Widzowie filmu

Fantastyczna podró˝

z 1966 ro-

ku mieli okazj´ obejrzeç Êmia∏à wizj´ wykorzystania nano-
technologii w medycynie. Zminiaturyzowana w tajemniczy
sposób supernowoczesna ∏ódê podwodna z nieustraszonymi
lekarzami na pok∏adzie pop∏yn´∏a naczyniami krwionoÊny-
mi pacjenta, by usunàç zagra˝ajàcy jego ˝yciu skrzep w mó-
zgu. W ciàgu ostatnich 35 lat zrobiono wielkie post´py w wy-
twarzaniu coraz bardziej zminiaturyzowanych i skompliko-
wanych urzàdzeƒ. Niektórzy uwierzyli, ˝e medycyna rozwi-
nie si´ w tym kierunku i ju˝ wkrótce maleƒkie roboty b´dà
kursowaç naszymi ˝y∏ami. W pewnych kr´gach potraktowa-

no to bardzo powa˝nie i zacz´to obawiaç si´ zagro˝eƒ zwià-
zanych z tà technikà, sugerujàc, ˝e samoodtwarzajàce si´ au-
tomaty nanometrowej wielkoÊci mogà oszaleç i zniszczyç ca-
∏à biosfer´.

Wed∏ug mnie i wi´kszoÊci innych badaczy, sà to pomys∏y

rodem z fantastyki naukowej. Niemniej nanotechnologia do-
prowadzi zapewne do zwi´kszenia liczby i udoskonalenia me-
tod stosowanych w badaniach biomedycznych. Mo˝e na przy-
k∏ad, dzi´ki stworzeniu nowych rodzajów znaczników, okazaç
si´ pomocna przy opracowywaniu leków lub okreÊlaniu aktyw-
noÊci poszczególnych genów w komórkach znajdujàcych si´
w rozmaitych stanach metabolicznych. Urzàdzenia nanome-
trowych rozmiarów znalaz∏yby zapewne zastosowanie w szyb-
kich badaniach przesiewowych i testach genetycznych, po-
zwalajàcych stwierdziç, jakie choroby zagra˝ajà danej osobie,
a w przypadku nowotworu wskazaç, które geny uleg∏y mu-
tacji. Korzystajàc ze zdobyczy nanotechnologii, naukowcy
chcà ulepszyç czynniki kontrastujàce stosowane w nieinwa-

LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

57

NANO

MEDYCYNA

Ma∏e

mo˝e

wi´cej

A. PAUL ALIVISATOS

FIOLKI Z ROZTWORAMI

kropek kwantowych – pó∏przewodnikowych

nanokryszta∏ów – o ÊciÊle okreÊlonych rozmiarach (tu przedstawione
w du˝ym powi´kszeniu). Barwa Êwiat∏a emitowanego przez kropk´
kwantowà po uprzednim naÊwietleniu zale˝y od jej rozmiaru. Badacze
mogà wi´c Êledziç równoczeÊnie aktywnoÊç wielu wa˝nych biologicznie
czàsteczek, przy∏àczajàc do nich ró˝nej wielkoÊci kropki kwantowe.

ZAPEWNE PRODUKTY

NANOTECHNOLOGII NAJSZYBCIEJ

ZNAJDÑ ZASTOSOWANIE W DIAGNOSTYCE,

A BYå MO˚E NAWET LECZENIU

RÓ˚NYCH CHORÓB

zyjnym obrazowaniu i stworzyç precy-
zyjne noÊniki leków. Powstajàce techni-
ki nie sà wprawdzie tak atrakcyjne, jak
zminiaturyzowana do rozmiarów p∏ytki
krwi Raquel Welch, wycinajàca skrzep
promieniem lasera, ale tak˝e fascynu-
jà, gdy˝ p∏ynàce z nich korzyÊci dla pa-
cjentów i badaczy sà (w odró˝nieniu od
treÊci filmu) ca∏kiem realne.

Jaka wi´c ma byç rola nanotechnolo-

gii w realizacji tych pomys∏ów? To za-
le˝y od jej definicji. Mo˝na przyjàç, ˝e
wszystko w biologii jest dzie∏em nano-
technologii. Przecie˝ nawet najbardziej
skomplikowane istoty sk∏adajà si´ z ma-
leƒkich komórek, zbudowanych z nano-
metrowej wielkoÊci cegie∏ek: bia∏ek,
t∏uszczów, kwasów nukleinowych i in-
nych z∏o˝onych czàsteczek organicz-
nych. Jednak zwyczajowo stosuje si´ ter-
min „nanotechnologia” do metod wy-
twarzania sztucznych konstrukcji wy-
konanych na przyk∏ad z pó∏przewodni-
ków, metali, tworzyw sztucznych lub
szk∏a. Kilka nieorganicznych nanostruk-
tur, jak niewielkie kryszta∏y, ju˝ znala-
z∏o zastosowanie praktyczne, w wi´k-
szoÊci jako czynniki kontrastujàce.

