Бионанофизика

Введение.
«Вперед и вверх, а там…, ведь это наши горы (знания) - они помогут нам». В.Высоцкий

С изобретением колеса наша цивилизация встала на путь технологического развития (биологическая эволюция только в отдельных случаях использует эффект вращательного движения на уровне макромолекул). Создавая свой «технический комфорт» на основе нетривиальных идей, человечество крайне мало уделяло внимания на биологической технологии, существующей рядом. По сути своей, все биологические объекты начиная от одноклеточных микроорганизмов и до «высших» многоклеточных, включая и человека, являются биологическими механизмами (машинами) и как-то все это работает!
Конечно, не все так печально, изучение и познавание функционирования биологических объектов идет на протяжении всей истории человечества – удобрения для сельхоз растений, корма для домашних животных, хлеб, вино, и это уже «биотехнология» в современном понимании.  Дальше – больше: биохимия, биофизика, бионика, молекулярная биология, генетика и т.д. Но вот создается такое впечатление, что несколько слепых пытаются понять, что такое слон, путем его тестирования руками. Думаю, что настало время создания общего фундамента для понимания функционирования биологических объектов и этим фундаментом может стать бионанофизика! Кстати, мой гугл на запрос по этому термину выдает 935 ссылок, в том числе и на мои сайты, например на ФБ.
Наверное, пора уже систематизировать накопленные в этой области знания.

Размеры имеют значение.
«Мал золотник, да дорог».

Привычные размеры жизненного пространства человека определяется метровыми размерами, объективная реальность воспринимается через органы чувств и моделируется в сознании в повседневной сфере бытия. Объективная реальность за пределами этой сферы воспринимается с помощью различных технических приборов и устройств, отражается в сознании определенными «картинками». В моем сознании укладывается так же макромир – солнечная система, галактика, видимая в телескопы часть вселенной и микромир – клетки, бактерии, вирусы, молекулярно-атомная структура материи, планетарно-квантовая структура атомов, корпускулярно-волновая природа элементарных частиц, с трудом представляются нейтрино и кварки.

В студенческие времена мое сознание формировалось на физике твердого тела и физике полупроводников, в те далекие времена нанотехнология ещё не была в моде, хотя Р.Фейман уже прочитал свою знаменитую лекцию. Второе дыхание нанотехнология получила после «случайного» открытия графена, туда ринулись толпы научников, пролились реки грантов, но выход был минимальный. Постоянно ускользает что-то главное и это главное есть – физика нанопространства на границе обычной и молекулярной физики.
Когда Р.Фейман предложил создавать «наноразмерные машины» и «хирургические нанороботы», он не обратил на бесконечное множество существующих «наномашин» - это популяции одноклеточных микроорганизмов! Кстати, там есть решение задачи создания «крошечного двигателя» (Р.Фейман обещал 1000 долларов) – этот способ реализован в «нано электродвигателе» у жгутиковых микроорганизмов (размеры порядка 10 нм.), кстати, это тот редкий случай, когда природа использовала вращательное движение, т.е. «изобрела колесо»!
Осознание физики в нанопространстве требует нетривиального восприятия. Однажды, в своих экспериментах я получил весьма интересные результаты, которые не вписывались в общепринятую картину. Речь идет о величине растворимости кислорода в воде, в которой диспергировано подсолнечное масло. Так вот, растворимость кислорода (вернее его вместимость) в воде зависит от степени диспергированности масла, т.е. от величины площади раздела вода-масло. Другими словами, поскольку эксперименты в нанопространстве проходят в обычной окружающей среде, то наличие молекул воды вносят существенные дополнительные эффекты (3 молекулы Н2О составляют порядка 1 нм.).
Основное направление современной нанотехнологии ориентировано в основном на комбинирование различных атомов металлов и развитие нано полупроводников для элементной базы компьютеров следующего поколения.
Работа в этом направлении требует значительной материальной базы (приборы, оборудование, реактивы, сотрудники и пр.) и под силу только большим исследовательским центрам. Однако, остается ещё одна область нанопространства, когда эксперименты можно проводить в «гараже» (как создавались первые «персоналки») и этой областью являются органические наночастицы.

С чего начинается жизнь.
«Жизнь (лат. vita) — основное понятие биологии — активная форма существования материи» (Википедия).

