Аналитика

IT-байки: Искусственная ДНК - кандидат на замену кремнию?

Одна из любимейших тем предсказания будущего у IT-аналитиков в последнее время – это накаркивание скорого конца классических кремниевых полупроводников и прогнозы того, что та или другая нанотехнология вовремя подхватит пошатнувшееся знамя передовой электроники и поведёт нас за собой в светлое будущее. Поверьте на слово человеку, который внимательно следит за чужими прогнозами и сам время от времени не прочь что-нибудь накаркать. Ряду передовых компаний уже удалось получить первые образцы кремниевых полупроводников с нормами 32-нм техпроцесса. В профильной периодике всё чаще обсуждаются перспективы перехода на 22-нм нормы. Два, три, от силы четыре поколения техпроцессов, и "кремниевые" технологии упрутся в физические ограничения материалов на уровне молекул и атомов. Когда это произойдёт – к 2015 году, к 2020, а может ещё раньше? Толком этого ещё никто не знает. Зато для наших читателей у меня припасена парочка любопытных материалов на эту тему, и могу точно пообещать: в одной из ближайших "баек" мы с вами если не выясним точную дату смерти кремниевых полупроводников, то хотя бы оценим порядок этой даты, разбёрёмся с причинами и попробуем "прикинуть" основные этапы пути до Великого Кремниевого Конца. Однако сегодня речь не об этом. Несмотря на то, что сегодня классические полупроводники хоронить ещё ой как рано, учёные в сотнях лабораторий по всему миру упорно продолжают поиски адекватной замены кремнию. Основной претендент на звание "наследника кремния" на сегодняшний момент – это, безусловно, наноструктуры на основе углерода. Все эти фуллерены, углеродные нанотрубки, наноспирали, нанопровода и прочие наноуглероды – превосходный строительный материал с удивительными свойствами полупроводников будущего. Однако в последнее время у нанотрубок на основе углерода появляются достаточно мощные конкуренты, и одним из наиболее грозных можно назвать нанотрубки на основе ДНК. Не факт, что именно эта технология станет в будущем лидером, вполне возможно, что внедрение полупроводников на основе углеродных и ДНК-нанотрубок будет идти рука об руку. И всё же у технологий на основе ДНК-нанотрубок шансы весьма высоки – особенно с учётом повышенного интереса, демонстрируемого многими учёными коллективами к изучению их свойств, и успехами, уже достигнутыми на этом поприще. В частности, многие учёные уверены, что на основе структур из ДНК-нанотрубок, конструируемых непосредственно на молекулярном уровне, в ближайшем будущем можно будет производить в массовом порядке гибкие полупроводниковые структуры для фотометрии, фотоэлектрической энергетики, выпуска гибких сенсорных дисплеев, уникальных биомедицинских устройств и многого другого. Дело, как говорится, за малым: научиться производить подходящие структуры ДНК и формировать из этих ДНК-нанотрубок что-либо пригодное для коммерческого применения. Об этом сегодня и поговорим.
Для начала - небольшая разминка: тем, кто уже прогулял, ещё не посещал или успешно забыл уроки органической химии - небольшой ликбез на тему ДНК. Все остальные врезку могут успешно пропустить.
По своей сути, Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой нуклеиновую кислоту, содержащую генетическую информацию о развитии и функционировании всех известных типов живых организмов и некоторых типов вирусов. Ключевая роль молекул ДНК сводится к постоянному хранению ключевой информации о живом организме, именно поэтому их часто сравнивают с комплектом строительных планов, или набором команд и инструкций для сборки остальных компонентов живой клетки, белков и молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК). Сегменты ДНК, содержащие генетическую информацию, называют генами. Впрочем, остальные элементы ДНК важны не меньше генов, ибо именно они ответственны за процесс использования генетической информации.
Структура ДНК
Химически, ДНК – это две длинные полимерные цепочки – полинуклеотиды, скомпонованные из простых повторяющихся "строительных модулей" - нуклеотидов. В основе нуклеотидов – дезоксирибозы и фосфатные группы, скреплённые сложными эфирами. Большинство ДНК состоит из двух спиралей, закрученных относительно друг друга в противоположных направлениях, при этом азотистые основания, которыми спирали ориентированы друг к другу, бывают четырёх базовых типов - аденин, гуанин, тимин и цитозин. Последовательность этих четырёх азотистых оснований по всей длине основания молекулы и является информацией, закодированной в ДНК. Информация считывается с помощью генетического года, определяющего последовательность аминокислот в белках. Код считывается копированием всей длины ДНК в соответствующую нуклеиновую кислоту - РБК, а сам процесс считывания генетического кода также иногда называют транскрипцией.
