Микробы на службе
нанотехнологии

В 1999 г. в нашей газете (см. № 32) была помещена небольшая заметка «Питая травы золотом», в которой сообщалось об удачных экспериментах по извлечению золота из почв с помощью растений. Почвы пропитывали химическим составом, который растворял золото, а растения, в частности один из видов горчицы, «питались» раствором и накапливали драгоценный металл. Зола после сжигания урожая содержала золото в концентрации, достаточной для последующего рентабельного извлечения. Заметка оканчивалась двумя строчками из стихотворения Н.Заболоцкого с упоминанием «химического овса» и предположением, что в нашем климате именно овес может оказаться лучшим сборщиком драгоценных металлов.
Недавно в научных журналах были опубликованы результаты новых, еще более захватывающих воображение экспериментов в этом направлении, причем потенциальная область применения результатов экспериментов – нанотехнология.

Если любое твердое вещество измельчить до нанометровых размеров, его свойства станут сильно отличаться от свойств более крупных частиц. Золоту, например, обычно присущ характерный желтый цвет (расплавленному и парообразному – зеленый). Однако в коллоидном растворе золотые частицы размером чуть больше 30–40 нм имеют пурпурный или синий, размером 10–20 нм – рубиновый, менее 10 нм – ярко-оранжевый цвет (Д.И.Менделеев в «Основах химии» упоминает коллоидные растворы золота синего, фиолетового и красного цвета).