Przyciàganie magnetyczne

W PRZYRODZIE

mo˝na znaleêç wspania-

∏y przyk∏ad przydatnoÊci tego typu nie-
organicznych kryszta∏ów. ˚yjàce w
zbiornikach wodnych w pobli˝u b∏otni-
stego dna magnetotaktyczne (reagujà-
ce na pole magnetyczne) bakterie naj-
lepiej prosperujà na okreÊlonej g∏´bo-
koÊci wody lub osadów. Powy˝ej st´˝e-
nie tlenu jest dla nich za wysokie, zaÊ
poni˝ej – za niskie. Bakteria, która znaj-

dzie si´ na nieodpowiedniej g∏´bokoÊci,
musi wróciç na w∏aÊciwy poziom. Je˝e-
li w Êrodowisku jest zbyt du˝o tlenu, po-
winna zejÊç g∏´biej, jeÊli zbyt ma∏o – wy-
p∏ynàç wy˝ej. Ale jak zawieszona w wo-
dzie komórka odró˝nia gór´ od do∏u, je-
Êli si∏a cià˝enia nie wywiera na nià prak-
tycznie ˝adnego wp∏ywu?

Odpowiedê jest prosta. W jej wn´trzu

znajduje si´ ∏aƒcuch oko∏o 20 magnetycz-
nych kryszta∏ów o Êrednicy 35–120 nm,
tworzàcych miniaturowy kompas. Linie
pola magnetycznego Ziemi sà nachylone
do jej powierzchni w wi´kszoÊci miejsc
(na pó∏kuli pó∏nocnej wskazujà nie tylko
pó∏noc, lecz skierowane sà równie˝ w dó∏,
a na po∏udniowej do góry). Magnetotak-
tyczna bakteria mo˝e wi´c podà˝aç we
w∏aÊciwym kierunku wzd∏u˝ linii pola
magnetycznego.

Jej kompas to cudo biologicznej na-

noin˝ynierii. Zbudowany jest z idealne-
go materia∏u: magnetytu lub greigitu –
wysoce magnetycznych minera∏ów.
Równie˝ nieprzypadkowe jest u˝ycie
wielu kryszta∏ów. Im wi´ksze sà mikro-
skopijne czàstki magnetyczne, tym d∏u-
˝ej zachowujà stan namagnesowania.
JeÊli jednak sà zbyt du˝e, tworzà samo-
istnie dwie oddzielne domeny o prze-
ciwnie skierowanych momentach ma-
gnetycznych. Taki kryszta∏ ma niewielkie
namagnesowanie ca∏kowite i nie jest
zbyt czu∏ym kompasem. Bakteria dzi´-
ki temu, ˝e ma kompas zbudowany
z kryszta∏ów odpowiedniej wielkoÊci,
korzysta ze stabilnej, pojedynczej do-
meny magnetycznej, optymalnie wyko-
rzystujàc ka˝dy zdobyty atom ˝elaza.
Ciekawe, ˝e ludzie tworzàc noÊniki

(pokrycia) magnetyczne twardych dys-
ków o du˝ej g´stoÊci zapisu, przyj´li t´
samà strategi´. U˝yli nanokryszta∏ów
magnetycznych o rozmiarach zapew-
niajàcych stabilnoÊç domen i du˝y mo-
ment magnetyczny.

Sztuczne kryszta∏y magnetyczne po-

dobnej wielkoÊci mogà wkrótce znaleêç
zastosowanie w badaniach biomedycz-
nych. Nad wykorzystaniem magnetycz-
nych nanoczàstek do wykrywania ta-
kich obiektów biologicznych, jak cho-
robotwórcze mikroorganizmy, pracu-
jà dwie grupy naukowców: niemiecka
oraz amerykaƒska w mojej macierzy-
stej placówce – University of California
w Berkeley.

Stosowana przez nie metoda, podob-

nie jak wiele innych wspó∏czesnych tech-
nik, wymaga wykorzystania przeciwcia∏
(sond), które wià˝à si´ z okreÊlonymi
antygenami (celami). Czàstki magne-
tyczne (znaczniki) do∏àcza si´ do czà-
steczek wybranego przeciwcia∏a (zna-
kuje sondy), po czym wprowadza do
badanej próbki. Nast´pnie poddaje si´ je
dzia∏aniu silnego pola magnetycznego
(chwilowo namagnesowujàcego czàst-
ki), by stwierdziç – za pomocà aparatu-
ry, której czu∏oÊç pozwala zarejestro-
waç s∏abe pola magnetyczne – czy
przeciwcia∏a po∏àczy∏y si´ z odpowied-
nimi antygenami. Te, które tego nie zro-
bi∏y, poruszajà si´ w roztworze tak szyb-
ko, ˝e nie wytwarzajà mierzalnego
sygna∏u. Nie ma zatem potrzeby ich usu-
wania, co na ogó∏ jest niezb´dne w in-
nych metodach, a bardzo czasoch∏on-
ne. Zwiàzane przeciwcia∏a nie mogà
poruszaç si´ chaotycznie, wi´c ich
znaczniki generujà wspólnie wykrywal-
ne pole magnetyczne. Czu∏oÊç tej meto-
dy ju˝ teraz jest lepsza ni˝ standardo-
wych, a zapewne wkrótce przewy˝szy
je pod tym wzgl´dem kilkaset razy.

Pomimo tych korzyÊci metoda magne-

tyczna prawdopodobnie nie zastàpi po-
wszechnie stosowanego znakowania
sond znacznikami fluorescencyjnymi –
czàsteczkami organicznymi emitujàcy-
mi Êwiat∏o o ÊciÊle okreÊlonej d∏ugoÊci
fali, a wi´c i o charakterystycznej bar-
wie, gdy wzbudzi si´ je odpowiednim

58

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001

Nanostruktury sà niewàtpliwie mniej fotogeniczne ni˝

Raquel Welch w filmie Fantastyczna podró˝,

lecz bardziej fascynujàce i niezwykle po˝yteczne.

