Научные основы биотехнологий. Часть I

Министерство образования и науки российской федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Московский педагогический государственный университет»

В. А. Горленко, Н. М. Кутузова, С. К. Пятунина

НАучНые оСНоВы  
биотехНолоГии

Часть I 
Нанотехнологии в биологии

учебное пособие

МПГу

МоСКВА 

2013

УДК 57
ББК 28.081
Г 695

Рецензенты:
Г. А. Севастьянова – профессор кафедры органической и биологической химии биолого-химического факультета Московского педагогического государственного университета, доктор биологических наук;
и. Г. Горичев – профессор кафедры общей и аналитической химии биолого-химического факультета Московского педагогического 
государственного университета, доктор химических наук.

Горленко В. А., Кутузова Н. М., Пятунина С. К. Научные основы биотехнологии. Часть I. Нанотехнологии в биологии : Учебное пособие. – М.: МПГУ, 2013. – 262 с.

Данное издание вводит читателя в удивительный мир нанотехнологий – многопрофильную и междисциплинарную область научных знаний и технологий, составляющую основную современную 
тенденцию в развитии науки и производства. Целью издания является ознакомление будущих учителей с сущностными элементами нанотехнологий и, с учетом биологической направленности обучаемых, 
со спецификой нанобио- и бионанотехнологий, основанных на использовании живых организмов (фагов, вирусов) и биомолекул, их составляющих (белков, липидов, нуклеиновых кислот и т.п.), в качестве 
объектов нанотехнологических разработок, а также с проявлениями, 
открытиями и внедрениями нанобиотехнологических процессов в разнообразные отрасли науки и производства, медицины, фармакологии, 
мониторинга, безопасности, социальной сферы и т.п. 
Издание предназначено в качестве учебного пособия в первую 
очередь для студентов биологических специальностей педагогических 
вузов (биологи с дополнительными специальностями: химия, экология, иностранный язык и другие). Но может вызвать интерес у широкого круга изучающих биологию и химию: учителей школ, учащихся школ 
с углубленным изучением биологии и химии, студентов нехимических 
вузов. 

ISBN 978-5-7042-2445-7

© МПГУ, 2013
© Издательство «Прометей», 2013

СодеРжАНие

Список сокращений .............................................................................. 6
Предисловие ............................................................................................ 8

I. Введение. основные понятия нанотехнологии.  
история становления и развития ................................................11
1. Нанотехнологии – что это? .....................................................................11
2. История возникновения и развития нанотехнологий ...........15
2.1. Проблемы развития нанотехнологий .....................................24
2.1.1. Проблемы образования и выращивания  
квалифицированных кадров ....................................................................24
2.1.2. Динамика нанотехнологий в Российской Федерации ...............25
2.1.3. Достижения в развитии нанотехнологий в РФ .........................28
2.2. Биобезопасность ..................................................................................30
3. Зачем нужны нанотехнологии ..............................................................33
4. Принципиальные схемы получения наноматериалов ...........39
5. Инструментарий в нанотехнологиях: атомно-силовой  
и сканирующий туннельный микроскопы ........................................41
5.1. Сканирующий туннельный микроскоп ..................................43
5.2. Атомно-силовой микроскоп ..........................................................46
6. Возникновение нанобио- и бионанотехнологий .......................54

II. Классификация нанообъектов .................................................50
7. Основные виды нанообъектов и перспективы  
их использования в нанотехнологиях ..................................................50
7.1. Кластеры ..................................................................................................52
7.2. Фуллерены ..............................................................................................54
7.3. Графен .......................................................................................................58
7.4. Нанотрубки .............................................................................................61
7.4.1. Углеродные нанотрубки ............................................................................61
7.4.2. Неуглеродные нанотрубки .......................................................................64
7.5. Карбин .......................................................................................................65
7.5.1. Предполагаемые области применения .............................................68
7.5.2. Углерод с гранецентрированной кубической решеткой .........70
7.6. Нанонити, или вискеры ...................................................................71
7.7. Наноремешки ........................................................................................72
7.8. Дендримеры ...........................................................................................74
7.9. Фракталы .................................................................................................75

Научные основы биотехнологии. Часть I

7.10. Нанокомпозиты .................................................................................79
7.11. Нанокристаллы .................................................................................82
7.12. Наномембраны ...................................................................................83
7.13. Гибридные наноматериалы .......................................................85
7.14. Фотонные кристаллы ....................................................................87

III. Зонная структура макрообъектов.  
Квантовые точки .................................................................................91
8. Начала квантовой механики ..................................................................91
8.1. Описание состояния электрона в атоме ................................91
8.2. Энергетические зоны ........................................................................97
8.3. Экситон и экситонные переходы ............................................100
8.4. Квантово-размерные эффекты ................................................102
8.5. Квантовые точки ..............................................................................104
8.6. Полупроводниковые нанокристаллы –  
флуоресцирующие материалы  
нового поколения...........................................................................105
8.7. Энергетические зоны гетероструктур .................................106
8.8. Получение квантовых точек ......................................................109
8.9. Модификации квантовых точек и конъюгация  
с биологически активными молекулами ..........................112
8.10. Пути использования конъюгатов  
квантовых точек с биологически  
активными молекулами .............................................................115
8.10.1. Визуализация биологических объектов ......................................115
8.10.2. Диагностика раковых заболеваний ..............................................117

