов, важно отметить, что она может существенно влиять на происходящие внутри бактерии процессы. Известно, что состав питательной среды влияет на скорость, количество и вид вырабатываемых Молодежный научно-технический вестник ФС77-51038 веществ [4]. Для создания питательной среды используют искусственные среды (например, дрожжи или забродившие фрукты) и естественные питательные среды (например, кровь, сыворотка, жёлчь). Основными областями применения наноматериалов, полученных из микроорганизмов, являются биомолекулярная электроника (нанобиоэлектроника) и нанопечатная литография (нанолитография)[14]. Нанобиоэлектроника использует органические наноматериалы в качестве носителей зарядов или информации, которые в совокупности составляют базу электронных систем, на основе которых создаются электронные устройства или их части. Считается, что нанобиоэлектроника в скором времени должна придти на смену кремниевым технологиям в электронике. Нанобиоэлектроника применяется в медицине. В современном мире широко используются биочипы на основе ДНК. Применение биочипов позволяет оперативно выявлять бактерии и вирусы, выяснять индивидуальные генетические особенности пациента, определяющие предрасположенность к наследственным и онкологическим заболеваниям. Например, в работе [6] разработана принципиальную схему электронного наночипа, который будет выполнять те же функции, что и биочипы на основе ДНК, но делать он это будет во много раз быстрее, за счет электронной базы [6]. Массовое производство микроэлектронной аппаратуры с элементами малых размеров стало возможно во второй половине ХХ века благодаря применению и развитию фотолитографии. В этом методе изображение элемента или схемы выполняется в виде рисунка на металлической пленке, нанесенной на прозрачную подложку. Затем рисунок с помощью потока света переносится на полупроводниковую пластину, в которой слой за слоем формируется физическая структура интегральной схемы. В качестве материала подложки обычно используют кремниевые пластины с окисленной поверхностью. Тонкая стабильная поверхностная пленка SiO2 защищает кремний от дальнейшего окисления, служит непроницаемым барьером для большинства примесей и является отличным диэлектриком. С развитием нанотехнологий появилась новая технология переноса изображениянанопечатная литография. Она позволяет переносить изображение наноструктуры или электронной схемы на подложку с полимерным покрытием. В нанопечатной литографии изображение образуется в основном за счет физической деформации резиста (полимерного покрытия) штампом, а не с помощью облучения. Остатки резиста на вдавленных участках http://sntbul.bmstu.ru/doc/696018.html анизотропно вытравливаются [1,8]. Это позволяет снизить стоимость изготовления наноструктур. Принципиальная схема нанопечатной литографии представлена на рис. 4[18]. Рис. 4. Схема нанопечатной литографии. 1-подложка, 2-резист, 3-штамп Таким образом, применение нанобиотехнологии с использованием микроорганизмов является перспективным, т.к. позволяет получать наноматериалы, обладающие особыми свойствами. Это позволяет с успехом применять их в различных технологических процессах. ВЫВОДЫ 1. В работе рассмотрены основы биотехнологии и ее применение для технологических целей. 2. Показано, что наноматериалы, полученные с использованием микроорганизмов, обладают новыми свойствами, связными со строением и размерами частиц. 3. Приведены методы получения различных наноматериалов из микроорганизмов и их применение. 4. Рассмотрены особенности работы с микроорганизмами. Список литературы 1. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М., Наука-Физматлит, Молодежный научно-технический вестник ФС77-51038 2007. —416 с. 2. Пул-мл.,Ч., Оуэнс, Ф. Нанотехнологии. 2-е издание. — М.: Техносфера, 2006—425 с.. 3. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. — М.: Бином, 2007. —134 с. 4. Сергеев Г.Б. Нанохимия. —М.: Изд-во МГ, 2003. – 288 с. 5. Третьяков Ю.Д. Нанотехнологии—М.: Физматлит, 2008—372 с. 6. V. D. Lakhno, «DNA Nanobioelectronics», Int. J. Quant. Chem., (2008), v. 108, pp. 1970— 1981. 7. Методы получения и свойства наноматериалов/ Н.И. Минько [ и др.] М.: Флинта: Наука, 2009,—168с. 8. Angela M. Belcher, Acta Materialia 51 (2003) 5867–5880. 9. Беззубов С.И., Воробьева Н.А. , Ефимов А.А. Мать - природа в помощь// Нанометр: Нанотехнологическоесообщество.2010. URL: http://www.nanometer.ru/2010/10/17/biomimetika_219462.html. (Дата обращения: 04.11.2013). 10. Endo M., Maramatsu H. et al.Nanotechnology. «Buckypaper» from coaxial nanotubes // Nature. – 2005. – Vol. 433. 11. Дугин Г.С. Нанотехнология и ее возможное негативное влияние на окружающую среду/ Г. С. Дугин // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. -- 2009. -- № 5. - С. 33-37 12. Демина Л.А. Нанотехнологии для городского хозяйства/ Л. А. Демина // Энергия: экономика, техника, экология. - 2010. - № 2. - С. 28-33. 13. Получение и свойства объемного наноструктурного материала на основе термоэлектрика Bi2Te3/ О. Н. Марадудина [и др.] // Альтернативная энергетика и экология. 2011. - № 5. - С. 49-54. 14. Эрлих Г. Малые объекты – большие идеи. Широкий взгляд на нанотехнологии.. — М.: Бином, 2011. — С. 254. 15. Мюллер, Т., Биомиметика: National Geographic Россия, май 2008, с. 112—135. 16. Попов Л. Обученные вирусы варят в кастрюле литий-ионные аккумуляторы//Membrana: Люди. Идеи. Технологии.2006. URL: http://www.membrana.ru/particle/3059 обращения: 07.112013). http://sntbul.bmstu.ru/doc/696018.html (Дата 17. Сборник трудов третьей Всероссийской Школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия». 13-15 октября 2010 г. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2010. — 440 с. 18. Гусев А. И. Нанопечатная литография// Словарь нанотехнологических терминов.2011. URL: http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1083 (Дата обращения: 07.11.2013). Молодежный научно-технический вестник ФС77-51038