OBRAZ FELICE FRANKEL; TECHNICZNEJ POMOCY UDZIELILI K. F

. JENSEN,

M. G. BA

WENDI, C. MURRA

Y,

C. KAGAN, B. DABBOUSI, J. RODRIGUEZ

-VIEGO

MIT (na str

onie 56)

n

Nieorganiczne nanoobiekty b´dà

przydatne w badaniach biomedycznych,
diagnozowaniu, a nawet leczeniu
chorób.

n

Testy biologiczne na obecnoÊç lub

aktywnoÊç poszukiwanych substancji
sà szybsze, czulsze i elastyczniejsze,
gdy jako znaczniki zastosujemy
nanoczàstki.

n

Nanoczàstki mo˝na wykorzystaç

do podawania leków dok∏adnie tam,
gdzie sà potrzebne. Dzi´ki temu unikamy
dzia∏aƒ niepo˝àdanych, cz´sto
wywo∏ywanych przez silne medykamenty.

n

Byç mo˝e sztucznie wykonane

nanoelementy wykorzysta si´ kiedyÊ
do naprawy skóry, chrzàstek i koÊci,
a nawet do regeneracji ca∏ych narzàdów.

Przeglàd /

Nanomedycyna

promieniowaniem Êwietlnym. Kolory sà
bardzo przydatne w rozmaitych proce-
durach diagnostycznych i badawczych,
gdy równoczeÊnie trzeba rozró˝niç kil-
ka sond.

Wspó∏czesna elektronika równie˝ cz´-

sto si´ga po elementy emitujàce Êwia-
t∏o. Ka˝dy odtwarzacz p∏yt CD wyko-
rzystuje Êwiat∏o diody laserowej wyko-
nanej z nieorganicznych pó∏przewodni-
ków. Z takich materia∏ów mo˝na wyci-
naç kulki wielkoÊci czàsteczki bia∏ka.
W efekcie powstajà pó∏przewodnikowe
nanokryszta∏y, czyli tzw. kropki kwanto-
we. Te maleƒkie struktury, wielkoÊci na-

nokryszta∏ów magnetycznych, równie˝
mogà oddaç biomedykom du˝e us∏ugi.

Kropki kwantowe, jak wskazuje na-

zwa, wyjàtkowe w∏aÊciwoÊci zawdzi´-
czajà niezwyk∏ym prawom mechaniki
kwantowej – tym samym, które zmusza-
jà elektrony w atomach do przebywa-

nia na okreÊlonych poziomach energe-
tycznych. Czàsteczka barwnika orga-
nicznego poch∏ania fotony Êwiat∏a jedy-
nie o energii odpowiedniej do prze-
niesienia elektronów z poziomów stanu
niewzbudzonego na jeden z wy˝szych,
dost´pnych im poziomów energetycz-

LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

59

JEFF JOHNSON

Hybrid Medical Animation

A. PAUL ALIVISATOS jest profesorem na Wydziale Chemii University of California w Berke-
ley, gdzie w 1986 roku uzyska∏ stopieƒ doktora chemii fizycznej, oraz cz∏onkiem American
Association for the Advancement of Science i American Physical Society. Otrzyma∏ wiele na-
gród za badanie fizycznych w∏aÊciwoÊci nanokryszta∏ów. Jest za∏o˝ycielem Quantum Dot Cor-
poration, która pracuje nad wykorzystaniem pó∏przewodnikowych nanokryszta∏ów jako znacz-
ników fluoroscencyjnych w testach biomedycznych.

O

AUTORZE

J

ednym z priorytetów National
Nanotechnology Initiative

(NNI – Narodowej Inicjatywy
Nanotechnologicznej) jest
udoskonalenie metod
wykrywania, rozpoznawania
i leczenia chorób. Niektóre
zadania przedstawiono poni˝ej.
Inne, których na razie nie uda∏o
si´ zrealizowaç, to stworzenie
Êrodków likwidujàcych wady
wzroku i s∏uchu, szybkich
testów na skutecznoÊç leków,
jak równie˝ miniaturowych
urzàdzeƒ do wykrywania
pierwszych stadiów niektórych
chorób (np. schorzeƒ serca,
zaka˝eƒ i nowotworów).
Urzàdzenia te przekazywa∏yby
informacje do zewn´trznego
odbiornika lub znakowa∏y
chore miejsca.

WIELKIE ZAMIERZENIA MEDYCYNY

CEL: udoskonalone obrazowanie

Lepsze lub nowe czynniki kontrastujàce
b´dà pomocne w wykryciu choroby
we wczesnym stadium, kiedy ∏atwiej
jà wyleczyç, na przyk∏ad nowotworu
(czerwony)

, gdy sk∏ada si´ z kilku

zaledwie komórek.

Nanoczàstki b´dà dostarczaç leki do ÊciÊle
okreÊlonych miejsc, nawet takich, gdzie zwyk∏e
lekarstwa docierajà z trudem. Nowotwory mo˝na
tak˝e niszczyç za pomocà skierowanych do nich
z∏otych nanoskorupek (kulki) po podgrzaniu ich
promieniowaniem podczerwonym.

Nanomodyfikacje powierzchni implantu zwi´kszà
jego trwa∏oÊç i zgodnoÊç biologicznà, na przyk∏ad
sztuczny staw biodrowy pokryty nanoczàsteczkami
znacznie mocniej zwià˝e si´ z otaczajàcà go koÊcià.

