С конца XX века многие традиционные направления науки стали относить к нанотехнологиям. Как только размер какого-то элемента, относящегося к традиционному процессу, стал меньше 100 нм — сразу же такой процесс начали называть нанотехнологическим. Это можно отнести и к диспергированию материалов, и к микроэлектронике, и к химии, и ко многим другим направлениям. Можно ли все это называть нанотехнологиями, ученые спорят до сих пор. Существует даже известное высказывание: «Наконец-то ученые для химии придумали красивое название».

Но по поводу наномашин, полностью созданных человеком или в соавторстве с природой, споров никогда не было. Разработка, изготовление и последующее использование наномашин — это область реальной нанотехнологии.

Вначале остановимся на изобретениях, созданных природой, использование которых в наномашинах пока еще не перешло в практическую плоскость.

Рис. 1

Известен, так называемый ферментный «мотор». В нем по фибрилле 1 (рис.1), длиной до 8 мкм, например молекуле белка тубулина, может перемещаться фермент 2, используя первые активные окончания (группы) 3, расположенные на белковых удлинениях 4. Первые активные группы 3 последовательно вступают во взаимодействие со вторыми активными группами 5, и это похоже на шаги человека. Уже предпринимались попытки визуализации этих шагов с помощью сверхвысокоскоростного сканирования зондовым микроскопом. Скорость такого перемещения может достигать 100 мкм в секунду. При этом энергия для перемещения может создаваться колебаниями различной природы, например инициируемые гидролизом аденазинтрифосфорной кислоты (АТФ). А направление перемещения может определяться градиентами температуры, электрохимического потенциала, концентрации частиц, например броуновских и т.д. По белкам актин и миозин, достигающим несколько микрон в длину, подобным образом внутрь клеток могут двигаться, например, хромосомы.

Рис. 2

Природа способна решать и обратную задачу, при которой на молекулах белка кинезин 1 (рис.2), закрепленных на неподвижной поверхности 2 и имеющих активные группы 3, расположенные на белковых удлинениях 4, перемещаются микротрубки в мышечных «моторах». Это выглядит, как будто несколько человек, перебирая руками, перемещают длинную трубу над головой. А энергия перемещения та же — АТФ, колебания и градиенты.

Здесь следует заметить, что управление этими «моторами», а значит, и процессами жизнедеятельности могут осуществлять периодические солнечные и земные процессы, фазы луны, сезоны года. Существуют даже более сложные и еще менее изученные космофизические факторы сверхмалых воздействий на все природные процессы, в том числе и биологические, открытые в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН С. Э. Шнолем.

Очень интересное изобретение природы, называемое бактериофагом, которое можно рассматривать как наномашину биологического происхождения, я подробно рассматривал в журнале «Наноиндустрия» №3, 2012. Там же был представлен вариант гипотетической формулы изобретения на бактериофаг и рекомендации по составлению описания на подобные изобретения. В этой статье мы рассматриваем более простые примеры наномашин.

Рис. 3

В качестве следующего примера представлен биомолекулярный двигатель вращения (рис.3), который создан совместными усилиями природы и человека. Он содержит рабочий модуль 1, выполненный из биомолекулярного кластера 2, в качестве которого природа использует биотинилированный цистеин. Внутри этого кластера расположена линейная биологическая молекула 3, способная осуществлять вращательное движение. С противоположной от нее стороны имеются гистидиновые концы 4 с активными группами 5. Описанный комплекс представляет собой бионаномотор, созданный природой, который использует, например, бактерия Е.coli для своего перемещения. Для этого на кончике линейной молекулы 3 у нее расположен филамент жгутика (не показан), который работает как пропеллер и двигает ее вперед. Далее этот бионаномотор посредством активных фрагментов 5 гистидиновых концов 4 закрепляют на искусственно созданном никелевом основании 6 высотой около 200 нм и диаметром 80 нм. После этого на кончик линейной молекулы 3 (туда, где природа размещает филамент жгутика) прикрепляют искусственно созданный «пропеллер» в виде никелевой микропроволоки 7. Учитывая малые размеры никелевого основания 6, для того чтобы с биомолекулярным двигателем вращения можно было бы осуществлять манипуляции, это основание может быть закреплено на платформе 8, которая будет различима в оптический микроскоп и которую уже можно было бы захватить микроманипулятором. Описанной информации вполне достаточно, чтобы составить формулу изобретения на биомолекулярный двигатель вращения.

