Доклад по нанофармакологии на тему “ Методы манипулирования нанообъектов.” Выполнила студентка 5 курса 1 гр. Митрофанова П.А. В настоящее время во всем мире все большее внимание уделяется нанотехнологиям, т.е. технологиям направленного манипулирования материальными объектами, имеющими размеры 1–100 нм (нм — нанометр, 1×10-9м). Нанотехнологией также называют совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами. В связи с данным определением нанотехнологий возникает естественный вопрос: каким же образом мы можем манипулировать веществом на уровне атомов и молекул? Зондовая сканирующая микроскопия Оптический микроскоп позволяет видеть мелкие детали величиной до 0,25 мкм. Поэтому нанотехнологии потребовались новые методы наблюдения за нанообъектами - сканирующие зондовые микроскопы. Основным элементом сканирующих зондовых микроскопов является зонд (кантилевер) - сверхтонкая игла, сканирующая поверхность с атомным разрешением. В 1981 г. Г. Бинниг и Г. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп(СТМ), что дало возможность не только получать изображения отдельных атомов, но и манипулировать ими ( соединять атомы и молекулы в заданном порядке). И в 1982 г. с его помощью впервые в истории было получено изображение поверхности золота, а затем и кремния с атомарным разрешением. В 1986 г. создан атомно-силовой микроскоп(АСМ), позволяющий, в отличие от СТМ, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с электропроводящими. Современные методы, обеспечивающие измерения в нанометровом диапазоне, во многом основаны на сканирующей зондовой микроскопии, включающей сканирующую туннельную микроскопию и спектроскопию (СТМ/СТС), силовую микроскопию , в частности — атомно-силовую микроскопию, сканирующую оптическую микроскопию ближнего поля(в них зонды с иглами из оптоволокна с суженными концами; регистрируются изменения характеристик проходящего по ней лазерного луча) и другие приборы этих типов. Принцип действия сканирующих зондовых микроскопов: Построение изображения осуществляется дискретно при перемещении зонда по растру. Перемещение зонда вдоль поверхности осуществляется обычно с помощью сканирующих устройств - пьезоманипуляторов точных перемещений. Расстояние (менее 0,5 нм) между зондом и образцом поддерживается с высокой точностью. При перемещении зонда в плоскости X,Y сигнал на исполнительном элементе оказывается пропорциональным рельефу поверхности и записывается в память компьютера, а затем изображение строится с помощью средств компьютерной графики в виде трехмерных и двумерных яркостных (или цветовых) изображений. Информация, полученная с помощью СЗМ, хранится в виде двумерного массива целых чисел (матрицы). В случае СТМ при подаче на зонд постоянного напряжения возникает туннельный ток, который экспоненциально зависит от расстояния между зондом и образцом. Это значит, что при увеличении расстояния лишь на 0,1 нм туннельный ток уменьшается почти в 10 раз! Именно это и обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа, поскольку незначительные изменения по высоте рельефа поверхности вызывают существенное изменение туннельного тока. * Туннельный эффект является квантово-механическим эффектом. С точки зрения классической механики очевидно, что никакое материальное тело, имеющее энергию E, не может преодолеть потенциальный барьер высотой V, если V>E. Например, если принять за материальное тело мяч, а за потенциальный барьер – очень высокий бетонный забор, то понятно, что если кинуть мяч в сторону забора недостаточно высоко – так, что его энергии не хватит на перелет стоящего перед ним барьера, то он, ударившись о преграду, отскочит назад. Однако если в качестве материального тела рассмотреть электрон, то оказывается, что даже если высота потенциального барьера выше, чем собственная энергия электрона, то он с определенной вероятностью может оказаться с другой стороны барьера, лишь незначительно изменив свою энергию, как если бы в “заборе” оказалась некая “дырка” или туннель. Это необъяснимое, на первый взгляд, туннелирование является следствием того, что электрону присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако, будучи одновременно и волной, он проходит сквозь эту преграду, подобно тому, как рентгеновские волны свободно проходят сквозь материальные объекты. АСМ основана на зондировании поверхности образца острием малого радиуса, закрепленным на плоской пружине(кантилевере). Изменение рельефа поверхности образца или вариации силового взаимодействия между атомарно-острым зондом и образцом в процессе сканирования вызывает отклонение пружины от первоначального положения.