1

3

2

CEL: nowe metody leczenia

CEL: doskona∏e wszczepy

NOWOTWÓR

NANOSKORUPKA

KOÂå

WSZCZEP POKRYTY

NANOCZÑSTKAMI

nych. Prac´ takà mo˝e wi´c wykonaç
tylko Êwiat∏o o odpowiedniej d∏ugoÊci
fali (kolorze). Nast´pnie, gdy elektron
wraca na ni˝szy poziom energetyczny,
wzbudzona czàsteczka emituje foton.
Zjawisko to ró˝ni si´ od zachodzàcego
w pó∏przewodnikach, w których elek-
trony zewn´trzne mogà zajmowaç licz-
ne poziomy w dwóch szerokich pa-
smach energetycznych. Takie substancje
poch∏aniajà fotony o barwach z szero-
kiego zakresu (je˝eli fotony te majà doÊç
energii, by pokonaç przerw´ energetycz-
nà mi´dzy pasmami). Jednak emitujà
tylko Êwiat∏o o okreÊlonej, odpowiadajà-
cej tej przerwie d∏ugoÊci fali. Kropki
kwantowe to przypadek poÊredni. Po-
dobnie jak pó∏przewodniki poch∏aniajà

fotony, których energia przekracza prze-
rw´ energetycznà. D∏ugoÊç fali emito-
wanego przez nie Êwiat∏a (czyli kolor)
jest jednak silnie uzale˝niona od wiel-
koÊci kropki. Dlatego z jednego pó∏-
przewodzàcego materia∏u mo˝na otrzy-
maç wiele znaczników o rozmaitych
barwach.

Badaniem kropek kwantowych fizy-

cy zaj´li si´ w latach siedemdziesiàtych,
sàdzàc, ˝e któregoÊ dnia umo˝liwi to
skonstruowanie nowych urzàdzeƒ elek-
tronicznych lub optycznych. Niewielu
myÊla∏o o zastosowaniu tych obiektów
w diagnostyce chorób lub do opracowa-
nia nowych leków. Nikt nie mia∏ poj´-
cia, ˝e kropki kwantowe pierwsze za-
stosowanie znajdà w biologii i medy-
cynie. Stworzenie takich kropek spraw-
nie dzia∏ajàcych w uk∏adach biologicz-
nych trwa∏o jednak wiele lat.

T´czowa koalicja

QUANTUM DOT CORPORATION

, firma wiodà-

ca prym w komercjalizacji tej techniki,
uzyska∏a koncesj´ na wykorzystanie me-
tod opracowanych w moim laborato-
rium w Massachusetts Institute of Tech-
nology oraz w Indiana University,
Lawrence Berkeley National Laborato-
ry i University of Melbourne w Austra-
lii. Pomog∏em za∏o˝yç t´ firm´, dlatego
moja ocena mo˝e byç stronnicza. Uwa-
˝am jednak, ˝e kropki kwantowe czeka
wspania∏a przysz∏oÊç.

Znakowanie nanokryszta∏ami pó∏prze-

wodnikowymi ma wiele zalet w porów-
naniu z tradycyjnym znakowaniem czà-
steczkami klasycznych barwników. Ma∏e
kryszta∏y nieorganiczne mogà przetrwaç
znacznie wi´cej cykli wzbudzania i emi-
sji Êwiat∏a ni˝ typowe czàsteczki orga-
niczne, które szybko si´ rozpadajà. Ta
trwa∏oÊç pozwoli Êledziç zdarzenia za-
chodzàce w komórkach i tkankach d∏u-
˝ej ni˝ to obecnie mo˝liwe. Lecz naj-
wi´ksza korzyÊç ze stosowania pó∏prze-
wodnikowych nanokryszta∏ów to bogac-
two barw znaczników.

Uk∏ady biologiczne sà bardzo z∏o˝one

i cz´sto trzeba obserwowaç kilka ich
sk∏adników równoczeÊnie. Trudno to
osiàgnàç, gdy˝ ka˝dy z organicznych

znaczników barwnych musi byç pobu-
dzany Êwiat∏em o innej d∏ugoÊci fali.
Kropki kwantowe umo˝liwiajà nato-
miast znakowanie wielu ró˝nych czà-
steczek za pomocà kryszta∏ów rozma-
itej wielkoÊci, a wi´c o odmiennych ko-
lorach Êwiecenia. Mo˝na je wzbudziç,
stosujàc jedno êród∏o Êwiat∏a, i monito-
rowaç wszystkie równoczeÊnie.

Metoda ta jest przedmiotem intensyw-

nych badaƒ, ale kropki kwantowe mogà
znaleêç jeszcze inne interesujàce zasto-
sowania. Wyobraêmy sobie malutki la-
teksowy koralik wype∏niony rozmaity-
mi kropkami kwantowymi, na przyk∏ad
w pi´ciu rozmiarach (a wi´c Êwiecàcych
w pi´ciu kolorach) i w ró˝nych iloÊciach.
Gdy zostanie on naÊwietlony, wyemitu-
je Êwiat∏o, które po przepuszczeniu
przez pryzmat utworzy widmo, sk∏ada-
jàce si´ z pi´ciu prà˝ków, ka˝dy o okre-
Êlonej intensywnoÊci. Nazwijmy je wid-
mowym kodem paskowym. Z takich ko-
ralików mo˝na utworzyç olbrzymià
liczb´ znaczników (nawet miliardy),
a ka˝dy z nich do∏àczyç do innej czà-
steczki DNA.

