Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 19 – vyšlo 11. května, ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

19/2007

Bakteriofág M13 v nanotechnológiách

Vladimír Scholtz

Terajšie mikroelektronické súčiastky sa vyrábajú komplikovaným spôsobom, pri ktorom sa každá jednotlivá komponenta obvodu vytvára samostatne. Nedal by sa vyvinúť proces, ktorý by požadované mikroelektronické štruktúry generoval takpovediac ,,sám od seba”? Určite sa to dá, napríklad živé organizmy sa pri vývoji vytvárajú a štrukturalizujú sami z jednej bunky.

Bakteriofág – virus napadající bakterie. Pro buňky s jádry (eukaryotní), tj. buňky rostlin a živočichů, je neškodný. DNA, resp. RNA bakteriofágu je obalená v bílkovinném (proteinovém) obalu, na jednom konci přizpůsobeném k přichycení na bakterii. Při napadání bakterie se bakteriofág přichytí na její stěnu a vtlačí do ní svoji kopii DNA, resp. RNA. Virus – struktura nacházející se na hranici mezi živým a neživým. Ty nejprimitivnější viry obsahují pouze svoji genetickou informaci ve formě DNA nebo RNA, které jsou uloženy ve vnitřní části (nukleoidu) obklopeném proteinovou schránkou (kapsidou). Obalené viry mají navíc virový obal z membrány tvořené proteinovou a lipidovou dvouvrstvou. Viry nejsou schopny samostatné replikace bez hostitelské buňky. Buňka slouží pouze jako biologická továrna a sklad náhradních dílů potřebných pro vznik nových virů. Nanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů. Nanofyzika – obor fyziky, zabývající se vlastnostmi látky v nanometrových měřítcích. Spadá do fyziky pevných látek. O možnosti manipulovat s jednotlivými atomy v nanometrových měřítcích poprvé uvažoval Richard Feynman v roce 1959. Nanometr – tisícina mikrometru, jednotka používaná zejména ve fyzice pevných látek. Je to jednotka srovnatelná s meziatomovou vzdáleností v krystalické mříži.

V prírode sa často stretávame s fascinujúcimi útvarmi, rôzne sfarbenými a maskovanými živočíchmi a rastlinami, a fascinuje nás, ako môžu tieto tvary vznikať sami od seba. Odpoveď priniesli až posledné desaťročia minulého storočia a tzv. nelineárna dynamika. Tá dokázala pomocou riešení nelineárnych diferenciálnych alebo diferenčných rovníc, pri použití relatívne jednoduchých reakčno-difúznych modelov opísaných analytickými rovnicami pri rôznych vstupných parametroch generovať množstvo druhov, v prírode sa vyskytujúcich, vzorov. Ako príklad je možné uviesť sústavu dvoch diferenciálnych rovníc navrhnutých Meinhardtom a Klingerom, ktorých niektoré riešenia sa nápadne podobajú na vzory reálne existujúcich mušlí. Následne si niektorí ľudia položili logickú otázku, nedali by sa tieto schopnosti živých organizmov využiť priamo na tvorbu pre človeka užitočných štruktúr?

Tejto myšlienky sa držala aj Angela M. Belcher z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. a dosiahla už prvé pozitívne výsledky. Po predchádzajúcich pokusoch s monoklonnými protilátkami, prácu s ktorými však považovala za príliš zložitú, zamerala svoju pozornosť v polovici 90. rokov na bakteriofágaBakteriofág – virus napadající bakterie. Pro buňky s jádry (eukaryotní), tj. buňky rostlin a živočichů, je neškodný. DNA, resp. RNA bakteriofágu je obalená v bílkovinném (proteinovém) obalu, na jednom konci přizpůsobeném k přichycení na bakterii. Při napadání bakterie se bakteriofág přichytí na její stěnu a vtlačí do ní svoji kopii DNA, resp. RNA. M13. Ide o bežný vírusVirus – struktura nacházející se na hranici mezi živým a neživým. Ty nejprimitivnější viry obsahují pouze svoji genetickou informaci ve formě DNA nebo RNA, které jsou uloženy ve vnitřní části (nukleoidu) obklopeném proteinovou schránkou (kapsidou). Obalené viry mají navíc virový obal z membrány tvořené proteinovou a lipidovou dvouvrstvou. Viry nejsou schopny samostatné replikace bez hostitelské buňky. Buňka slouží pouze jako biologická továrna a sklad náhradních dílů potřebných pro vznik nových virů. pretiahnutého tvaru napádajúci baktérie a neškodný pre človeka. Jeho stavbu ukazuje obrázok. DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. vírusu je obalená proteinovým povlakom, tvoreným cca 2 700 kópiami jednej molekuly bielkoviny a niekoľkými inými bielkovinami uloženými na koncoch. VírusyVirus – struktura nacházející se na hranici mezi živým a neživým. Ty nejprimitivnější viry obsahují pouze svoji genetickou informaci ve formě DNA nebo RNA, které jsou uloženy ve vnitřní části (nukleoidu) obklopeném proteinovou schránkou (kapsidou). Obalené viry mají navíc virový obal z membrány tvořené proteinovou a lipidovou dvouvrstvou. Viry nejsou schopny samostatné replikace bez hostitelské buňky. Buňka slouží pouze jako biologická továrna a sklad náhradních dílů potřebných pro vznik nových virů. sú schopné rýchlo mutovať a meniť presné zloženie bielkovín tvoriacich ich povrch, čím sa môže meniť ich chemická afinitaChemická afinita – schopnost slučovat se s jinými látkami.. Biológovia už dlhú dobu študujú a využívajú tieto vlastnosti napríklad pri určovaní zloženia neznámych organických vzoriek. Angela Belcher však bola prvá, ktorá ukázala, že bakteriofágy M13 sú schopné manipulovať aj s anorganickými molekulami, napríklad kovov alebo polovodičov.