Отклонение это регистрирует оптический детектор при отражении пружиной лазерного луча. В качестве силового взаимодействия между острием и образцом могут использоваться силы межатомного (межмолекулярного) взаимодействия между атомами зондирующего острия и образцом. Зонд сканирующих микроскопов как атомный пинцет может не только визуализировать атомы, но и модицфицировать поверхность нанообъекта захватывать и перемещать атомы в нужное место. Впервые возможность контролируемого перемещения отдельных атомов вдоль кристаллической поверхности продемонстрировал Д.Эйглер в 1991 г. перемещая атомы ксенона по поверхности никеля зондом туннельного микроскопа, он составил слово IBM. Для написания буквы I было использовано всего восемь атомов ксенона, а букв В и М — по 13 атомов. Позже в печати широко тиражировали изображение логотипа компании IBM, выложенное на поверхности кремния несколькими десятками атомов золота. Сканирующая зондовая микроскопия позволяет осуществить визуализацию одиночных молекул белков, ДНК и РНК. Для обнаружения ДНК-мишени с определённой последовательностью оснований используются олигонуклеотидные зонды, комплементарные к выявляемой последовательности оснований ДНК-мишени. Существуют определенные преграды на пути внедрения такого способа в практическую клиническую диагностику: ● погрешность измерений может находиться на уровне единиц и более процентов ● надо тщательно следить за чистотой используемых химических препаратов и применяемых подложек ● наблюдение таких коротких олигонуклеотидных последовательностей в зондовом микроскопе не очень эффективно из-за эффекта уширения радиуса зонда Сканирующая силовая микроскопия позволяет разворачивать отдельные белковые молекулы. Высокоскоростная сканирующая силовая микроскопия в настоящее время позволяет увидеть биологические процессы на поверхности, такие как движения миозин по актину в реальном времени, расщепление ДНК под действием ДНКазы. Атомно-силовая микроскопия является современным и перспективным методом, применяемым в научных исследованиях [5]. Основными преимуществами АСМ являются: возможность получать трехмерное изображение исследуемых объектов с разрешением до атомарного и молекулярного, возможность исследовать объекты, находящиеся в жидкой среде, высокая пространственная точность. Однако манипулирование на наноуровне характеризуется низкой эффективностью и производительностью из-за последовательной работы зонда, плохой воспроизводимостью, работа ведется при низких температурах. Целенаправленное управление движением отдельной наночастицы в масштабе клетки связано с определенными трудностями. Неоднородности структуры вне- и внутриклеточного матрикса, клеточный интерфейс, клеточные элементы и везикулярные пузырьки являются центрами притяжения и концентрации наночастиц, где проявляются различные виды взаимодействий: дипольное, вандервальсовское, кулоновское и др. В результате таких взаимодействий наночастицы могут приводиться в движение посторонней, случайно-направленной силой, изменяющей ее целевую траекторию. Для уменьшения такого влияния применяются так называемые «оптические пинцеты», захватывающие и удерживающие наночастицы и клетки в одном фиксированном положении Оптический пинцет Исторически первенство в оптическом манипулировании атомами принадлежит отечественным ученым. Метод “микроуправления светом” был впервые применен в 1979 году советскими физиками под руководством Владилена Летохова из Института спектроскопии, которые сумели затормозить атомы натрия с помощью пучка света. В 1986 году американские исследователи из компании Bell продемонстрировали действие так называемого оптического пинцета(лазерного пинцета).