Je˝eli badacz chcia∏by ustaliç, które

geny sà aktywne w danych komórkach
lub tkankach, to korzystajàc z zestawu
takich koralików móg∏by bez trudu po-
równaç materia∏ genetyczny w badanej
próbce z wykazem znanych sekwencji
DNA. Odczyta∏by widmowe kody pasko-
we identyfikujàce te, z którymi zwiàza-
∏y si´ w próbce odpowiednie koraliki.
Takie po∏àczenie zachodzi jedynie wów-
czas, gdy sekwencje genetyczne dok∏ad-
nie sobie odpowiadajà (czyli kiedy jed-
na sekwencja jest komplementarna z
drugà). Wynik badania pozwoli∏by na-
tychmiast ustaliç natur´ badanego ma-
teria∏u genetycznego.

Pó∏przewodnikowe kropki kwanto-

we ju˝ wkrótce stanà si´ pomocne na-
ukowcom, lecz nie sà jedynymi nano-
strukturami mogàcymi s∏u˝yç do optycz-
nego rozpoznawania sk∏adu genetycz-
nego badanej próbki. Chad A. Mirkin
i Robert L. Letsinger z Northwestern
University opracowali ostatnio pomy-
s∏owà metod´ wykrywania obecnoÊci
okreÊlonych sekwencji genetycznych

60

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001

Lek umieszczony we wn´trzu nanokapsu∏ek,

uwalniajàcych go w ÊciÊle okreÊlony sposób,

móg∏by staç si´ znacznie skuteczniejszy.

KORALIKI Z LATEKSU

niemal nie zmieniajà

d∏ugoÊci fali Êwiat∏a emitowanego przez
wype∏niajàce je kropki kwantowe. Barwa Êwiat∏a
zale˝y od wymiarów kropek. Umieszczajàc w
koraliku zestaw odpowiednio dobranych kropek,
mo˝na stworzyç znacznik odpowiadajàcy po
oÊwietleniu kilkoma kolorami Êwiat∏a.

SHUMING NIE

Indiana University

P

rzedstawione tu nanoobiekty pewnego dnia pozwolà
zwi´kszyç szybkoÊç i skutecznoÊç testów biomedycznych,

u˝ywanych na przyk∏ad do badaƒ przesiewowych ma∏ych próbek
na obecnoÊç konkretnych sekwencji genetycznych. Na rysunkach
nie zachowano skali, aby zapewniç ich przejrzystoÊç.

LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

61

NANOBIOTECHNOLOGIA W DZIA¸ANIU

JEFF JOHNSON

Hybrid Medical Animation

KIERUNEK WEKTORA

MAGNETYCZNEGO

KORALIK

SPRYTNE WSPORNIKI

W materiale biologicznym mo˝na wykryç konkretne sekwencje
genetyczne za pomocà ma∏ych beleczek-wsporników, podobnych
do stosowanych w mikroskopie si∏ atomowych. Ka˝dà z nich
pokrywa si´ czàsteczkami DNA mogàcymi wiàzaç si´ z jednà,
szczególnà sekwencjà. Na tak przygotowane wsporniki podaje si´
próbk´. Po∏àczenie poszukiwanych czàsteczek z warstwà DNA na
powierzchni beleczki zwi´ksza jej mas´ i wspornik ugina si´ o kilka
nanometrów. Nie jest to du˝o, pozwala jednak stwierdziç, ˝e DNA
na odchylonej beleczce zwiàza∏ si´ z konkretnymi celami w próbce.

ZNACZNIKI MAGNETYCZNE

Wiele testów ujawnia obecnoÊç rozmaitych czàsteczek lub
drobnoustrojów chorobotwórczych, wykrywajàc ich po∏àczenie
z odpowiednimi przeciwcia∏ami. Gdy oznakowane magnetycznymi
nanoczàstkami przeciwcia∏a wià˝à si´ ze swymi celami (pierwszy
plan)

, krótkotrwa∏a ekspozycja na pole magnetyczne powoduje

wys∏anie przez nie wyraênego sygna∏u magnetycznego. W tym
samym czasie nie zwiàzane przeciwcia∏a poruszajà si´ we
wszystkich kierunkach, nie emitujàc mierzalnego sygna∏u
wypadkowego. Umo˝liwia to wykonanie badaƒ bez koniecznoÊci
czasoch∏onnego usuwania znaczników, które nie po∏àczy∏y si´
ze swoimi celami.

CZÑSTKI Z¸OTA

Nanoczàstki z∏ota przyczepione do krótkich ∏aƒcuchów DNA
mogà u∏atwiç wykrycie w badanej próbce okreÊlonych sekwencji
genetycznych (czarny). Testowy roztwór b´dzie zawiera∏
oznakowane tym szlachetnym metalem ∏aƒcuchy DNA,
komplementarne zarówno do jednej (czerwony), jak i drugiej
(niebieski)

po∏owy poszukiwanej sekwencji. Je˝eli znajduje si´

ona w próbce, po∏àczy si´ z oznakowanymi ∏aƒcuchami DNA
obu rodzajów, tworzàc g´stà sieç z uwi´zionymi w niej licznymi
kuleczkami z∏ota, co spowoduje zmian´ zabarwienia roztworu
(z czerwonego na niebieski)

.

