Тонкие линии да изломанные штрихи на мониторе компьютера — ни больше ни меньше как изображение молекул ДНК на графитовой подложке. А видим мы их благодаря необыкновенным возможностям атомно-силового микроскопа. Как бы “прощупывая” поверхность исследуемого объекта, он помогает специалистам составить представление о ее рельефе на нанометровом уровне. Техника настолько совершенна, что “различает” отдельные молекулы, не превышающие по высоте двух нанометров. Как патефонная игла, “обследующая” бороздки граммофонной пластинки, когда в результате несложных преобразований рождается звук. Сегодня даже трудно представить, что сравнительно недавно громоздкие патефоны с иголками и граммофонные пластинки относились к чудесам техники. Их и рядом не поставишь с нынешними микродиковинами: “навороченными” мобильными телефонами и прочими бесчисленными гаджетами. Технический прогресс и жесткая конкуренция на рынке электронной техники за несколько десятилетий превратили их в компактные, миниатюрные электронные приборы. Однако сейчас дальнейшая миниатюризация чудо-техники не представляется возможной: способность разработчиков двигаться дальше истощилась, фактически они уперлись в стену. Новые невиданные возможности откроет так называемая молекулярная электроника. В качестве ее рабочих элементов ученые намерены использовать не традиционные микросхемы и транзисторы, а молекулы ДНК. Над вопросом, как это лучше сделать, бьются исследователи едва ли не всех развитых стран мира и среди них — сотрудники лаборатории медицинских нанотехнологий Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины. Ее возглавляет кандидат физико-математических наук Дмитрий Клинов.
— Известно, что едва ли не главное достоинство молекул ДНК — их способность хранить генетическую информацию, — рассказывает Дмитрий Владимирович. — И только некоторое время назад ученые обнаружили, что они еще и пропускают электрический ток. Их даже научились соединять в цепочки и получать своего рода провода из молекул. Больше того, стоит произвести определенные химические модификации — и на основе ДНК можно будет собирать сверхминиатюрные электронные приборы. Молекулы, как оказалось, обладают не только электропроводностью, но и потрясающей способностью к самосборке. Погруженные в химический раствор, за счет свойства комплементарности, они как бы узнают нужные компоненты и соединяются с ними. Все равно что сборка из конструктора “Лего”, когда требуется подбирать подходящие детали, чтобы строить из них. В нашем случае ученые в этом не участвуют, а лишь создают подходящие условия для уникального процесса.
Но дальше возникли проблемы. Полученные структуры необходимо было “научить” проводить электрический заряд. Чтобы он беспрепятственно проходил через построенные из ДНК “кубики”, молекулы нужно металлизировать, а для этого найти подходящие металлические частицы. Это удалось сделать нашему соавтору по этой необыкновенно интересной разработке профессору Александру Котляру из Тель-Авивского университета Израиля. Он предложил использовать ионы серебра для восстановления металлических частиц. При образовании металла они взаимодействуют с ДНК и покрывают ее своего рода “шубой”. Так была получена молекулярная металлическая проволока, по которой свободно проходил электрический заряд. И опять возникли сложности. Нужно было убедиться, что частички серебра действительно встроились в молекулы. Добиться, чтобы “шуба” была однородной и не очень толстой, то есть не ухудшала геометрические параметры молекул ДНК, а главное, их важные электропроводящие свойства. Это была поистине трудная задача, поскольку речь шла о наноматериалах. Но наша лаборатория с ней справилась.
— Как родилась идея этого необычного исследования?
— Это произошло фактически случайно. Возможности ДНК мы изучаем, наверное, лет 20. Модифицировали, в частности, молекулы, наносили их на различные подложки — чтобы при взаимодействии с твердыми поверхностями, например слюдой или кремнием, полученные структуры обладали наибольшей электропроводимостью. В начале века вместе с коллегами из парижского университета (Université Paris Sud) показали, что молекулы ДНК могут переходить в сверхпроводящее состояние. Совместная работа, опубликованная в журнале Science, вызвала большой резонанс.
Сейчас занимаемся использованием молекулярных нанопроволок в медицине: создаем новые, более совершенные и эффективные биосенсоры для диагностики различных заболеваний на самых ранних стадиях. Это едва ли не главная цель нашей лаборатории. Испробовали разные подходы — и методом проб и ошибок получили искомое. Фактически речь идет о разработке принципиально нового, более совершенного биосенсора с широкими сферами применения. Разнообразные анализы для определения концентрации всевозможных веществ в крови и моче заменит наш универсальный способ. Ему по силам одновременно установить целый ряд компонентов, затратив на анализ всего минуты, тогда как сейчас на это требуются часы. А результат станет более надежным, достоверным и, подчеркну, дешевым. Отмечу, что чем быстрее будут получены данные анализов, тем больше врачам удастся накопить необходимой статистики, значит, и само лечение станет эффективнее. Диагностика поднимется на более высокую ступень — и все это благодаря молекулам ДНК, проводящим электрический заряд.
— На каком уровне находятся ваши исследования в области микроэлектроники?
— Есть прямая, на мой взгляд, зависимость между качеством выполненной работы и рангом издания, сообщившего об этом. Нашу статью напечатал журнал Advanced Materials с импакт-фактором 19 (возможно, не самым высоким, но и далеко не маленьким) — и она сразу же вызвала массу откликов. По этому факту легко судить о значимости наших исследований. Недавно на конференции по молекулярной электронике в Дании я и Александр Котляр выступили с докладами — и нас приняли очень хорошо.
— Каковы перспективы? Можно ли сказать, что в “стене”, в которую уперлись разработчики микроэлектроники, вы нашли “калитку”? И ваш метод найдет практическое применение?
— Есть “калитка” или нет — пока сказать все же трудно. Чтобы превратить этот метод в эффективную технологию, тем самым достигнув более высокого уровня молекулярной электроники, нужно провести целый ряд исследований. Тогда, возможно, в недалеком будущем изделия микроэлектроники станут более компактными и энергоэффективными, а ее качество значительно улучшится. Так что размеры многих гаджетов не превысят обычную флешку.
Добавим от себя. Казалось бы, разработчики Центра физико-химической медицины нашли нетрадиционный подход к решению сложной и важной задачи. То есть это как раз тот случай, когда отечественные специалисты не догоняют зарубежных коллег, а идут с ними вровень — тут бы и поддержать ученых, чтобы они работали не на одном энтузиазме, как сегодня, а их исследования, скажем, были выделены в отдельное направление.
Юрий Дризе
Фото предоставлено Д.Клиновым
Нет комментариев