 Наименьшим элементом жизни можно считать одноклеточный микроорганизм (например, бактерии), на грани живой и не живой материи находятся вирусы и белковые макромолекулы – все это нанобиологические объекты. Есть что-то общее между «самосборкой» биологической бактериальной клетки, когда из подручных молекул создается определенная структура по чертежу, записанному в ДНК, и «самосборкой» только атомов углерода в алмаз, или уголь, или графен, что происходит на основе информации из внешней среды (температура, давление, условия кристаллизации и пр.).
Можно ли считать «наноробота» носителем жизни? Желание Р.Феймана чтобы наномашины собирали себе подобные машины по атомам, пока остается за гранью возможностей. Думать надо!
В конце студенчества мне попалась весьма интересная монография Эрвина Шредингера – «Что такое жизнь с точки зрения физики?» (1943г). Скорее всего это была попытка создать «квантовую генетику», до Феймановской лекции оставалось ещё 16 лет, так, что определить «жизнь» с позиций нанотехнологии тогда не получилось, вопрос открыт до настоящего времени.
Общепринято, что минимальной формой «жизни» является клетка, но теоретически можно считать, что органические наночастицы располагаются на грани «живой» и «не живой» материи. «Согласно современной концепции мира РНК, рибонуклеиновая кислота (РНК) была первой молекулой, которая приобрела способность самовоспроизводиться. Могли пройти миллионы лет, прежде чем на Земле появилась первая такая молекула (вирусная РНК, органическая наночастица – от 10 до 300 нм). Но после её образования на нашей планете появилась возможность возникновения жизни». Хотя до этого случился «самосинтез» таких органических макромолекул из «первичного бульона», но оставим эту загадку для биологических историков и археологов.
В наше время, когда уже обсуждается терраформирование Марса и Венеры, знания в области органических наночастиц приобретают особую актуальность. Думаю, что первым шагом освоения других планет (не заселенных) будет доставка и распыление на них земных микроорганизмов и органических наночастиц. Понятно, что для эффективного биосинтеза необходимо наличие воды, а к внешним условиям живая материя как-нибудь «приспособится». Возможно, что подобные эксперименты по культивированию микро и нано органики в условиях, подобных марсианским, уже проводятся в научных лабораториях.

От клетки до искусственного сознания.
«Cogito ergo sum ("мыслю - значит существую")». Рене Декарт.

Итак, нанотехнологические процессы в природе дают возможность «самосборки» биологических «наномашин», казалось бы все просто, но «собрать» такую же биологическую клетку, способную воспроизводить себе подобную, пока не удается, хотя работы в этом направлении (создание искусственной клетки) ведутся с 60-х годов прошлого века.
Что же мешает сделать в лаборатории то, что в природе делается совершенно элементарно? На мой взгляд, биохимики, которые пытаются сделать «искусственную клетку» забывают о том, что все процессы протекают в водной среде, т.е. в растворе, где на уровне нанопространства существенным и определяющими становятся силы Ван-дер-Вальса, ионное взаимодействие, градиенты концентраций и пр., а это уже физика процесса.