NANOKODY PASKOWE

Koraliki lateksowe wype∏nione nanokryszta∏kami pó∏przewodnika
– kwantowymi kropkami o odmiennych charakterystykach
(wymiarach, a wi´c i barwach emitowanego Êwiat∏a) – mogà s∏u˝yç
jako widmowe kody paskowe (charakterystyczne znaczniki optyczne)
dla dowolnej liczby ró˝nych sond. Po oÊwietleniu „ujawnià si´”
(a tym samym i po∏àczone z nimi sondy), emitujàc Êwiat∏o, które
mo˝na rozszczepiç na okreÊlone kolory o rozmaitej intensywnoÊci.

SONDA

DNA

DNA

Z PRÓBKI

UGI¢TY
WSPORNIK

KROPKI KWANTOWE

SONDA DNA

NANOCZÑSTKA
Z¸OTA

DNA

DOCELOWE

PRZECIWCIA¸O

MAGNETYCZNA

NANOCZÑSTKA

PRZECIWCIA¸O
ZWIÑZANE Z CELEM

w roztworach, wykorzystujàc do tego
celu znakowanie DNA czàstkami z∏ota
o rozmiarach 13 nm.

Polega ona na u˝yciu dwóch zesta-

wów oznakowanych z∏otem ∏aƒcuchów
DNA. Pierwsze ∏àczà si´ z jednà po∏o-
wà szukanej sekwencji, drugie – z po-
zosta∏à. Czàsteczki DNA o pe∏nej se-
kwencji wià˝à si´ ∏atwo z obydwoma
rodzajami oznakowanych ∏aƒcuchów
DNA, spajajàc je w ca∏oÊç. Kiedy czàst-
ki z∏ota ∏àczà si´, tworzàc wi´ksze dro-
biny, ich w∏aÊciwoÊci optyczne wyraê-
nie si´ zmieniajà: barwa roztworu z
czerwonej zmienia si´ w niebieskà. A za-
tem wynik testu ∏atwo dostrzec go∏ym
okiem. Metod´ t´ mo˝na by nawet wy-
korzystaç do przeprowadzania testów
DNA w domu.

Poczucie mocy

DYSKUSJA O NANOBIOTECHNOLOGII

by∏a-

by niepe∏na, gdybyÊmy nie wspomnieli
o jednym z najbardziej nowoczesnych
urzàdzeƒ wspó∏czesnej nauki – mikro-
skopie si∏ atomowych. Dzia∏a on na po-
dobnej zasadzie jak staroÊwiecki gra-
mofon, który odczytywa∏ rowki w p∏y-
cie, sunàc ostrà ig∏à po jej powierzch-
ni. Czubek sondy mikroskopu si∏ ato-
mowych jest jednak du˝o ostrzejszy ni˝
ig∏a gramofonu, mo˝e wi´c wykrywaç
znacznie subtelniejsze struktury. Wy-
twarzanie sond, które by∏yby zarazem

cienkie i sztywne, okaza∏o si´ niestety
trudne.

Rozwiàzanie znaleziono w 1996 ro-

ku: pracownicy Rice University przy-
mocowali maleƒkà nanorurk´ w´glowà
do czubka sondy mikroskopu si∏ atomo-
wych, dzi´ki czemu mo˝na by∏o badaç
próbki wielkoÊci zaledwie kilku nano-
metrów. W 1998 roku Charles M. Lie-
ber oraz jego wspó∏pracownicy z Har-
vard University zastosowali t´ metod´
do badania z∏o˝onych czàsteczek orga-
nicznych i ich oddzia∏ywaƒ, sàdzàc, ˝e
wysoka rozdzielczoÊç umo˝liwi im uzy-
skanie odpowiedzi na wi´kszoÊç pod-
stawowych pytaƒ.

Techniki zastosowane w mikroskopie

si∏ atomowych mogà wkrótce zostaç wy-
korzystane do innych celów ni˝ pomiary.
W zesz∏ym roku James K. Gimzewski,
zatrudniony wówczas w Laborato-
rium Badawczym IBM w Zurichu, oraz
pracownicy IBM i Uniwersytetu w Ba-
zylei wykazali, ˝e uk∏ad mikronowej wiel-
koÊci beleczek (wsporników), podobnych
do u˝ywanych w mikroskopie si∏ atomo-
wych, mo˝na wykorzystaç do badania
próbek na obecnoÊç konkretnych sekwen-
cji genetycznych. W tym celu do wierzchu
wspornika przymocowano krótkie ∏aƒ-
cuchy DNA. Gdy materia∏ genetyczny za-
wierajàcy komplementarnà sekwencj´
po∏àczy si´ z tymi zakotwiczonymi ∏aƒ-
cuchami, wspornik delikatnie si´ ugnie

(o nanometry), co mo˝na wykryç. Kon-
struujàc urzàdzenia z wieloma takimi
wspornikami i pokrywajàc je rozmaitymi
rodzajami DNA, b´dzie mo˝na szyb-
ko przebadaç próbk´ materia∏u biolo-
gicznego na obecnoÊç specyficznych se-
kwencji genów (obecnie wykorzystuje si´
do tego celu bioczujniki DNA [patrz:

TECHNIKA I BIZNES

„Superczu∏y bio-

czujnik”; Âwiat Nauki, maj 2000]) bez po-
trzeby ich znakowania, a jedynie za po-
mocà urzàdzeƒ nanomechanicznych.