IV. Супрамолекулярные системы ...............................................119
9. Супрамолекулярные системы как мост  
от неживой материи к живой ..................................................................119
9.1. Супрамолекулярные структуры в природе .......................119
9.2. Самосборка. Амфифильные соединения ............................121
9.2.1. Липиды – природные амфифильные соединения .....................122
9.2.2. Жидкие кристаллы ....................................................................................124
9.2.3. Поверхностно-активные вещества и самосборка .................128
9.3. Полимеры в нанотехнологиях ..................................................130
9.3.1. Самосборка полимеров ............................................................................134
9.3.2. Блок-сополимеры ........................................................................................135
9.3.3. «Умные» полимеры ....................................................................................138
9.4. Супрамолекулярные матричные структуры ....................141

Содержание
Содержание

V. Нанобиотехнологии ....................................................................147
10. Взаимопроникновение нанотехнологий  
и биологии ..........................................................................................147
10.1. Биоматериалы .................................................................................147
10.2. Белки, иерархическая структура ..........................................148
10.2.1. Первичная структура белков ...............................................................149
10.2.2. Вторичная структура ..........................................................................155
10.2.3. Надвторичные структуры ................................................................159
10.2.4. Третичная структура ..........................................................................163
10.2.5. Четвертичная структура .................................................................165
10.2.6. Конформационная подвижность белков ...................................168
10.2.7. Проблемы узнавания и реагирования ..........................................168
10.3. Иммуноглобулины. Молекулярное  
конструирование на основе иммуноглобулинов .........175
10.3.1. Структура и функции иммуноглобулинов ................................175
10.3.2. Иммуноглобулины. Подходы к наноконструированию.  
Моноклональные антитела .................................................................179
10.3.3. Наноконструирование на основе иммуноглобулинов.  
Гуманизирование моноклональных антител ...........................181
10.3.4. Наноконструирование на основе мини-антител.  
Создание молекулярного «лего» ..........................................................184
10.4. Белки – размножаемые «кирпичики» ................................193
10.5. Каталитически активные белки – ферменты ...............196
10.5.1. Начальные представления  
о ферментативном катализе ............................................................197
10.5.2. Теории ферментативного катализа ...........................................202
10.5.3. Идентификация каталитических групп ферментов ........207
10.5.4. Факторы, оказывающие влияние  
на ферментативные реакции .............................................................209
10.6. Перспективы использования  
белков-ферментов в био- и нанотехнологиях ...............214
10.6.1. Инженерная энзимология ...................................................................214
10.6.2. Мицеллярная энзимология .................................................................220
10.6.3. Химические и генетические модификация ферментов  
с целью придания новых свойств ......................................................222
11. Биомиметика. «Молекулярные моторы» ..................................232
11.1. Аденозинтрифосфатсинтаза ..................................................235
11.2. Флагеллярный мотор бактерий ............................................241
11.3. Миозин – молекулярная машина .........................................243

литература .......................................................................................................257

СПиСоК СоКРАщеНий

СDR – complementarity determining region (гипервариабельный 
участок).
HAMA – human anti-mouse antibodies (человеческие антимышиные антитела).
scFv – single-chain variable fragments (одноцепочечные вариабельные фрагменты).
SPR – surface plasmon resonance (поверхностный плазмонный 
резонанс).
АДФ – аденозиндифосфат.
АзКЦ – антителозависимая клеточная цитотоксичность.
АО – атомная орбиталь.
АСМ – атомно-силовой микроскоп.
АТ – антитела.
АТФ – аденозинтрифосфат.
АТФаза – аденозинтрифосфатаза.
АТФ-синтаза – аденозинтрифосфатсинтаза.
ГЦК – гранецентрированная кубическая решетка.
ГЦУ – гранецентрированный углерод.
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота.
ЖК – жидкие кристаллы.
КАТ – каталаза.
КзЦ – комплемент-зависимая цитотоксичность.
КМ – кальмодулин.
КПД – коэффициент полезного действия.
КТ – квантовые точки.
ЛЦУ – линейно-цепочечный углерод.
мкАТ – моноклональные антитела.
МЛЭ – молекулярно-лучевая эпитаксия.
МО – молекулярная орбиталь.
НК – нуклеиновые кислоты.
ННС – национальная нанотехнологическая сеть.
НОЦ – научно-образовательные центры.
ОРН – органофосфатгидролаза.
ПАВ – поверхностно-активные вещества.
РНК – рибонуклеиновая кислота.
РЭМ – растровый электронный микроскоп.