Наблюдая процесс размножения клеток, можно сделать предположение, что все упирается в наличие «строительного материала» количественного и разнообразного (внешние условия пока оставим за скобками). Следует также отметить, то для «строительства» клетки еще необходим «план» или «чертеж». Такой план, что является уже общепринятым, содержится в наночастицах, которые представляют собой молекулы ДНК (Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров.) Ещё одна интересная цифра о скорости строительства ДНК – «репликационная вилка («строительная машина») движется со скоростью порядка 100 000 пар нуклеотидов в минуту у прокариот и 500—5000 — у эукариот», а количество  «образующих ДНК нуклеотидов составляет от 5·10^{6 у} бактерий до 2·1011 пар нуклеотидов (п. н.) у высших растений.». Можно оценить время создание двух молекул ДНК из одной как от 50 до 4·10⁷ мин. (совсем не уверен в этих цифрах, хотя клеточные циклы могут составлять от 30 мин. до 36 часов).
После того, как за модель ДНК в 1962 году М. Уилкинс, Ф. Крик,  Д. Уотсон получили Нобелевскую премию, на это «поле» ринулись толпы молекулярных биологов, генетиков, биофизиков и прочего научного люду. Продвижение, конечно, есть, да и результатов тоже много, в том числе и методики ГМО, но до создания целенаправленной структуры ДНК ещё далеко, не отработаны методы нанотехнологии.
Итак, сначала в природе, «методом проб и ошибок» появилась «технология изготовления» клеток, больших органических наночастиц (размеры одноклеточных от 500 нм до 100000 нм), это уже скорее микропространство, доступное для оптических микроскопов. Самое интересное здесь то, что некоторые клетки (бактерии, одноклеточные и пр.) сугубо индивидуалисты, а другие – абсолютные коллективисты (клетки тканей многоклеточных организмов).Например, в организме человека содержится «четыре вида ткани: эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная ткань» (внутри видов есть ещё деление), при этом каждая группа клеток (ткань) «знает», где её место. Можно отметить группы клеток, которые «сломались» или как принято говорить, переродились – это раковые клетки. Главное их отличие от «нормальных» клеток в том, что скорость их размножения значительно выше, чем у обычных, т.е. сломался «часовой механизм».
Наиболее уникальной является, конечно же, мозговая нервная ткань, которая предположительно является носителем высшей формы материи, - это сознание. Это то, что по мнению Н. Бехтеревой, будет изучено и познано самым последним, с моей точки зрения, сознание и самосознание – это наиболее интересная область познания.
Сегодня уже не составляет труда в лабораторных условиях вырастить в чашках Петри как колонии одноклеточных организмов, так и клетки различных тканей, в т.ч. и мозговых.
Возможно, что именно с культивирования мозговых тканей начнется разработка искусственных нейросистем, на которых можно будет генерировать Искусственное Сознание (искусственный интеллект).

Начало пути – органические наночастицы.
«Путь в тысячу ли начинается с первого шага». Лао-Цзы.

К сожалению, работы в области органических наночастиц проводятся еще очень вяло, большее внимание уделяется неорганическим наночастицам, вероятно после громкого триумфа графена. Однако, все работы в области нанотехнологий требуют дорогого оборудования и грамотных специалистов, но есть еще область органических наночастиц, где можно экспериментировать даже «на кухне».
Первое, что можно сделать, разработать различные способы получения органических наночастиц. Все очень просто – нужно взять органику и сделать из нее очень «мелкую» органику, «ломать не строить». Есть два очевидных и эффективных способа дробления органики. Первый, который используется с древних времен – дробление сухой органики до уровня мелкодисперсного порошка. Обратите внимание на то, что свойства органики зависят от степени дробления: зерно – манная каша – мука (последняя может содержать до 10% наночастиц). Второй способ – криогенное дробление, это когда «живую» органику сначала замораживают с помощью жидкого азота (-195,75 °C). Кстати, эту технологию использует компания Vision International People Group, которая была основана в 1996 году. Компания своеобразная, ориентирована на бизнес в стиле «Гербалайфа», но ее продукция, биологически активные добавки (БАД) из лекарственных растений, дает хороший биологический эффект. К сожалению, несмотря на научный потенциал компании (научная лаборатория DEM4 в Германии),  в производстве используется не более 30-40% потенциальных возможностей получения органических наночастиц методом криогенного дробления. Вполне возможно, что эта методология позволит создать антираковые препараты и средства для продления жизни, в рамках концепции В.Скулачева .
Есть и третий способ получения органических наночастиц – выделение из природы, это могут быть вирусы, споры, цветочная пыльца. Сейчас, в период пандемии коронавируса, появились огромные возможности для исследований в этом направлении.
Особенно актуальным этот вопрос становится получение определенных количеств очищенных вирусов и антител для лабораторных экспериментов.

Не забавы ради, а пользы для. (практическое приложение).
«Делай как должно, и будет как лучше».