Jak widaç, osiàgni´cia nanotechno-

logii nie zawsze da si´ bezpoÊrednio
zastosowaç w kuracji – s∏u˝à przede
wszystkim do celów badawczych i dia-
gnostycznych. Jednak w niektórych
przypadkach mogà si´ okazaç przydat-
ne tak˝e w terapii. Zawarty na przyk∏ad
w nanokapsu∏ce lek uwalnia∏by si´ w Êci-
Êle okreÊlonym miejscu i czasie, co za-
pewnia∏oby jego najwi´kszà skutecznoÊç
i najs∏absze dzia∏anie niepo˝àdane.

Przyjrzyjmy si´ klasie sztucznych czà-

steczek zwanych organicznymi dendry-
merami. Przed 20 laty Donald A. Toma-
lia z Michigan Molecular Institute
w Midlandzie opracowa∏ pierwszà takà
struktur´. Czàsteczka dendrymeru roz-
ga∏´zia si´ od Êrodka na zewnàtrz.
Kszta∏tem przypomina wiele ga∏àzek we-
tkni´tych w kostk´ myd∏a, tak by ster-
cza∏y na wszystkie strony. Dendryme-
ry sà kulistymi czàsteczkami wielkoÊ-
ci przeci´tnego bia∏ka, jednak nie roz-
padajà si´ ani nie rozwijajà tak ∏atwo,
gdy˝ sà po∏àczone silnymi wiàzaniami
chemicznymi.

Podobnie jak w zwartej pozornie ko-

ronie drzewa, równie˝ wewnàtrz czà-
steczek dendrymerów jest pusta prze-
strzeƒ. Zdumiewajàce, ˝e mo˝na je
konstruowaç tak, by przestrzeƒ ta mia-
∏a mniejszà lub wi´kszà obj´toÊç, dopa-
sowanà do rozmiarów zawartego w niej
leku. Za ich pomocà mo˝na równie˝
wprowadzaç DNA do komórek, które
chcemy poddaç terapii genowej. Powin-
ny byç bezpieczniejsze dla pacjentów
ni˝ stosowane obecnie wektory (zmody-
fikowane genetycznie wirusy).

Inne rodzaje nanostruktur o rozbu-

dowanej powierzchni te˝ zapewne da
si´ wykorzystaç jako noÊniki leków. Den-
drymerami naj∏atwiej si´ jednak pos∏u-
giwaç i majà najwi´cej zastosowaƒ. Byç
mo˝e uda si´ je tak zaprojektowaç, by
wch∏on´∏y, a nast´pnie uwolni∏y ˝àda-
nà substancj´ tylko w obecnoÊci pew-
nych wyzwalajàcych czàsteczek. Wy-

62

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001

Mikrohydraulika

Od przep∏ywów mikro do nano

W

i´kszoÊç nanotechnologii opracowywanych z myÊlà o zastosowaniu w biomedycynie
pos∏uguje si´ miniaturowymi obiektami zanurzonymi we wzgl´dnie du˝ych iloÊciach

p∏ynu – wody, krwi lub rozmaitych roztworów doÊwiadczalnych. Badacze tworzà równie˝
urzàdzenia s∏u˝àce do manipulowania minimalnymi iloÊciami takich p∏ynów.
Te tzw. mikroprzep∏ywowe systemy wàskimi kana∏ami pompujà roztwory,
kontrolujàc ich ruch za pomocà bardzo ma∏ych zaworów i silnych pól elektrycznych.

Mo˝liwoÊç manipulowania znikomymi iloÊciami roztworu pozwala badaczom na

prowadzenie wielu rozmaitych, a co wa˝niejsze skutecznych doÊwiadczeƒ na ma∏ych
próbkach. Na jednym szkie∏ku mo˝na zrobiç setki testów. Mikroprzep∏ywowe urzàdzenia
umo˝liwiajà równie˝ wykonywanie eksperymentów, których nie da∏oby si´ inaczej
zrealizowaç, na przyk∏ad wprowadzanie testowanego roztworu o okreÊlonym sk∏adzie
do ró˝nych cz´Êci komórki.

Choç elementy tworzone w celu zastosowania ich w tych systemach sà na ogó∏ znacznie

wi´ksze od mikrometra, niektóre z eksperymentalnych urzàdzeƒ majà wymiary rz´du
nanometrów. Warto zauwa˝yç, ˝e zespó∏ Harolda G. Craigheada z Cornell University
opracowa∏ metod´ sortowania w wodzie fragmentów DNA rozmaitej wielkoÊci.
Wykorzystano ró˝nice w szybkoÊci pokonywania przez nie dystansu 100 nm
lub przejÊcia przez mikrokana∏y, które periodycznie zw´˝ajà si´ do 75–100 nm.
Te i inne nanoprzep∏ywowe urzàdzenia mogà skróciç czas trwania testu i obni˝yç koszty
rozdzielania czàsteczek DNA. Zapewne da∏oby si´ je równie˝ wykorzystaç do separacji
bia∏ek i innych zwiàzków.

konane na zamówienie dendrymery
uwalnia∏yby zatem zawarty w nich lek
w tych tkankach i narzàdach, które wy-
magajà leczenia.

