166.Weizman H., Tor Y. 2,2'-bipyridine ligandoside: a novel building block for modifying DNA with intra-duplex metal complexes // Journal of The American Chemical Society. 2001. P.3375-3376.
167.Aich P., Labiuk S.L., Tari L.W., Delbaere L.J.T., Roesler W.J., Falk K.J., Steer R.P., Lee J.S. M-DNA: a complex between divalent metal ions and DNA which behaves as a molecular wire // Journal of Molecular Biology. 1999. P.477-485.
168.Braun E., Eichen Y., Sivan U., Ben-Yoseph G. DNA-templated assembly and electrode attachment of a conducting silver wire // Nature. 1998. V.391. P.775-777.
169.Keren K., Krueger M., Gilad R., BenYoseph G., Sivan U., Braun E. Sequence specific molecular lithography on single DNA molecules // Science. 2002. V.297. P.72-75.
170.Keren K., Bergman R.S., Braun E. Patterned DNA metallization by sequence specific localization of a reducing agent // Nano Letters. 2004. V.4. P.323-326.
171.Richter J., Seidel R., Kirsch R., Mertig M., Pompe W., Plaschke J., Schackert H.K. Nanoscale palladium metallization of DNA // Advanced Materials. 2000. P.507-510.
172.Torimoto T., Yamashita M., Kuwabata S., Sakata T., Mori H., Yoneyama H. Fabrication of cds nanoparticle chains along DNA double strands // Journal of Physical Chemistry B. 1999. P.8799-8803.
173.Dittmer W.U., Simmel F.C. Chains of semiconductor nanoparticles templated on DNA // Applied Physics Letters. 2004. V.4. P.3550-3553.
174.Hazarika P., Ceyhan B., Niemeyer C.M. Reversible Switching of DNA–Gold Nanoparticle Aggregation // Angew. Chem. Int. Ed. 2004. V.43. P.6469 –6471.
51
4. Модели нанороботов
В современных нанотехнологиях большое внимание уделяется разработке различных наномеханических устройств, являющихся аналогами простейших традиционных механических узлов. Это моторы для прямолинейного движения [1], [2],
роторные моторы [3] – [8], передаточные приводы [9], переключатели [10] – [11],
челноки (идея, впервые предложенная в [12], получила интенсивное развитие [13] – [16], в частности, активно исследуются конструкции челноков на основе химических
[17] – [21], электрохимических [22], [23] и фотохимических [24] – [26] технологий),
турникеты [27], храповики [28], щипцы [29], [30], ножницы [31], элеваторы [32].
Технология обнаружения конкретных нуклеотидов и нуклеотидных последовательностей является критической как для исследования генетических материалов, так и для мониторинга деятельности наномеханических роботов, в
частности, для считывания информации с наномеханических вычислительных устройств. Традиционно для обнаружения конкретных нуклеотидов и нуклеотидных последовательностей используется метод, заключающийся в маркировке нуклеотидов.
Однако этот метод, во-первых, является весьма трудоемким и потому непригоден для массового использования, во-вторых, может нарушить среду, в которой функционирует наномеханическое устройство, в-третьих, меняет физические свойства нуклеотидов,
что может повлечь отказ наномеханического устройства. Поэтому в последние годы активно изучаются методы обнаружения нуклеотидов, не использующие маркеров. В
частности, предложены оптические [33] – [37], электрохимические [38] и
пьезоэлектрические [39] сенсоры (см. также [40] – [43]). Интересно отметить, что в работе [44] предложена модель наномеханического сенсора (см. также [45] – [47]).
Развитие этой технологии может позволить для мониторинга деятельности одного наномеханического робота использовать другой.
Все наномеханические устройства естественным образом делятся на небиологические, гибридные и биологические. При этом большинство небиологических и гибридных устройств привлекает для функционирования внешние источники энергии, а для биологических устройств активно развивается направление по созданию механизмов с автономным питанием. На сегодняшний день существуют
52
гибридные устройства на основе электрохимический [48] – [53], оптической [54] – [59],
магнитной [60], [61] и механической технологий [44]. Активно развивается направление, в рамках которого в качестве источника энергии для наномеханических устройств предполагается использовать свет или иные виды электромагнитного облучения (см., например, [62] – [65]). В [5] и [6] предложены роторные моторы на основе энергии света. В работе [66] предложена конструкция наномеханического устройства на оптической энергии, состоящего из одной молекулы, полученой полимеризацией azobenzene. Следует отметить, что физические свойства azobenzene
хорошо изучены и такие молекулы уже неоднократно применялись в различных фотозависимых системах (см. [67] – [88]). Устройства, осуществляющие механическое движение на основе электростатического взаимодействия ионов предложены в работах
[89] и [90].
