Методы получения наноматериалов из микроорганизмов и их

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