Бионанофизика

Бионанофизика (греч. βίος — «жизнь» + греч. νᾶνος (лат. nanus), (10⁻⁹ м СИ) + физика) — направление биофизики, ориентированное на познание молекулярно-клеточных процессов в живых существах и их взаимодействии со внешней средой.

Определения и терминология

Бионанофизика — научное направление, связанное с познанием физических закономерностей в области биологических макромолекул и в размерах нанопростанства.

Согласно логике, это определение можно пояснить следующим образом:

1. изучение и управление биологическими процессами, как правило, в масштабе от нескольких нанометров (нм) до сотен нм, в одном или более измерениях, когда размерный эффект приводит к возможным комбинациям «слабых» сил взаимодействия (Ван-дер-Вальсовы, гидрофобные, ионные и пр.);
2. использование свойств объектов (органических наночастиц, например, макромолекул ДНК) и материалов (например, бислойных липидных мембран) в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания биологических и биотехнических материалов, приборов, систем, реализующих новые свойства.

На данный момент времени бионанофизика находится в состоянии формирования как вектор познания живой материи. Для понимания жизненных процессов на молекулярно-клеточном уровне необходим специальный подход в которы интегрированы разные научные направления (биохимия, коллоидная химия, физическая химия, квантовая механика, информатика и пр.). Кроме того, все известные процессы, которые относят к «проявлению жизни», проходят в жидкой среде, и здесь существенную роль играют молекулы воды Н₂О.

Конечной целью развития бионанофизики является создание различных нанобиотехнологий, а так же «искусственной» формы жизни с наперед заданными свойствами. В первом приближении это может быть аналог одноклеточной бактерии, способный динамически изменятся во времени и воспроизводить себе подобных.

В качестве базового элемента бионанофизики предполагается использовать понятия «органические наночастицы».

Начальные исследования в парадигме бионанофизики проводятся в двух лабораториях — Рига, с 2010г, МФТИ с 2011г.

При анализе биологических («жизненных») молекулярно-клеточных процессов необходимо учитывать размеры (нанопространство) и физические закономерности.

История исследования

Начало познания «жизненных процессов» связано с зарождением и развитием биологии, как научного направления. Простейшей моделью биологического организма являются одноклеточные (археи, бактерии и большая часть протист, а также некоторые растения и грибы).

Количественное описание клеточных биологических процессов стало возможных в рамках биохимии (немецкий химик Карл Нейберг, 1903г)

и биофизики (у истоков биофизики как науки стояла работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики», 1945г).

Развитие прикладных биологических нанотехнологий стимулирует прогресс в области формирования академической бионанофизики.

По сути своей, изготовление антивирусных вакцин, востребованных в период пандемии, представляет собой нанобиотехнологию, которая создается на платформе бионанофизики.

Файл:Статическая структура клеткм.png

Фундаментальные положения

Органические наночастицы

Основным элементом создания теоретической бионанофизики предлагается использовать понятие — органические наночастицы. Это большие органические макромолекулы (ДНК, РНК, и пр.) или устойчивые комбинации нескольких молекул размерами от несколько десятков нм до несколько сот нм и более (например, белки, гемоглобин, связанные цитохромы а, в,с). Основные свойства органических наночастиц проявляются в водных растворах, при обезвоживании и последующем помещении в раствор многие свойства теряются. Однако, существует особый класс органических наночастиц, которые существуют в безводном состоянии и способны выдерживать экстремальные условия внешней среды — это бактериальные и растительные споры.

Способы получения органических наночастиц

Существует два способа получения органических наночастиц — синтез и дезинтеграция более крупных образований, например, клетки. В первом случае имеются определенные успехи, особенно в области биотехнологии вакцин, но остается проблеме очистки. Во втором — широко применяю методы дезинтеграции клеточной массы и последующая очистка, например, методами хроматографии. Для этих способов необходима жидкая среда, обычно это буферные растворы. Существует еще один способ — криогенное дробление, который предполагает охлаждение органики до температуры жидкого азота (−195,75 °C) и последующее дробление.

На снимке представлена фотография, полученная на электронном микроскопе в Институте микробиологии и биотехнологии ЛУ, Рига. На фотографии органика (стебель растения) после криогенного дробления (средняя степень измельчения). Видны сколы от наночастиц.

Проблема целевого образования конгломератов

Методы и технологии создание из молекулярных органических наночастиц комплексов с заданными параметрами находятся на уровне лабораторных методик. Больший прогресс наблюдается в области получения активного вещества для вакцин против вирусов, существуют даже промышленные технологии. Биологически активные конгломераты (устойчивые образования нескольких отдельных молекулярных наночастиц), получаемые методом криогенного дробления, могут проявлять даже целый спектр свойств.

Фотография конгломератов органических наночастиц, полученных методом криогенного дробления растения толокнянка. Снимок сделан на электронном микроскопе (Институте микробиологии и биотехнологии ЛУ, Рига.)

См. также

·       Нанотехнология

·       Нанобиотехнология

·       Биохимия

Литература

• Аккерман Ю. Биофизика. — М.: Мир, 1964. — 684 с.

• Гудилин Е. А. и др. Богатство наномира. Фоторепортаж из глубин вещества. — М.: Бином, 2009. — С. 176.
• Волькенштейн М. В. . Общая биофизика. — М.: Наука, 1978. — 592 с.
• Скулачев В. П. Рассказы о биоэнергетике. — М.: Молодая гвардия, 1985 — 191с.
• Полинг Л. Общая химия. — М.: Мир,1974 — 850с.
• Шрёдингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики?. — М.: РИМИС, 2009. — 176 с.
• Утехина А. Ю., Сергеев Г. Б. Органические наночастицы. Успехи химии. −2011, т.80, № 3. — 233-248с.