Вариант такой формулы:

1. Биомолекулярный двигатель вращения, содержащий рабочий модуль с установленной в нем осью, имеющей возможность кругового вращения, отличающийся тем, что в него введен исполнительный элемент, соединенный с осью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочий модуль состоит из биомолекулярного кластера.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что биомолекулярный кластер выполнен из биотинилированного цистелина.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось состоит из линейной биологической молекулы.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что биотинилированный цистелин снабжен гистидиновыми концами с активными группами.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в него введено основание, на котором закреплен биомолекулярный кластер.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что основание выполнено из никеля.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что гистидиновые концы закреплены на основании посредством активных групп.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что исполнительный элемент выполнен из никелевой микропроволоки.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно снабжено платформой, на которой закреплено основание.

Но помимо формулы изобретения при патентовании наномашин очень важным является описание самой конструкции наномашины. Об этом я подробно писал в журнале «Наноиндустрия» №7, 2012, здесь отмечу самые важные моменты.

Учитывая наноразмерные габариты таких изделий, возможность изготовления отдельных компонентов и их соединения будут отличаться от существующих в макромире.

Бионаномотор (с 1-й по 5-ю позиции на рис.3) берется готовым, значит, его описание может слово в слово повторить 4 предложения, представленных выше. При этом необходимо будетдобавить, как бионаномотор создается. Например, он может быть получен в результате генетической перестройки бактерии Bacillus. А вот остальные элементы надо описывать гораздо подробнее. Необходимо будет привести технологию изготовления никелевых оснований 6, а также технологию их обработки, чтобы их можно было соединить с биомолекулярным кластером 1. Технологию изготовления никелевых микропроволоок 7 (например, с использованием электронно-лучевой литографии и изотопного травления), а также технологию их обработки, чтобы их можно было соединить с линейной биологической молекулой 3. Причем желательно указать несколько вариантов и ссылки на литературные источники, где эти технологии описаны подробно.

Например, обработку никелевых оснований и никелевых микропроволок можно осуществлять по одному из следующих маршрутов: «Для создания надежного соединения биологических молекул с поверхностью никеля используют вещества, которые создают на никеле слой с активными группами. При этом активные группы биологических молекул соединяются с активными группами на никеле и образуют прочные связи. Широко используемая методика химической модификации для стабилизации молекул на поверхности — это силанизация материала. Процесс силанизации существенно не изменяет топографических особенностей поверхности — она остается достаточно гладкой, в то же время улучшается связь биологической молекулы с модифицированной поверхностью. Процедура осуществляется следующим образом: образцы никелевых деталей помещают в эксикатор в присутствии APTES (3-aminopropyl-triethoxysilane, FLUKA,) и DIPEA (N,N-Disopropylethylamine ACROS) и инкубируют в атмосфере аргона в течение 2 ч. при комнатной температуре. При необходимости выравнивают слой APTES путем нагревания образцов при 120°С в течение 1 ч. Для индукции активных связей обрабатывают силанизированные образцы 1%-ным глутаровым альдегидом в течение 15 мин. при комнатной температуре и затем отмывают 3 раза деионизованной водой. Затем вносят исследуемый раствор в фосфатно-солевом буфере на 15 мин., при этом аминогруппы белковых молекул связываются с активными группами образцов, образуя ковалентные связи. Для ковалентной модификации можно использовать методы тиол-дисульфидного обмена, введения спейсерных остатков, более подробно описанных в работах. Возможна также модификация поверхности никеля поверхностно-активными гидрофобными веществами (ПАВ). В качестве ПАВ широко используют октодецил — аминофенилазобензосульфамид, который наслаивают на образцы методом формирования ленгмюровских пленок. Определенную дозу ПАВ растворяют в легколетучем растворителе (например, бензолгексане), впрыскивают смесь на водную поверхность, образуя разряженный мономолекулярный слой. Перенос пленки осуществляют обычно вертикальным способом (метод Ленгмюра-Блоджетт), пропуская образцы сквозь монослой, причем давление в пленке поддерживают постоянным путем сокращения площади пленки на водной поверхности подвижным барьером в процессе переноса монослоя. Более подробно указанный процесс описан в…».