Компоненты ДНК
ДНК
Внутри клеток ДНК организуется в хромосомы, которые дуплицируются перед делением клеток, а процесс называется репликацией ДНК. В хромосомах ДНК содержатся и огранизуются с помощью хроматиновых белков класса гистонов. Эти структуры, помогающие контролировать процесс транскрибирования ДНК, ответственны за взаимодействие между ДНК и другими белками.
Раскапывать интересные подробности о строении и принципе "размножения" ДНК можно бесконечно долго, однако в рамках этой статьи нас прежде всего интересуют два факта – способность ДНК хранить огромные фрагменты "программного кода" и гибкая способность к созданию различных форм. Именно эти особенности ДНК нынче пытаются воспроизвести учёные в своих экспериментах.
В статье, опубликованной в первом январском выпуске журнала Science за 2009 год, учёные Хао Ян (Hao Yan) и Ян Лю (Yan Liu) из Института биодизайна (Biodesign Institute) при кафедре химии и биохимии (при Department of Chemistry and Biochemistry) Государственного университета Аризоны (Arizona State University) рассказали об открытом ими способе получения трёхмерных ДНК-подобных структур из нанотрубок, наноколец и наноспиралей. Исследователи нашли способ сборки сложных наноструктур на базе молекулы ДНК – универсального строительного материала с практически безграничным конструктивным потенциалом. Именно эти ДНК-нанотрубки и другие синтетические наноструктуры в ближайшем будущем могут стать основой нового поколения ультракомпактной электроники, а также наноструктурной фармацевтики и биомедицинской техники. В своём исследовании учёные обратились за подсказкой к богатейшему кладезю знаний – природе. В частности, исследователи обратили внимание на тот факт, что даже простейшие океанические одноклеточные водоросли диатомеи содержат белковые самосборные структуры, включающие в себя как органические, так и неорганические материалы. В предыдущих работах по ДНК-подобным наноструктурам учёные уже продемонстрировали возможность формирования самосборных наноструктурных платформ, или "плиток", из ДНК-подобных элементов. Далее из разнообразных "плиток" можно конструировать массивы "мозаик" с различными свойствами. В своей статье учёные описывают эксперименты по разрешению фундаментальной задачи нанотехнологии и современного материаловедения - конструированию молекулярных трёхмерных форм. Для этого исследователи использовали наночастицы золота, размещённые вблизи одноцепочечной ДНК, которая "принуждала" гибкие молекулярные массивы скручиваться в замкнутые петли, пружинистые спирали или кольца диаметром от 30 до 180 нанометров. Наночастицы золота в этом случае выполняли роль своеобразного "скручивателя" ДНК, производя силу под названием "пространственное (стерическое) препятствие", а величина этой силы напрямую зависела от размера наночастицы золота. Именно благодаря силе "пространственного препятствия" учёным из Университета Аризоны впервые удалось наладить процесс скручивания "нанотрубок" ДНК в закрытые кольца с высоким процентом выхода завершённых колец. При проведении экспериментов выяснилось, что использование наночастиц золота диаметром 5 нм, воздействие силы стерического препятствия на ДНК оказывается более мягким, и в результате ДНК скручиваются и объединяются в комплементарные, расположенные рядом сегменты, формирующие зачастую помимо замкнутых колец спирали различного диаметра. Воздействие наночастиц золота диаметром 10 нм, в свою очередь, создаёт большую силу пространственного препятствия, что приводит к более плотному закручиванию и производству преимущественно закрытых колец. По мнению учёных, наночастицы золота принимают участие не только в процессе "самосборки" скрученных структур, но также являются активным веществом, "побуждающим" и "направляющим" процесс формирования наноструктур. Для отображения получаемых в результате экспериментов 3-мерных архитектур на основе ДНК-нанотрубок учёные применяют технику электронной криотомографии. Для этого образцы мгновенно замораживаются в стеклообразном агенте, что позволяет сохранить естественную структуру образца. Изображения, получаемые затем под различными углами, позволяют реконструировать трёхмерную наноструктуру, а отчётливая виртуализация получается благодаря достаточно высокой концентрации электронов в