Проект «Молекулярный переключатель» (MOL SWITCH, A Molecular Magnetic Switch), который разрабатывает команда исследователей из Портсмутского университета, завершился успешным созданием гибридного нанобиоэлектронного устройства, которое может стать основой различных «умных» приборов, сообщает IST Results.

Несмотря на то, что работу команды воспринимали скептически физики и биотехнологи, устройство все же удалось сконструировать. «Самое интересное — то, что скептицизм наших коллег возник не на пустом месте: действительно, уравнение Строка для вязких сред дает понять, что система, подобная сконструированной нами, работать не будет. Однако это решение справедливо в макромире, в наноразмерном же диапазоне уравнение приобретает совершенно другой вид из-за особенностей физики наномира, — комментирует доктор Кейт Фирман (Keith Firman), координатор проекта „Mol-Switch project“ из отделения молекулярной биотехнологии Портсмутского университета. — Именно поэтому нам удалось заставить нанопереключатель работать».

Переключатель может быть легко интегрирован с современными молекулярными ДНК-моторами — с его помощью можно достичь невиданного ранее быстродействия в подобных наносистемах. Кроме того, с помощью специальных сенсоров, испускающих электроны, теперь можно узнать, работает биомотор или нет, т.е. удалось установить надежную информационную связь между биологическим переключателем и управляющей электроникой. Ранее работу подобных наносистем можно было наблюдать только с помощью атомно-силового или сканирующего электронного микроскопов.

Принцип действия нанопереключателя относительно прост. Основа устройства — микрожидкостный чип с каналами диаметром до нескольких десятков нанометров. Микрожидкостные чипы удобны тем, что струя жидкости наноканалов имеет ламинарный характер. Такие жидкостные системы просто рассчитывать и проектировать, в отличие от турбулентных жидкостных систем.

На поверхности наноканалов расположили датчики Холла. С помощью эффекта Холла можно с высокой степенью точности получить информацию о том, как изменяется магнитное поле в наноканале. В самих наноканалах разместили ДНК-наносистему с магнитной наночастицей на конце цепей ДНК. Таким образом, сам переключатель похож на воздушный шар на привязи: цепочки ДНК, прикрепленные к наноканалу, держат магнитную наночастицу, которая под действием ДНК-наномотора поднимается вверх, а изменение магнитного поля, в свою очередь, регистрируется датчиком Холла. Именно датчики Холла позволили ученым связать два мира: органический и электронный.

Еще одно нововведение — ДНК-мотор, позволяющий поднимать и опускать магнитную наночастицу. Специальный белок (энзим, изменяющий рестрикцию ДНК) выступает в роли основного «мотора». Он может быть прикреплен только к определенной последовательности ДНК-оснований. По получении универсального биологического «топлива» в виде молекул АТФ энзим распрямляет цепи ДНК таким образом, что отрезок биомолекулы, на котором находится наномагнит, поднимается от «дна» наноканала к его «верху». «Топливо» поставляется наномоторам посредством жидкости, которая протекает через наноканалы.

Два положения магнитной наночастицы формируют логические "1" и "0", что делает устройство в целом матрицей простейших логических переключателей, выполненных на биологической основе. Кроме того, как говорят ученые, ДНК-биомотор может работать в реверсивном режиме.

Потенциальные применения нанопереключателей и ДНК-моторов, по словам исследователей, не ограничиваются биоэлектроникой. Это могут быть и нановентили, клапаны, приводы, насосы, системы позиционирования и биосенсоры.

«Но в первую очередь наше устройство может быть использовано как посредник между миром биологии и кремния. Я считаю, что оно может быть интерфейсом между мышцами и внешними электронными устройствами в биопротезах нового типа, которые могут использовать энергию АТФ так же, как и остальные биологические наносистемы. Мы считали, что подобные устройства появятся через 20–30 лет, а смогли сделать их уже сегодня. Это несомненный прогресс в области нанотехнологий и биомиметики!» — говорит д-р Фирман. Команда исследовала несколько типов биомоторов, в том числе EcoR124I и FtsK. Оба работали с одинаковой точностью, однако EcoR124I был более гибок в управлении, в то время как FtsK обеспечивал большую скорость.

«Сейчас же мы пытаемся выдвинуть проект в программе Евросоюза New and Emerging Science and Technology (NEST) и, если у нас получится, разработаем коммерчески успешный биосенсор на основе переключателя. Однако это только одно из тысячи возможных применений наносистемы», — завершает рассказ д-р Фирман.