Юный техник, 2007 № 05 - [8]
Началось все с того, что специалист по материаловедению Анджела Белчер и ее коллеги попытались понять, как моллюск «морское ушко» строит свою поразительно прочную раковину. Ученые провели серию экспериментов и выяснили: «морское ушко» вырабатывает особые белки, которые заставляют молекулы карбоната кальция выстраиваться в две совершенно различные, но легко сочетаемые кристаллические структуры: одну прочную, а другую быстрорастущую.
По результатам своих исследований Белчер защитила диссертацию в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре и вскоре стала профессором Массачусетского технологического института (МТИ). Вот тогда она и решила заняться поиском или даже созданием биологических организмов, которые, подобно «морскому ушку», были бы способны строить из молекул, словно из кирпичиков, сложные структуры.
Анджела Белчер в лаборатории.
«В современной нанотехнологии такая стратегия называется самосборкой, — поясняет профессор Белчер. — Однако неповоротливое и медленно растущее «морское ушко» нас уже не устраивало. Нужен был маленький, гибкий и подвижный организм».
Испробовав немало вариантов, Белчер в конце концов остановила свой выбор на бактериофаге М13 — безвредном для человека вирусе, паразитирующем на бактериях. Его нитевидное тело состоит из единственной цепочки ДНК, окруженной 2700 молекулами одного белка по бокам и несколькими молекулами других белков на концах. Немалое значение для выбора играл и тот факт, что фаг можно конструировать из различных видов белков методами современной генной инженерии, получая миллиарды сочетаний. «Это был редкий случай, когда физики позаимствовали достижения биологов, — вспоминает А. Белчер. — Мне удалось всего за 300 долларов купить всю базу данных о разновидностях М13».
Биологи давно используют химическую избирательность фага М13 и его способность связываться с определенными органическими соединениями для идентификации проб неизвестных веществ. Белчер же показала, что вирус способен соединяться и с неорганическими молекулами, такими как металлы и полупроводники.
Чтобы заставить фаг связываться с нужными молекулами, исследователи обычно используют процесс так называемой направленной эволюции. Образец материала помещают в пробирку с миллиардами различных вирусов, потом промывают его и помещают в агрессивную среду (например, с повышенной кислотностью), чтобы удалить плохо прилипшие фаги. Оставшиеся на образце экземпляры М13 размножают, инфицируя ими бактерию-хозяина. В результате размножения появляются триллионы перспективных разновидностей фагов, которые используют на следующем этапе эволюции. Затем химический состав раствора изменяют, чтобы еще затруднить связывание фага с нужным веществом.
Ослабевшие вирусы снова смывают, а оставшиеся — размножаются. Затем процесс повторяется еще и еще раз во все более жестких условиях. Так после двух-трех недель дарвиновской эволюции из многих вариантов фага остается лишь самый цепкий — тот, который лучше всех сцепляется с данным материалом.
Вирусы М13 образуют золотые связи между органическими кристаллами.
Если в раствор, содержащий, например, ионы золота, поместить фаг с высокой избирательностью к этому металлу, то он вскоре покроет себя пленкой драгоценного металла и превратится в проволочку длиной 1 мкм, пригодную для соединения элементов микросхемы. Более того, такой вирус, соединяясь с себе подобными, образует сеть золотых микропроводников.
Впрочем, вирусы М13 способны самоорганизовываться в сложные структуры, покрывая себя не только золотом, но и иными веществами. Так, например, недавно А.Белчер смогла заставить фаги сформировать металлическую пленку площадью 10 кв. см и толщиной менее 1 мкм.
Сейчас А.Белчер и ее коллеги из МТИ Ет Мин Чианг, Паула Хэммонд и Ки Тэ Нам изготавливают из таких пленок электроды для сверхлегких литий-ионных аккумуляторов.
Схема получения литий-ионных аккумуляторов по новой технологии.
Катод можно сделать из листа специально выведенных фагов, покрывающих себя золотом для увеличения электропроводности и оксидом кобальта для обеспечения ионного обмена с электролитом батареи. Двухслойный электрод формируется самостоятельно на предварительно подготовленном полимерном электролите.
Теперь группа Белчер работает над получением фагов для выращивания анода. Кроме того, разработчики пытаются создать пленки с чередующимися на их поверхности положительными и отрицательными электродами, чтобы можно было соединять их последовательно и получать более высокое напряжение. Малая величина расстояний между электродами обеспечивает быстроту перезарядки аккумулятора, а также оптимальное использование компонентов. Таким батареям можно будет придавать любую форму, что позволит экономить место в самых разных устройствах. Особенно заинтересовалось этим обстоятельством министерство обороны США. Ведь современные самолеты и прочая военная техника содержат множество батарей электропитания. И снижение их веса, габаритов чрезвычайно важно для военных.
Фаги могут образовывать весьма необычные структуры.
У СОРОКИ НА ХВОСТЕ
КАК ЗВЕЗДА УТРОИЛАСЬ… Самая большая звезда галактики Млечный Путь, где находится наша планетарная система, на самом деле представляет собой три разных небесных объекта. К такому неожиданному выводу пришла международная группа астрономов во главе с испанцем Хесусом Маисом из Астрофизического института Андалусии.