Список сокращений
Список сокращений

СВЧ – сверхвысокая частота.
СОД – супероксиддисмутаза.
СТМ – сканирующий туннельный микроскоп.
ТОФО – триоктилфосфиноксид.
УФ – ультрафиолетовый.
ФОВ – фосфорорганические отравляющие вещества.
ФОС – фосфорорганические соединения.
ФЦП – федеральная целевая программа.
ХС – хондроитинсульфат.
ЯМР – ядерный магнитный резонанс.

ПРедиСлоВие

Данное издание предназначено для студентов биологических специальностей педагогических вузов и вводит читателя в удивительный мир нанотехнологий – многопрофильную 
и междисциплинарную область научных знаний и технологий. 
Стремительное вхождение нанотехнологий во многие сферы 
деятельности человека составляет основную современную тенденцию в развитии науки и производства. Целью издания является ознакомление будущих учителей-биологов с сущностными 
элементами нанотехнологий и, с учетом биологической направленности обучаемых, со спецификой нанобио- и бионанотехнологий, основанных на использовании живых организмов (фагов, 
вирусов) и биомолекул, их составляющих (белков, липидов, нуклеиновых кислот и т.п.), в качестве объектов нанотехнологических разработок, с проявлениями, открытиями и внедрениями 
нанобиотехнологических процессов в разнообразные отрасли 
науки и производства, медицины, фармакологии, мониторинга, 
безопасности, социальной сферы и т.п., открывающими необыкновенные перспективы и сулящими человечеству очередную 
технологическую революцию во всех сферах деятельности.
Содержание книги включает определение нанотехнологий, историю возникновения и развития нанотехнологий в России и мире, проблемы, с которыми сталкиваются специалисты 
в этой области, начиная с организации многопрофильного 
и междисциплинарного образования, выращивания качественных кадров и заканчивая собственно нанотехнологическими 
проблемами биобезопасности. Важное место в нанотехнологиях занимают способы получения наноматериалов, а также современный инструментарий, в первую очередь сканирующая 
микроскопия высокой степени разрешения, позволяющая «отслеживать» топографию поверхности нанопродукта. В материале издания дана классификация нанообъектов, приводится 
краткое описание основных их видов: кластеры, фуллерены, 
графен, нанотрубки, карбин, вискеры, дендримеры, фракталы, 
фотонные кристаллы, нанокомпозиты, гибридные материалы, 
гетероструктуры и т.д. – и их характеристика и раскрываются 
перспективы применения указанных наноматериалов в нано

Предисловие
Предисловие

технологиях. С использованием квантово-механических подходов подведено обоснование квантово-размерных эффектов, 
вызывающих появление уникальных свойств наноматериалов, 
например, зависимости испускаемого наночастицей (квантовой 
точкой) света от ее размера. Рассматриваются получение и перспективы использования полупроводниковых нанокристаллов (КТ) как флуоресцирующих материалов нового поколения 
в биологических и медицинских исследованиях, а также получение и пути использования конъюгатов КТ с биологически активными молекулами (визуализация биологических объектов, 
диагностика раковых заболеваний и т.д.). В рамках нанобио- 
и бионанотехнологий рассматриваются природные и синтетические супрамолекулярные системы, обсуждаются вопросы 
самосборки, самоорганизации, молекулярного узнавания и реагирования, имеющие значение для формирования наноматериалов и биоматериалов. Описываются природные белки как иерархические структуры и приводятся примеры использования 
определенных групп белков и ферментов в нанотехнологических целях. Приводятся структура и функции иммуноглобулинов 
как чрезвычайно удобных объектов для наноконструирования 
и результаты научных исследований по созданию молекулярного конструктора на основе иммуноглобулинов с перспективой 
применения в медицине. Описываются данные, иллюстрирующие направления изучения потенциала белков-ферментов 
в био- и нанобиотехнологиях (инженерная энзимология, мицеллярная энзимология, химические и генетические модификации 
ферментов с целью придания новых свойств). Рассматриваются 
вопросы биомиметики и перпективы разработки молекулярных моторов на основе механизмов функционирования известных клеточных систем: АТФ-синтазы, флагеллярного мотора 
бактерий, мышечного сокращения (миозин) и т.п.
В содержании и методике изложения материала учитывается уровень подготовки студентов биологических специальностей по смежным (математика, физика, физхимия и т.п.) 
и специальным (биология, биохимия, молекулярная биология, 
физиология, генетика, генетическая инженерия и другие) предметам и устанавливается взаимосвязь нанотехнологий и современных областей знаний.
Содержание и объем издания по органической химии преследуют цели обеспечения высокого уровня профессиональной 

Научные основы биотехнологии. Часть I

подготовки студентов в области биологии с учетом новейших 
современных тенденций в развитии научных знаний. Для студентов естественнонаучных дисциплин материал данного издания позволяет достичь необходимой широты и глубины научного мировоззрения для подготовки полноценного учителя 
биологии с высоким профессиональным уровнем.
Все ценные замечания и предложения, направленные 
на улучшение издания, будут приняты авторами с благодарностью.