наночастицах золота. На видео, представленном ниже, отчётливо видны 3-мерные структуры спирали из ДНК-нанотрубок, образующиеся благодаря 5-нм золотой наночастице. На следующем видео представлен результат экспериментов с 10-нм наночастицами золота, при этом нанотрубки ДНК формируют ветвящуюся разделяющуюся структуру - спиральная трубка разделяется на два "столбика" колец. Наконец - пожалуй, наиболее интересное видео, где трубки, сформированные с использованием и 5-нм (зелёный цвет) и 10-нм (жёлтый цвет) наночастиц золота располагаются на противоположных поверхностях ДНК. Основным результатом, полученным в ходе экспериментов, учёные считают возможность массового параллельного производства миллионов и миллиардов "копий" 3-мерных наноструктур с заданными свойствами. По их мнению, трубчатые наноструктуры, удерживаемые наночастицами, могут найти применение в самых разнообразных наноэлектронных устройствах. Как один из наиболее наглядных образом применения таких структур исследователи приводят пример возможного конструирования многоканальных электронных устройств для межклеточных коммуникаций.
Чтобы сегодняшний рассказ о практической возможности формирования 3-мерных структур на основе ДНК не показался вам слишком уж оторванным от реальности и близких перспектив коммерческого использования, приведу ещё один интересный пример удачных экспериментов в области ДНК. Дело в том, что в прошлом году японские учёные-химики объявили о небывалом прорыве – им впервые в мире удалось синтезировать молекулу ДНК почти полностью из искусственных компонентов. В своём исследовании под названием "Artificial DNA Made Exclusively of Nonnatural C-Nucleosides with Four Types of Nonnatural Bases" в журнале American Chemical Society группа учёных под руководством Масахико Иноуе (Masahiko Inouye) поделилась результатами конструирования ДНК из оснований всех четырёх типов - аденина, гуанина, тимина и цитозина, искусственного происхождения. Именно разнообразие сочетаний четырёх базовых типов, "кодирующих" разнообразие белков, формирует генетические различия живых форм. До сих пор все эксперименты учёных шли не далее изготовления молекул ДНК с применением одного или нескольких искусственных компонентов. Японские учёные, благодаря использованию высокотехнологичного оборудования для синтеза ДНК смогли объединить вместе все четыре искусственных базовых элемента на основании дезоксирибозы молекулы ДНК. В результате получилась неожиданно стабильная двухспиральная структура, похожая на натуральную ДНК. Как и натуральная ДНК, полученная искусственная структура имела правовинтовую структуру и некоторые трёхрядные подструктуры.
Artificial DNA
Статья, кстати, находится в полностью бесплатном доступе по адресу 8762 DOI: 10.1021/ja801058h, очень интересный материал для владеющих английским, однако нам в рамках этой публикации более всего интересна мораль той статьи: современные химики, пока в лабораториях – на перспективу на конвейерах, в состоянии создавать стабильные структуры ДНК с заранее заданными свойствами, что открывает безграничные возможности для конструирования биотехнических наноматериалов и практических приложений. Одни научились создавать ДНК, другие – скручивать их хоть в бараний рог. Придут третьи и научатся делать из этого материала всё что угодно – материалы для генной терапии, нанокомпьютеры, вплоть до блуждающих биороботов.
И всё же вернёмся к вопросу из начала статьи. Кто станет победителем в схватке за звание "Полупроводник будущего", кто придёт на замену кремнию? Станут ими углеродные нанотрубки или спирали из ДНК? А может быть электроника будущего будет вся сплошь фотонная, или того круче – органическая? Или уж прилетят наконец-то злые роботы из другой галактики и откроют нам тайны термояда, левитации, антигравитации, чтения мыслей на расстоянии и забытый бабушкин рецепт изготовления малинового варенья? Поживём – увидим. А пока что лишь одно можно сказать с большой долей вероятности: кто сможет первым превратить лабораторные эксперименты учёных в массовый конвейерный продукт – того и тапки. Ссылки по теме: Материалы для дополнительного чтения:

 
 
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Материалы по теме
⇣ Комментарии
window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