Нобелевская премия по физике за 2018 г. присуждена за новаторские изобретения в области лазерной физики. Ее получили Артур Эшкин (1/2 премии) за изобретение оптического пинцета и его приложений в биологических системах, а также Жерар Муру (1/4) и Донна Стрикланд (1/4) за метод генерации ультракоротких оптических импульсов высокой интенсивности. Использование оптического нанопинцета позволяет манипулировать нанообъектами без их повреждения и разрушения(наименее инвазивный метод). Уже сейчас возможна лазерная нанохирургия клеток, эмбрионов и биологических тканей с помощью фемтосекундного лазерного скальпеля. С помощью данной системы проводят бесконтактную биопсию эмбрионов на различных сроках преимплантационного развития. В частности, лазерным скальпелем делают в оболочке эмбриона отверстие размером 5–20 мкм, и оптическим пинцетом, без каких-либо механических инструментов, извлекается полярное тельце. Оно не очень нужно в дальнейшем для развития эмбриона, но позволяет провести диагностику возможных генетических заболеваний. Лазерная микроманипуляция может использоваться на клеточном уровне : возможность разрезать или менять отдельные органеллы, цитоскелетные нити, хромосомы, жгутики, митохондрии. Осуществима отопорация клеточном мембраны и индуцируемое этим слияние 2 клеток, что применяется для репрограммирования клеток, а также перенос чужеродной ДНК в клетку.Более того, по деформации эритроцита в поле лазерного излучения оказалась возможной диагностика ряда заболеваний.Фемтосекундные лазеры успешно применяются в офтальмологии для лечения катаракты и роговицы. Суть метода заключается в захвате отдельной наночастицы из раствора в оптическую ловушку с помощью лазерного луча посредством действия сил давления света. Это происходит потому, что при изменении направления потока фотонов (обладающего, как и все квантовые частицы, импульсом) возникает сила, сдвигающая пойманную частицу. Перемещая фокус луча, можно передвигать “пойманные” нанообъекты или даже выстраивать из них разнообразные конструкции. В лазерном луче от объектива создается э/м поле и на диэлектрическую частицу действует втягивающая сила, при этом силовое воздействие передается от частицы на молекулу, закрепленную на подложке. В магнитных пинцетах используют ферромагнитную диэлектрическую частицу. Как предсказывал Ральф Меркле “Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией”. Сейчас возможно создание любых объектов, изготавливаемых атом за атомом. Список литературы: 1.Перетолчина Н.П., Малов И.В., Семинский И.Ж. РОЛЬ ПОЛИМОРФИЗМА ГЕНА N-АЦЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ 2 В ПАТОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА // Acta Biomedica Scientifica. 2021. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/rol-polimorfizma-gena-natsetiltransferazy-2-v-patologii-cheloveka (дата обращения: 20.12.2023). 2.Герасимова Ксения Владимировна, Сычев Дмитрий Алексеевич Клиническая фармакогенетика: исторический очерк // Медицинские технологии. Оценка и выбор. 2012. №3 (9). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/klinicheskaya-farmakogenetikaistoricheskiy-ocherk (дата обращения: 20.12.2023). 3.Чумаков, П. Выход за пределы возможного: Проект "Геном человека" / П. Чумаков // Наука в России. – 2012. – № 4. – С. 72-79. – EDN PFQGJN. 4.Пергаева Е.А. ПОЛИМОРФИЗМ ГЕНА ИЛ-28В В КАЧЕСТВЕ КРИТЕРИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТИВОВИРУСНОЙ ТЕРАПИИ ПРИ ХРОНИЧЕСКОМ ВИРУСНОМ ГЕПАТИТЕ С // Материалы XI Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL: <a href="https://scienceforum.ru/2019/article/2018011164">https://scienceforum.ru/2019/article /2018011164</a> (дата обращения: 21.12.2023 ).</p> 5. Момот А.П., Николаева М.Г. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТРОМБОФИЛИИ И ГЕСТАЦИОННЫЕ ОСЛОЖНЕНИЯ // Вестник гематологии. 2020. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/geneticheskie-trombofilii-i-gestatsionnye-oslozhneniya (дата обращения: 21.12.2023). 6.Кукес, В. Г. Клиническая фармакология : учебник / В. Г. Кукес, Д. А. Сычев [и др. ] ; под ред. В. Г. Кукеса, Д. А. Сычева. - 6-е изд. , испр. и доп. - Москва : ГЭОТАРМедиа, 2022. - 1024 с. : ил. - 1024 с. - ISBN 978-5-9704-6807-4. - Текст : электронный // ЭБС "Консультант студента" : [сайт]. - URL : https://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970468074.html (дата обращения: 21.12.2023). - Режим доступа : по подписке. 7.Вебер, В. Р. Клиническая фармакология : учебник / В. Р. Вебер. - Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2023. - 784 с. - ISBN 978-5-9704-6909-5, DOI: 10.33029/9704-6909-5KFU-2023-1-784. - Электронная версия доступна на сайте ЭБС "Консультант студента" : [сайт]. URL: https://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970469095.html (дата обращения: 21.12.2023). - Режим доступа: по подписке.