Целью издания является ознакомление будущих учителей с сущностными элементами нанотехнологий и, с учетом биологической направленности обучаемых, со спецификой нанобио- и бионанотехнологий, основанных на использовании живых организмов (фагов, вирусов) и биомолекул, их составляющих (белков, липидов, нуклеиновых кислот и т.п.), в качестве объектов нанотехнологических разработок, а также с проявлениями, открытиями и внедрениями нанобиотехнологических процессов в разнообразные отрасли науки и производства, медицины, фармакологии, мониторинга, безопасности, социальной сферы и т.п. <...> Основные виды нанообъектов и перспективы их использования в нанотехнологиях . <...> Химические и генетические модификация ферментов с целью придания новых свойств . <...> HAMA – human anti-mouse antibodies (человеческие антимышиные антитела). scFv – single-chain variable fragments (одноцепочечные вариабельные фрагменты). <...> Целью издания является ознакомление будущих учителей-биологов с сущностными элементами нанотехнологий и, с учетом биологической направленности обучаемых, со спецификой нанобио- и бионанотехнологий, основанных на использовании живых организмов (фагов, вирусов) и биомолекул, их составляющих (белков, липидов, нуклеиновых кислот и т.п.), в качестве объектов нанотехнологических разработок, с проявлениями, открытиями и внедрениями нанобиотехнологических процессов в разнообразные отрасли науки и производства, медицины, фармакологии, мониторинга, безопасности, социальной сферы и т.п., открывающими необыкновенные перспективы и сулящими человечеству очередную технологическую революцию во всех сферах деятельности. <...> В материале издания дана классификация нанообъектов, приводится краткое описание основных их видов: кластеры, фуллерены, графен, нанотрубки, карбин, вискеры, дендримеры, фракталы, фотонные кристаллы, нанокомпозиты, гибридные материалы, гетероструктуры и т.д. – и их характеристика и раскрываются перспективы применения указанных <...>
Научные_основы_биотехнологии._Часть_I._Нанотехнологии_в_биологии_Учебное_пособие.pdf
УДК 57
ББК 28.081
Г 695
Рецензенты:
Г. А. Севастьянова – профессор кафедры органической и биологической
химии биолого-химического факультета Московского педагогического
государственного университета, доктор биологических наук;
и. Г. Горичев – профессор кафедры общей и аналитической химии
биолого-химического факультета Московского педагогического
государственного университета, доктор химических наук.
Горленко В. А., Кутузова Н. М., Пятунина С. К. Научные основы
биотехнологии. Часть I. Нанотехнологии в биологии : Учебное
посо-бие. – М.: Прометей, 2013. – 262 с.
Данное издание вводит читателя в удивительный мир нанотехнологий
– многопрофильную и междисциплинарную область научных
знаний и технологий, составляющую основную современную
тенденцию в развитии науки и производства. Целью издания является
ознакомление будущих учителей с сущностными элементами нанотехнологий
и, с учетом биологической направленности обучаемых,
со спецификой нанобио- и бионанотехнологий, основанных на использовании
живых организмов (фагов, вирусов) и биомолекул, их составляющих
(белков, липидов, нуклеиновых кислот и т.п.), в качестве
объектов нанотехнологических разработок, а также с проявлениями,
открытиями и внедрениями нанобиотехнологических процессов в разнообразные
отрасли науки и производства, медицины, фармакологии,
мониторинга, безопасности, социальной сферы и т.п.
Издание предназначено в качестве учебного пособия в первую
очередь для студентов биологических специальностей педагогических
вузов (биологи с дополнительными специальностями: химия, экология,
иностранный язык и другие). Но может вызвать интерес у широкого
круга изучающих биологию и химию: учителей школ, учащихся школ
с углубленным изучением биологии и химии, студентов нехимических
вузов.
ISBN 978-5-7042-2445-7
© В. А. Горленко, Н. М. Кутузова, С. К. Пятунина, 2013
© Издательство «Прометей», 2013
Стр.2
СодеРжАНие
Список сокращений ..............................................................................6
Предисловие ............................................................................................8