Nad metodà dostarczania leków do

miejsc przeznaczenia w polimerowych
kapsu∏kach pracuje natomiast Helmut
Möhwald z Max-Planck Institut für
Kolloid- und Grenzflächenforschung w
Niemczech. W odpowiedzi na specyficz-
ny sygna∏ mogà one powi´kszaç si´ lub
zmniejszaç, uwalniajàc w ten sposób
lek. Równie niezwyk∏e sà nanoskorupki,
maleƒkie koraliki ze szk∏a pokrytego z∏o-
tem, wynalezione ostatnio przez badaczy
z Rice University. Mo˝na je tak zapro-
jektowaç, by poch∏ania∏y Êwiat∏o o nie-
mal ka˝dej d∏ugoÊci fali. Najbardziej in-
teresujàce sà jednak te, które reagujà
na bliskà podczerwieƒ, poniewa˝ wnika
ona ∏atwo na kilka centymetrów w g∏àb
tkanki. Wstrzykni´te do cia∏a nanosko-
rupki dajà si´ ogrzaç z zewnàtrz silnym
êród∏em tego promieniowania. Mo˝na
by∏oby je umieÊciç wewnàtrz kapsu∏ek
z termoczu∏ego polimeru wype∏nionych
czàsteczkami leku. P´kni´cie kapsu∏ki
i uwolnienie leku nast´powa∏oby w Êci-
Êle okreÊlonym momencie, po delikat-
nym ogrzaniu nanoskorupek promie-
niowaniem podczerwonym.

Wià˝emy du˝e nadzieje z u˝yciem

nanoskorupek do leczenia raka. Pomys∏
polega na zespoleniu pokrytych z∏otem
kulek z przeciwcia∏ami, które ∏àczà si´
tylko z komórkami nowotworowymi.
Odpowiednio ogrzane nanoskorupki
powinny zniszczyç komórki rakowe, nie
uszkadzajàc sàsiedniej tkanki.

OczywiÊcie, nie wiadomo, czy nano-

skorupki oka˝à si´ rzeczywiÊcie u˝ytecz-
ne. To samo mo˝na powiedzieç o mnó-
stwie innych nanoskopijnych Êrodków
opracowywanych na potrzeby medycy-
ny, m.in. polimerowych kulkach o Êred-
nicy nanometra, zawierajàcych kilka-
dziesiàt atomów w´gla. Prawdopodob-
nie jednak niektóre badane obecnie
obiekty znajdà zastosowanie w niedale-
kiej przysz∏oÊci. Jeszcze bardziej fascy-
nujàca jest perspektywa wykorzystania
nanoelementów do tworzenia wi´kszych
struktur, podobnie jak si´ to dzieje w na-
turalnych procesach biologicznych. Ma-
teria∏y takie pos∏u˝y∏yby do naprawy
uszkodzonej tkanki. Badania na tym po-
lu rozpocz´to niedawno, a ju˝ sà pierw-
sze sukcesy: rusztowania do hodowli ko-
Êci. W swej pionierskiej pracy Samuel
I. Stupp z Northwestern University u˝y-

wa syntetycznych czàsteczek tworzà-
cych w∏ókna, do których ch´tnie przyle-
gajà komórki koÊciotwórcze.

Jakie jeszcze cuda pojawià si´ w przy-

sz∏oÊci? Nanotechnolodzy nie wiedzà
wprawdzie, co i kiedy uda si´ im od-
kryç, postawili sobie jednak ambitne ce-
le. Jedno z wielkich wyzwaƒ National
Nanotechnology Initiative to opracowa-
nie metody wykrywania nowotwo-
rów w poczàtkowym stadium, kiedy
sk∏adajà si´ z kilku zaledwie komórek.
Badacze wierzà, ˝e uda si´ regenero-
waç nie tylko koÊci lub chrzàstki, lecz

równie˝ bardziej z∏o˝one narzàdy, wyko-
rzystujàc do tego celu sztuczne ruszto-
wania, które sterowa∏yby czynnoÊcià
wysianych komórek, a nawet wzrostem
rozmaitych ich typów. Dokonana tym
sposobem wymiana serca, nerek lub wà-
troby byç mo˝e nie dorównuje niezwy-
k∏oÊcià fikcyjnej technice z Fantastycznej
podró˝y

. Niemniej jednak nadzieja, ˝e

w niezbyt odleg∏ej przysz∏oÊci takie me-
tody leczenia si´ urzeczywistnià, budzi
du˝e emocje.

T∏umaczy∏

Stefan Kasicki

LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

63

ORGANICZNE DENDRYMERY

(artystyczna wizja powy˝ej) mogà byç mniej wi´cej wielkoÊci czà-

steczki bia∏ka. W ich wn´trzach jest wiele przestrzeni, w zwiàzku czym istnieje szansa na wyko-
rzystanie ich jako noÊników leków.

JEFF JOHNSON

Hybrid Medical Animation

Ultrasensitive Magnetic Biosensor for Homogeneous Immunoassay.

Y. R. Chemla, H. L. Gros-

sman, Y. Poon, R. McDermott, R. Stevens, M. D. Alper i J. Clarke; Proceedings of the National
Academy of Sciences USA

, tom 97, nr 27, s. 14 268-14 272; 19 XII 2000.

Strona internetowa autora:

www.cchem.berkeley.edu/~pagrp/

Informacje o zastosowaniu nanoczàstek z∏ota w testach DNA:

www.chem.nwu.edu/~mkngrp/dnasubgr.html

Informacje o nanoskorupkach:

www.ece.rice.edu/~halas/

Informacje o kropkach kwantowych i ich wykorzystaniu w biomedycynie:

www.qdots.com

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