Простота получения органических наночастиц методом дробления органики дает возможность получать интересные результаты даже в примитивных условиях. Некоторые идеи уже воплощены и опубликованы на сайте «Лаборатория бионанофизики», например, антикомарин, нано-пластырь,  нано-молекулярный салат. Конечно, хотелось бы довести эти идеи до промышленного производства, но все это тормозится отсутствием финансовых ресурсов, научного и технического обоснования. Все мои попытки актуализировать прикладное приложение органических наночастиц не вызвали интереса в научных и деловых кругах. Однако, можно отметить хотя бы два прикладных решения, готовых для практической реализации и изложенных в соответствующих заявках на патенты.
Во-первых, это органическое удобрение Ecogal, полученное путем дробления обычного коровьего навоза. Схема опытной технологической цепочки бала реализована на базе молочного хозяйства в Латвии. Гомогенизация первичного сырья осуществлялась в строительной бетономешалке, для испарения влаги (до уровня ниже 10%) использовался сушильный шкаф, дробление полученной массы проводилось на промышленной мельнице (степень дробления средняя, масса наночастиц составляла от 5 до 10%). Для придания товарного вида перемолотая масса подвергалась гранулированию по типу гранулированных удобрений. Аналогичные технологии уже существуют давно (только без стадии мелкодисперсного дробления) и доведены до производства готового продукта.
Во-вторых, получение биогаза с использованием органических наночастиц. Предлагаемая технология и конструкция биореактора позволяет повысить выход биогаза на 30-40% в районах с невысокой среднегодовой температурой. Частично эффект повышения выхода биогаза связан с наличием органических наночастиц для питания микроорганизмов.
Следующий этап применения органических наночастиц требует более качественной работы, во-первых, фракционирование различного вида наночастиц, повышение степени чистоты однотипных частиц для дальнейшего изучения их свойств. Такие методики отработаны в области биохимии, молекулярной биологии и пр. и позволяют выделять однородные белковые макромолекулы. В первом приближении это может быть процесс в три этапа – дезинтегрирование клеток (дробление), центрифугирование, хромотографическое (или мембранное) разделение, но, к сожалению, пока все эти методики не воспринимаются в закономерностях нанотехнологии.
Получение «очищенных» органических наночастиц в настоящее время является достаточно востребованным, особенно в сфере лечебных препаратов, у нас даже была попытка разработки антиракового препарата на основе наночастиц из природной органики в восстановленной форме.

Заключение.
«Каждое заключение есть начало чего-то другого, нового».

Могут ли органические наночастицы также стремительно и эффективно войти в жизнь общества, как мобильные телефоны? Вопрос открытый. Развитие радиоэлектроники проходило на моих глазах, первый приемник на транзисторах я собрал в 7 классе, а университет закончил на кафедре полупроводников и физики твердого тела. Первый компьютер, с которым я познакомился, была ЭВМ ДЖИ-417(французская машина), а диссертацию оформлял уже на персоналке. Стационарный телефон в квартире появился вне очереди, по письму «о туда, сверху», мобильник купили в прошлом веке, а то, что сейчас – это и телефон, и компьютер, и фотоаппарат, и диктофон, и пишущая машинка и с голоса, и зеркало, и фонарик, и радио с телевизором, и банковские расчеты, и интернет со всеми возможностями. И все это начиналось с простых энергетических «телодвижений» электронов в кристаллических структурах. Но такие же движения электронов дают нам жизнь, они лежат в основе синтеза АТФ!
Простому пользователю телефона и компьютера неведомо на каком «железе» они изготовлены и какими программами они оснащены, уже «страшилки» об «искусственном интеллекте» и тотальной «чипизации» мозгов распространяются в народе. Почти тоже самое было с паровозами – «люди остаются прежними» (Мастер и Маргарита) и опасаются грядущих перемен.
Возможно, что направление органических наночастиц может быть тупиковым, преждевременным и пр., но они объективная реальность доступного нам мира. Мы живем в мире этих органических наночастиц, природные (пыльца растений, «осколки» органики, вызывающие аллергию и пр.), техногенные («осколки» бытовых полимеров-пластиков) и организм человека будет «мутировать» или «эволюционировать» в условиях изменяющейся концентрации органических наночастиц в окружающем пространстве.
Огромный прорыв в разработке нанотехнологии органических частиц сделан при разработке вакцин против коронавируса. Разные школы ученых, разные подходы, разные бизнес интересы, но все вакцины - суть органические наночастицы, жаль, что нет фотографий с электронного микроскопа, не думаю, что вакцины обладают высокой идентичностью, отсюда могут быть и летальные исходы.
И, наконец, наступает «эра искусственного интеллекта», хотя в рамках существующей линейной элементной базы и существующей математики это всего лишь «суперкомпьютер». Тем не менее, на повестке дня стоит вопрос коммуникации сознания человека и компьютера, и одним из вариантов, выполняющим эту функцию, могут быть органические наночастицы.

Baburin©