Фундаментальні принципи, методи, перспективи розвитку і застосування нанотехнологій з використанням мікроорганізмів та продуктів їх життєдіяльності. Виробництво наноматеріалів за допомогою мікроорганізмів, використання їх специфічних властивостей.
Аннотация к работе
Останні десятиліття визначаються бурхливим розвитком нанотехнології, фізико-хімічні методи одержання наноматеріалів вже не можуть забезпечити необхідну якість сировини для зборки нанопристроїв. Мікроорганізми - найдавніші організми, що існують на Землі і досі процвітають в біосфері, оскільки пристосувалися до всіх можливих умов існування: екстремальні температурні умови, високі концентрації різних хімічних сполук, аеробні та анаеробні умови; що означає широкий спектр хімічних і біохімічних процесів, що проходять всередині організму.Машини, які традиційно використовуються для виготовлення деталей незграбні на таких малих масштабах, в той час як природа має ідеальні, вдосконалені часом і еволюцією інструменти інструменти для обходу цієї проблеми.З точки зору матеріалознавців, віруси можна розглядати як біорганічні наночастки. Багато вірусів оточені ліпідною мембраною, вони не мають власного метаболізму, але використовують метаболічний апарат живої клітини для самовідтворення; їхня поверхня несе специфічні засоби для подолання барєрів клітин-господарів. Наразі вчені розглядають можливість використання вірусів у якості тривимірних платформ синтезу композитних матеріалів, на противагу нанотехнологічним методам розміщення молекул у двох вимірах. Такі системи можуть бути використані в синтезі металевоі нанопроволоки, попередниками якоі є розташовані в порожнині вірусу наночастинки [2,3]. Самоасоційовані циліндричні частинки дикого типу та рекомбінантний вірус тютюнової мозаїки (ВТМ) були використані в якості органічних шаблонів для контрольованого осадження та організації наночастинок Pt, Au, або Ag [2].25 березня 2015р вчені з Іллінойського університету в Чикаго опублікували результати роботи, в якій закріпили набір квантових точок на базі графену на бактерії, зробивши з неї пристрій для вимірювання вологості. Бактерії здатні перетворюватися в спору: клітина втрачає воду, обєм і форму, утворюючи під зовнішньою мембраною щільну сферичну оболонку. Іншим яскравим прикладом використання особливостей життєдіяльності і будови мікроорганізмов можуть служити двомірні бактеріальні S-шари, про використання яких в нанотехнології говориться вже багато років. S-шари поверхневі структури бактеріальної клітини, виявлені у сотень видів бактерій, що володіють клітинною стінкою, і у всіх архебактерій. Механізми адаптації архей і деяких бактерій до таких екстремальних умов можна було б використовувати для створення стабільних наноприладів, здатних працювати довгий час (низька стабільність біомолекул один з факторів, що обмежують їх використання).Дослідникам з Northwestern University (США) вдалося покрити тонким шаром золота гіфи - тонкі волокна, утворені грибом [10]. Спори гриба Aspergillus niger культивували у присутності частинок золота розміром 13 нм. До часток золота були приєднані фрагменти однолацюгової ДНК, що дозволяло приєднувати інші мікроскопічні обєкти, на поверхні яких знаходилися комплементарні фрагменти ДНК.Як зазначалося у пункті 1.1, особливістю вірусів є те, що вони можуть бути адаптовані шляхом спрямованої еволюції, використовуючи їх вбудовані колокалізації генотипу і фенотипу, що означає можливість не тільки використовувати вже закладені природою властивості, а і власноруч програмувати необхідні процеси. Проведено безліч дослідів, що доводять дивовижні властивості наночастинок, отриманих з використанням модифікованих вірусних клітин. наноматеріал мікроорганізм нанотехнологія В одній з найперших робіт в цьому напрямку за рахунок генної інженерії на поверхню капсида М13 були поміщені білки, які специфічо зєднуються з наночастинками різних матеріалів: ZNS, або CDS, або COPT, або FEPT. Після закінчення злипання віруси піддавали термічній обробці при температурі 400-500°С, за якої органічні речовини (ДНК і білки вірусу) згорали, виходили мінеральні нанопровідники. Віруси були генетично модифіковані таким чином, щоб на поверхні їх білкової оболонки перебували пептиди, здатні звязувати сульфід цинку або сульфід кадмію, які є надпровідниковими кристалами [13].Отримані структури високо організовані від молекулярного до нано, мікро і макро масштабів, часто в ієрархічному порядку, зі складною наноархітектурою, і в кінцевому підсумку складають безліч матеріалів із широким спектром властивостей. Одноклітинні діатомові водорості виробляють кремнезем - сполуку кремнію з киснем, склад якої відповідає звичайному склу. Діатомові водорості мають "панцир", до складу якого входить діоксид кремнію. На жаль, такий метод синтезу не передбачає отримання точно однакових наноструктур, і тим більше структури на мікрорівні. В процесі метаболізму між цитоплазматичною мембраною і клітинною стінкою бактерій, в основному біля полюсів клітини, утворюються кристали солей срібла розміром до 200 нм.Дослідники з різних областей науки (біології, фізики, хімії, генетики, інформатики) намагаються використовувати реальні біологічні процеси для створення штучних обчислювальних схем.Сучасні дослідження направлені на побудову нанограток зі складн
План
Зміст
Вступ
1. Виробництво наноматеріалів за допомогою мікроорганізмів
1.1 Використання специфічних властивостей мікроорганізмів
1.1.1 Віруси
1.1.2 Бактеріальні клітини
1.1.3 Гриби
1.2 Отримання сировини методами генної інженерії
1.3 Використання продуктів життєдіяльності мікроорганізмів
2. Нанобіоелектроніка
2.1 Біокомпютери
2.1.1 Елементи ДНК-компютера
2.1.2 Запамятовуючі пристрої на вірусній основі
2.1.3 Клітинний біокомпютер
2.1.4 Модульні логічні вентилі з бактеріальних геномів
2.2 Мікробні клітинні біосенсори
2.2.1 Біосенсори на основі генетично модифікованих бактеріальних клітин
2.2.2 Люмінесцентні біосенсори
2.2.3 Системи ферментів мікроорганізмів в якості промоторів