Молекулы РНК имеют много различных полезных свойств, благодаря которым они играют важнейшую роль во внутриклеточных процессах. В частности, они могут выступать носителями информации, источниками энергии и т.д. Значительную часть молекул РНК можно рассматривать как механические устройства, выполняющие простейшие операции. Эти устройства являются сенсорами, переключателями,
катализаторами и др. Механическая модель функционирования этих естественных устройств была впервые обнаружена при изучении интронов [91] и позднее раскрыта в исследованиях [92] – [102]. В частности, в [102] в 1990 году было опубликовано об обнаружении первого сенсора естественного происхождения. В том же году появились первые публикации экспериментов с искусственно созданными сенсорами (см. [103], [104]) и катализаторами (см. [105]). Использованный при получении этих устройств метод заключается в экспериментальном исследовании последовательностей РНК,
которое осуществляется в рамках процесса направленной эволюции (SELEX: systematic evolution of ligands by exponential enrichment [104]), цель которого – обеспечение выполнимости фиксированного свойства и отсечение побочных свойств. Процесс направленной эволюции предоставил исследователям сравнительно простой и эффективный инструмент получения генетических последовательностей с заданными свойствами, что привело к весьма бурному развитию исследований по созданию наномеханических устройств на основе РНК и ДНК (см. [103] – [1007]).
53
Стандартный метод направленной эволюции SELEX предназначен, вообще говоря, только для конструирования механических сенсоров. В рамках этого метода берется генетическая последовательность, распознавание которой по каким-либо соображениям представляет интерес. После этого генерируется популяция случайных последовательностей РНК. Распознаваемая последовательность обездвиживается и на нее направляется сгенерированная популяция. Наблюдение за взаимодействием последовательностей РНК и распознаваемой последовательности позволяет определить то, какие именно участки последовательности отвечают за те или иные свойства, кроме того, это дает возможность из случайного набора последовательностей выбрать последовательность, обладающую заданными свойствами. После этого осуществляется селекция популяции. В качестве критерия приспособленности выступает способность последовательности РНК обнаружить распознаваемую последовательность,
переместиться к ней и прикрепиться на ней. Используется также направленная эволюция, при которой в качестве распознаваемой последовательности выступает какая-либо нежелательная последовательность и, соответственно, последовательности РНК, распознающие эту последовательность, исключаются из дальнейшего отбора (см.,
например, [180], [304], [345], [346], [376], [383], [446], [552], [604], [736], [917], [783]).
Обычно цикл направленной эволюции повторяется от пяти до пятнадцати раз. В
результате успешной эволюции получается последовательность РНК, которую можно рассматривать как механический сенсор.
Типичный подход к созданию начальной популяции последовательностей РНК,
участвующей в направленной эволюции, заключается в том, что берется некоторая последовательность РНК, некоторые участки этой последовательности оставляются неизменными, а остальные подвергаются интенсивной модификации.
Размеры модифицируемых областей последовательностей, участвующих в направленной эволюции, представляют весьма важное значение для конструирования устройств. Наиболее типичными являются области от 40 до 80 нуклеотидов. Широко используются и меньшие по размерам области. Например, в работах [252], [326], [375], [564], [597], [604], [635] рассматривались области от 20 до 23 нуклеотидов. В [486]
рассматривалась последовательность вида
54
X[1]X[2]X[3]X[4]X[5],
где
X[1] = CCTCTAGTGATCTTATTCGC,
X[3] = CTGCCAAGGGCCTTTCGGCTGGTAT,
X[5] = CCCAGTTAACGCCAGCGAGGAGGCT,
а X[2] и X[4] – случайные последовательности, состоящие из четырех или пяти нуклеотидов. В [738] рассматривались последовательности аналогичной структуры, у
которых X[1], X[3], X[5] имели вид
X[1] = GGACTTCGGTCCAGTGCTCGTGCACTAGGCCGTTCGACC,
X[3] = AGGATATGCTTCGGCAGAAGG,
X[5] = CTTAGACAGGAGGTTAGGTGCCTCGTGATGTCCAGTCGC
и
X[1] = GGACTTCGGTCCAGTGCTCGTGCACTAGGCCGTTCGACC,
X[3] = ACAGTGAAAAAAGACGTGTGAATGTCACACTGAAAAAA,
X[5] = CTTAGACAGGAGGTTAGGTGCCTCGTGATGTCCAGTCGC,
соответственно, а X[2] и X[4] были случайными последовательностями из трех или четырех нуклеотидов. Иногда применяют и довольно большие области. Например, в
[253], [304], [316], [534], [764], [870], [980] использовалась область из 120 нуклеотидов,
55