Этот фрагмент описания я специально привел с той степенью подробности, какая должна быть в описаниях подобных патентов. Он соответствует описанию из пат. 2139036. А вот уже изготовление платформы 8 и ее соединение с основанием 6, учитывая ее более привычные для нашего мира размеры, могут быть описаны проще. Например, «платформу 8 изготавливают из материала на основе самарий-кобальта и за счет магнитных сил соединяют с основанием 6».

Разумеется, подобные патенты должны иметь зонтичную форму, чтобы защитить возможные варианты развития. Например, можно добавить, что фиксируя платформу 8, биомолекулярный двигатель вращения можно использовать в качестве «нановентилятора». Работу устройства по рис. 3 также придется описывать более подробно. Надо будет объяснить, почему вращается линейная молекула 3, как осуществляется изменение направления перемещения устройства, как можно будет осуществлять контроль перемещения устройства. В процессе описания работы, возможно, возникнут новые отличительные признаки, которые придется вводить в формулу изобретения. Например, на свободном конце никелевого основания 6 придется разместить нечто, подобное рулю яхты, но надо будет придумать, что это может быть и как этим управлять. Для контроля перемещения, возможно, придется закреплять на устройстве радиоактивную метку и т. п.

Помимо описанных наномашин существует еще много различных их вариантов. В университете Райса ученые создали молекулярный автомобиль с колесами из фуллеренов. Компанией Nanotechnology News Network спроектирован наноробот на основе конструктивного строения бактериофага, способный проводить диагностику и лечение заболеваний воздействием в нанометровом диапазоне размеров. Уже созданы наноманипуляторы на основе ДНК. Ученые Гарвардского и Мюнхенского технического университетов продемонстрировали трехмерные управляемые структуры на основе ДНК и возможность создания на их основе сфер, шестеренок, треугольников и других деталей. Специалисты из университета Дьюка научились на микрочастицы закреплять магнитные наночастицы, с помощью которых можно, например, управлять перемещением отдельных клеток. В американском Институте молекулярного производства идут разработки искусственных эритроцитов и лейкоцитов. Ученые немецкого Института экспериментальной физики изобрели наноколесо. В Токийском университете разработали молекулярную машину, копирующую работу двигателя внутреннего сгорания. Широкое распространение получают сенсоры на основе нанотрубок, которые могут изменять резонансную частоту колебаний в зависимости от масс молекул, ими «захваченных». При соединении нанотрубок с активными молекулярными группами, описанными выше, можно будет детектировать молекулы не только по массе, но и по химическим свойствам, а это уже можно использовать для детекции токсичных белков и ядовитых веществ.

Работы по созданию наномашин идут с огромной скоростью и по многим направлениям, но при любом их патентовании особенное внимание придется обращать на более подробное, чем в обычных изобретениях, описание их конструкций, а также на возможность их изготовления и функционирования, чтобы выполнить третий критерий патентоспособности изобретений «промышленную применимость (п.1, статья 1350, ч.IV ГК РФ).

Изобретатель и рационализатор