26 Апреля 2006 19:04 26 Апр 2006 19:04 |

Поделиться

Создан логический переключатель на биооснове

Несмотря на то, что работу команды воспринимали скептически физики и биотехнологи, устройство все же удалось сконструировать. «Самое интересное — то, что скептицизм наших коллег возник не на пустом месте: действительно, уравнение Строка для вязких сред дает понять, что система, подобная сконструированной нами, работать не будет. Однако это решение справедливо в макромире, в наноразмерном же диапазоне уравнение приобретает совершенно другой вид из-за особенностей физики наномира, — комментирует доктор Кейт Фирман (Keith Firman), координатор проекта „Mol-Switch project“ из отделения молекулярной биотехнологии Портсмутского университета. — Именно поэтому нам удалось заставить нанопереключатель работать».

Переключатель может быть легко интегрирован с современными молекулярными ДНК-моторами — с его помощью можно достичь невиданного ранее быстродействия в подобных наносистемах. Кроме того, с помощью специальных сенсоров, испускающих электроны, теперь можно узнать, работает биомотор или нет, т.е. удалось установить надежную информационную связь между биологическим переключателем и управляющей электроникой. Ранее работу подобных наносистем можно было наблюдать только с помощью атомно-силового или сканирующего электронного микроскопов.

Принцип действия нанопереключателя относительно прост. Основа устройства — микрожидкостный чип с каналами диаметром до нескольких десятков нанометров. Микрожидкостные чипы удобны тем, что струя жидкости наноканалов имеет ламинарный характер. Такие жидкостные системы просто рассчитывать и проектировать, в отличие от турбулентных жидкостных систем.

На поверхности наноканалов расположили датчики Холла. С помощью эффекта Холла можно с высокой степенью точности получить информацию о том, как изменяется магнитное поле в наноканале. В самих наноканалах разместили ДНК-наносистему с магнитной наночастицей на конце цепей ДНК. Таким образом, сам переключатель похож на воздушный шар на привязи: цепочки ДНК, прикрепленные к наноканалу, держат магнитную наночастицу, которая под действием ДНК-наномотора поднимается вверх, а изменение магнитного поля, в свою очередь, регистрируется датчиком Холла. Именно датчики Холла позволили ученым связать два мира: органический и электронный.

Еще одно нововведение — ДНК-мотор, позволяющий поднимать и опускать магнитную наночастицу. Специальный белок (энзим, изменяющий рестрикцию ДНК) выступает в роли основного «мотора». Он может быть прикреплен только к определенной последовательности ДНК-оснований. По получении универсального биологического «топлива» в виде молекул АТФ энзим распрямляет цепи ДНК таким образом, что отрезок биомолекулы, на котором находится наномагнит, поднимается от «дна» наноканала к его «верху». «Топливо» поставляется наномоторам посредством жидкости, которая протекает через наноканалы.

Два положения магнитной наночастицы формируют логические "1" и "0", что делает устройство в целом матрицей простейших логических переключателей, выполненных на биологической основе. Кроме того, как говорят ученые, ДНК-биомотор может работать в реверсивном режиме.

Потенциальные применения нанопереключателей и ДНК-моторов, по словам исследователей, не ограничиваются биоэлектроникой. Это могут быть и нановентили, клапаны, приводы, насосы, системы позиционирования и биосенсоры.

«Но в первую очередь наше устройство может быть использовано как посредник между миром биологии и кремния. Я считаю, что оно может быть интерфейсом между мышцами и внешними электронными устройствами в биопротезах нового типа, которые могут использовать энергию АТФ так же, как и остальные биологические наносистемы. Мы считали, что подобные устройства появятся через 20–30 лет, а смогли сделать их уже сегодня. Это несомненный прогресс в области нанотехнологий и биомиметики!» — говорит д-р Фирман. Команда исследовала несколько типов биомоторов, в том числе EcoR124I и FtsK. Оба работали с одинаковой точностью, однако EcoR124I был более гибок в управлении, в то время как FtsK обеспечивал большую скорость.

Поделиться

Подписаться на новости Короткая ссылка