Štruktúra bakteriofágu M13. Prevzaté z Tulane University Course BS224

Na získanie klonu bakteriofágu selektívneho na požadovanú molekulu bol použitý štandardný proces evolúcie. Zjednodušene sa dá tento proces opísať nasledovne: Veľké množstvo vírusov M13 sa v skúmavke zmieša so vzorkou, s ktorou má vírus reagovať. Nejaká časť vírusov s touto vzorkou zreaguje, čím sa čiastočne zmení ich povrch. Tieto vírusy sa selektívne oddelia od ostatných (napr. rôznou reakciou s povrchom iného materiálu, zmenou pHpH – záporně vzatý dekadický logaritmus koncentrace hydroxoniových iontů H₃O⁺: pH = –log[c(H₃O⁺)]. Chemicky čistá voda má pH = 7, kyseliny od 0 do 7, zásady od 7 do 14. a pod.) a infikujú sa nimi baktérie, v ktorých sa tento klon vírusov namnoží. Tento proces sa opakuje až pokiaľ nebudú mať klonované vírusy požadované vlastnosti. A. Belcher trval tento proces evolúcie asi tri týždne. Podarilo jej získať rôzne klony vírusov vysoko selektívne na ióny zlata alebo galium arzenidu. Pokiaľ vložíme vírusy selektívne na ióny zlata do roztoku obsahujúceho zlato, vírusy ich z roztoku povyťahujú a vytvoria nanovodiče dlhé rádovo mikrometre. Niektoré klony sú dokonca schopné vytvárať vodiče dlhé až niekoľko centimetrov, ktoré je následne možné zapliesť podobne ako vlákna alebo nite.

Pokiaľ sa zmieša niekoľko málo vírusov, bude ich organizácia chaotická. V prípade, že ich však bude dostatočné množstvo, budú mať tendenciu sa organizovať. Napríklad sa podarilo vytvoriť vrstvu usporiadaných bakteriofágov M13 hrubú rádovo mikrometer a s plochou až 10 cm². V tomto čase sa A. Belcher spolu so svojimi spolupracovníkmi z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. Yet Ming Chiengom, Palou Hammondom a Ki Tae Namom snažia vyvinúť ultratenkú lítium-iónovú batériu. Jej hlavnou prednosťou by mala byť už spomínaná hrúbka a teda minimálna hmotnosť, pri rovnakej kapacite asi 20 krát menšia v porovnaní s terajšími batériami. Záporná elektróda je tvorená bakteriofágmi na ktorých povrchu je naviazané zlato a oxid kobaltu. Zlato zvyšuje vodivosť a oxid kobaltu poskytuje ióny ako nosiče náboja. Táto elektróda je vytvorená priamo na pripravenom polymérnom elektrolyte. Kladná elektróda je v súčasnosti vo vývoji a snaha je, aby sa formovala priamo na opačnej strane elektrolytu. Tieto vrstvy sa nanesú niekoľkokrát na seba, čím sa zvýši celkové napätie batérie a malá vzdialenosť medzi vrstvami umožní rýchle nabíjanie a vybíjanie batérií.

Samoorganizovaná štruktúra vírusov M13, ktorá bude tvoriť časť funkčnej batérie.
Prevzaté z Lindsay Carswell: Virus Battery. Ki Tae Nam, MIT.

Do budúcnosti by autori radi využili schopnosti bakteriofágov aj na iné účely. Napríklad by pomocou bakteriofágov bolo možné detegovať defekty v materiáloch, resp. ich opotrebovanie. Taktiež by bolo zaujímavé prinútiť vírusy aby vytvorili PN prechody a sami tvorili tranzistory. Tranzistory by pravdepodobne nemali lepšie vlastnosti, či už elektrické alebo mechanické, ako teraz používané polovodičové súčiastky, boli by však pripravované bez použitia agresívnych chemikálií a taktiež znateľne lacnejšie.

Klip týdne: Ozubené soukolí v nanosvětě

 

Ozubené soukolí v nanosvětě. Inženýři z NASA již přemýšlejí jak pomocí nanotechnologií vyrobit miniaturní stroje. Pomocí numerických výpočtů simulují, jak by mohly vypadat základní součástky. V animaci si můžete prohlédnout dvě uhlíkové nanotrubice, ke kterým jsou přidány zuby v podobě molekul dehydrobenzenu (někdy se tato molekula nazývá benzyn). Průměr nanotrubice je pouhých několik nanometrů. Soukolí je velmi pevné a funguje i za podmínek, kdy by jeho makroskopický protějšek selhal. Je možné například prokluzování zubů bez zničení kola. Jako pohon ozubeného kola by v budoucnu mohl sloužit laser. Zdroj: Nasa Center for Nanotechology, Jie Han, Al Globus, Richard Jaffe, Glenn Deardorff. (mpg, 2 MB)

Odkazy