Видно, что даже такая фундаментальная, твердо установленная величина, как температура плавления золота (шкала на оси ординат), в области наноразмеров непостоянна и у частиц диаметром в нанометры (шкала на оси абсцисс) может быть на сотни градусов ниже свойственной массивному телу (горизонтальная штриховая линия). В книге описаны и другие «отклонения» в строении, свойствах и поведении наночастиц разных металлов: изменения межатомных расстояний, кристаллической структуры, магнитных и оптических характеристик, реакционной способности (см. также очерк «Проникая в тайны наномира», опубликованный в № 37 нашей газеты за 2001 г.).
Способность наночастиц любого металла к образованию химических связей настолько велика, что эти частицы устойчивы лишь в глубоком вакууме или при образовании на них какого-либо покрытия. Без такой защиты они взаимодействуют друг с другом, укрупняются и теряют уникальные черты.
В то же время необычные свойства наночастиц, в том числе и наночастиц золота, словно «просятся» для использования на практике. Химическая инертность, высокая теплопроводность и электропроводность золота привлекают к нему пристальное внимание специалистов по наноэлектронике. Так, в Окриджской национальной лаборатории (США) с помощью золотых наночастиц предполагается создать нанокомпьютер, напоминающий нейронную сеть мозга. Золото используют в виде квантовых точек – островков из небольшого числа атомов на поверхности подложки. Подложкой служит специально созданная молекула ДНК длиной 70 нм, к которой на расстояниях 3,5 нм друг от друга химически привиты наночастицы золота диаметром 1,5 нм. Группе ученых из университета Райса (г. Хьюстон, США) удалось создать молекулярный модуль электронной памяти размером в несколько микрон. Его основой служат наночастицы золота на подложке из частично окисленного кремния.
Описан эффективный метод обнаружения ДНК по изменению окраски с помощью золотых наночастиц диаметром около 13 нм. Наночастицами можно «метить» белки, нуклеиновые кислоты и другие биологические молекулы. Перспективно их применение для диагностики болезней, управления генами и ферментами (биокатализаторы).
Разрабатывается новый метод лечения опухолевых заболеваний путем прививки цитотоксинов – ядов, разрушающих клеточные мембраны, – к наночастицам золота диаметром около 25 нм и доставки этих частиц по кровеносным сосудам непосредственно к больному органу, без отравления всего организма (см. «Pharmaceutical Technology» («Фармацевтическая технология») за июль 2003 г.).
Надо сказать, что применение золота в медицине началось далеко не сегодня. В древнеиндийской Яджурведе (веда жертвенных формул), составление которой относят к 1000–800 гг. до н.э., упомянуто применение золотосодержащих эссенций из масел и растительных экстрактов. Глава 32 библейской книги «Исход» содержит известный эпизод с золотым тельцом. Моисей «стер его в прах, и рассыпал по воде, и дал его пить…». Надо полагать, пытался исцелить соплеменников. В Древней Греции для лечения гриппа применяли смесь золотого порошка с чесноком. Мне приходилось видеть так называемую Гданьскую водку – ликер с помещенными в каждую бутылку золотыми блестками. Видимо, эта водка («вода жизни») была неким воспроизведением Солнечного эликсира, который поставлялся ко дворам королей Польши и Пруссии и содержал лекарственное золото. С 1930-х гг. коллоидное золото используют для лечения многих заболеваний, в том числе ревматоидных артритов (воспаления суставов при ревматизме).
Если области применения наночастиц золота столь традиционны и постоянно возрастают, значит, существуют и современные методы получения этих частиц. В журнале «Gold Bulletin» в 1985 г. вышли два обзора Дж.Туркевича «Коллоидное золото», а в 1996 г. – статья Р.Ваймена «Наночастицы золота. Возрождение в химии золота». Правда, в относительно больших количествах наночастицы стали выделять только в последние 10 лет. Разумеется, разработаны и приемы их стабилизации. Например, специалисты из университета Мельбурна (Австралия) создали технологию покрытия золотых наночастиц тончайшими оболочками из кварцевого стекла. При этом наблюдалась своеобразная игра цвета: оболочки разной толщины позволяли сближать частицы при уплотнении на разные расстояния, и красный цвет менялся на малиновый, фиолетовый, бирюзовый, голубой или синий.
Существующие сегодня методы получения наночастиц золота весьма недешевы, что сдерживает широкое применение «золотой» нанотехнологии. Здесь-то, вероятно, и могли бы прийти на выручку новые разработки ботаников, биологов и биохимиков.
Сенсацией 2002 г. стало обнаружение учеными из Мексики (Национальный университет, г. Мехико) и США (Техасский университет, кампусы в г. Эль-Пасо и г. Остин) наночастиц золота диаметром 2–20 нм в люцерне, которую обычно выращивают на корм скоту, а в ходе исследования «питали» раствором солей золота. Первое сообщение об этом появилось в журнале «Nano Letters» (2002, v. 2, № 4, р. 397). «Потрясающе удивительным было то, – заявил один из участников этого исследования профессор М.Х.Якаман, – что металл вовсе не был равномерно распределен в растении, чего мы ожидали, а осаждался в виде кластеров и наночастиц, напоминая квантовые точки электронных приборов. Наш первоначальный проект по очистке загрязненных территорий от металлов превратился в исследование по нанотехнологии». По его словам, извлечение золота из растений не представляет трудностей: «Надо всего лишь растворить органическую массу». А регулирование кислотности питающих растворов позволяет управлять формой наночастиц. Таким путем получаются гораздо более дешевые наночастицы.
Напомню, что кластер – это наночастица с небольшим числом атомов. Нанесенный на какую-либо подложку кластер называют квантовой точкой.
После публикации результатов о «химических талантах» люцерны ученые испытали пшеницу и овес. Образование наночастиц происходило даже при взаимодействии таблеток из сухой измельченной и спрессованной биомассы с раствором K₂AuCl₄ при комнатной температуре, и всего за 3,5 ч. А овес – сбылось наше предвидение четырехлетней давности («Химия», 1999, № 32) – действительно оказался гораздо более эффективным накопителем золота, чем люцерна.
Наночастицы золота образуются в некоторых видах микроскопических грибов. Исследователи из Национальной химической лаборатории и из Медицинского колледжа вооруженных сил (обе организации находятся в г. Пуне, Индия) заставили грибы Verticillium sp. поглощать раствор с ионами AuCl4– и обнаружили в клетках грибов наночастицы диаметром до 25 нм. Клетки грибов при насыщении частицами меняли свой цвет с золотисто-желтого на фиолетовый. Грибы позволяют получать наночастицы экологически совершенно безвредным способом, недаром статья с результатами этой работы была опубликована в журнале «Environmental Science & Technology» («Наука и технология для окружающей среды», декабрь 2001 г.). Листья герани, выдержанные 3–4 ч в растворе хлороаурата(III), содержат сферические, стержнеобразные и пирамидальные золотые наночастицы размером около 10 нм. Здесь «работают» грибки, растущие на листьях герани, в частности Colletotrichum.
Наконец, запросы нанотехнологии можно удовлетворять с помощью микроорганизмов. Немалый интерес вызвала статья специалистов из уже упомянутых Национальной химической лаборатории и Медицинского колледжа вооруженных сил в журнале «Nanotechnology» («Нанотехнология», 2003,
v. 14, № 7, p. 824). Ученые собрали с листьев фигового дерева микроорганизмы Rhodococcus, которые принадлежат к актиномицетам – бактериям, участвующим в разложении органических веществ растительного происхождения, – и поместили их в раствор солей золота. Эти кокки действовали как химический восстановитель, превращая внутри своих клеток ионы золота в наночастицы металла диаметром от 5 до 15 нм, причем большая часть образований имела диаметр от 9 до 12 нм. Такой узкий диапазон размеров ранее биологическим методом получать не удавалось. Важно и то, что, создавая собственные «золотые запасы», бактерии чувствовали себя нормально и продолжали размножаться.
Таким же путем, используя бактерии, можно получать и наночастицы серебра, а также наночастицы сплавов золота и серебра.

Материал подготовил
Э.Г.РАКОВ