I. Введение. основные понятия нанотехнологии.
история становления и развития ................................................11
1. Нанотехнологии – что это? .....................................................................11
2. История возникновения и развития нанотехнологий ...........15
2.1. Проблемы развития нанотехнологий .....................................24
2.1.1. Проблемы образования и выращивания
квалифицированных кадров ....................................................................24
2.1.2. Динамика нанотехнологий в Российской Федерации ...............25
2.1.3. Достижения в развитии нанотехнологий в РФ .........................28
2.2. Биобезопасность ..................................................................................30
3. Зачем нужны нанотехнологии ..............................................................33
4. Принципиальные схемы получения наноматериалов ...........39
5. Инструментарий в нанотехнологиях: атомно-силовой
и сканирующий туннельный микроскопы ........................................41
5.1. Сканирующий туннельный микроскоп ..................................43
5.2. Атомно-силовой микроскоп ..........................................................46
6. Возникновение нанобио- и бионанотехнологий .......................54
II. Классификация нанообъектов .................................................50
7. Основные виды нанообъектов и перспективы
их использования в нанотехнологиях ..................................................50
7.1. Кластеры ..................................................................................................52
7.2. Фуллерены ..............................................................................................54
7.3. Графен .......................................................................................................58
7.4. Нанотрубки .............................................................................................61
7.4.1. Углеродные нанотрубки ............................................................................61
7.4.2. Неуглеродные нанотрубки .......................................................................64
7.5. Карбин .......................................................................................................65
7.5.1. Предполагаемые области применения .............................................68
7.5.2. Углерод с гранецентрированной кубической решеткой .........70
7.6. Нанонити, или вискеры ...................................................................71
7.7. Наноремешки ........................................................................................72
7.8. Дендримеры ...........................................................................................74
7.9. Фракталы .................................................................................................75
3
Стр.3
Научные основы биотехнологии. Часть I
7.10. Нанокомпозиты .................................................................................79
7.11. Нанокристаллы .................................................................................82
7.12. Наномембраны ...................................................................................83
7.13. Гибридные наноматериалы .......................................................85
7.14. Фотонные кристаллы ....................................................................87
III. Зонная структура макрообъектов.
Квантовые точки .................................................................................91
8. Начала квантовой механики ..................................................................91
8.1. Описание состояния электрона в атоме ................................91
8.2. Энергетические зоны ........................................................................97
8.3. Экситон и экситонные переходы ............................................100
8.4. Квантово-размерные эффекты ................................................102
8.5. Квантовые точки ..............................................................................104
8.6. Полупроводниковые нанокристаллы –
флуоресцирующие материалы
нового поколения...........................................................................105
8.7. Энергетические зоны гетероструктур .................................106
8.8. Получение квантовых точек ......................................................109
8.9. Модификации квантовых точек и конъюгация
с биологически активными молекулами ..........................112
8.10. Пути использования конъюгатов
квантовых точек с биологически
активными молекулами .............................................................115
8.10.1. Визуализация биологических объектов ......................................115
8.10.2. Диагностика раковых заболеваний ..............................................117
IV. Супрамолекулярные системы ...............................................119
9. Супрамолекулярные системы как мост
от неживой материи к живой ..................................................................119
9.1. Супрамолекулярные структуры в природе .......................119
9.2. Самосборка. Амфифильные соединения ............................121
9.2.1. Липиды – природные амфифильные соединения .....................122
9.2.2. Жидкие кристаллы ....................................................................................124
9.2.3. Поверхностно-активные вещества и самосборка .................128
9.3. Полимеры в нанотехнологиях ..................................................130
9.3.1. Самосборка полимеров ............................................................................134
9.3.2. Блок-сополимеры ........................................................................................135
9.3.3. «Умные» полимеры ....................................................................................138
9.4. Супрамолекулярные матричные структуры ....................141
4
Стр.4
Содержание
V. Нанобиотехнологии ....................................................................147
10. Взаимопроникновение нанотехнологий
и биологии ..........................................................................................147
10.1. Биоматериалы .................................................................................147
10.2. Белки, иерархическая структура ..........................................148
10.2.1. Первичная структура белков ...............................................................149
10.2.2. Вторичная структура ..........................................................................155
10.2.3. Надвторичные структуры ................................................................159
10.2.4. Третичная структура ..........................................................................163
10.2.5. Четвертичная структура .................................................................165
10.2.6. Конформационная подвижность белков ...................................168
10.2.7. Проблемы узнавания и реагирования ..........................................168
10.3. Иммуноглобулины. Молекулярное
конструирование на основе иммуноглобулинов .........175
10.3.1. Структура и функции иммуноглобулинов ................................175
10.3.2. Иммуноглобулины. Подходы к наноконструированию.
Моноклональные антитела .................................................................179
10.3.3. Наноконструирование на основе иммуноглобулинов.
Гуманизирование моноклональных антител ...........................181
10.3.4. Наноконструирование на основе мини-антител.
Создание молекулярного «лего» ..........................................................184
10.4. Белки – размножаемые «кирпичики» ................................193
10.5. Каталитически активные белки – ферменты ...............196
10.5.1. Начальные представления
о ферментативном катализе ............................................................197
10.5.2. Теории ферментативного катализа ...........................................202
10.5.3. Идентификация каталитических групп ферментов ........207
10.5.4. Факторы, оказывающие влияние
на ферментативные реакции .............................................................209
10.6. Перспективы использования
белков-ферментов в био- и нанотехнологиях ...............214
10.6.1. Инженерная энзимология ...................................................................214
10.6.2. Мицеллярная энзимология .................................................................220
10.6.3. Химические и генетические модификация ферментов
с целью придания новых свойств ......................................................222
11. Биомиметика. «Молекулярные моторы» ..................................232
11.1. Аденозинтрифосфатсинтаза ..................................................235
11.2. Флагеллярный мотор бактерий ............................................241
11.3. Миозин – молекулярная машина .........................................243
литература .......................................................................................................257
5
Стр.5