NANOMEDYCYNA
Ma"e
moŻe
wi´cej
ZAPEWNE PRODUKTY
NANOTECHNOLOGII NAJSZYBCIEJ
ZNAJDŃ ZASTOSOWANIE W DIAGNOSTYCE,
A BYå MOÚE NAWET LECZENIU
RÓÚNYCH CHORÓB
A. PAUL ALIVISATOS
Widzowie filmuFantastyczna podróŻ z 1966 ro- no to bardzo powaÅ»nie i zacz´to obawiaç si´ zagroÅ»eÅ‚
zwiÄ…-
ku mieli okazj´ obejrzeç Ęmia"Ä… wizj´ wykorzystania nano- zanych z tÄ… technikÄ…, sugerujÄ…c, Å»e samoodtwarzajÄ…ce si´ au-
technologii w medycynie. Zminiaturyzowana w tajemniczy tomaty nanometrowej wielkoĘci mogÄ… oszaleç i zniszczyç ca-
sposób supernowoczesna "ódÄ™ podwodna z nieustraszonymi "Ä… biosfer´.
lekarzami na pok"adzie pop"yn´"a naczyniami krwionoĘny- Wed"ug mnie i wi´kszoĘci innych badaczy, sÄ… to pomys"y
mi pacjenta, by usunÄ…ç zagraÅ»ajÄ…cy jego Å»yciu skrzep w mó- rodem z fantastyki naukowej. Niemniej nanotechnologia do-
zgu. W ciÄ…gu ostatnich 35 lat zrobiono wielkie post´py w wy- prowadzi zapewne do zwi´kszenia liczby i udoskonalenia me-
twarzaniu coraz bardziej zminiaturyzowanych i skompliko- tod stosowanych w badaniach biomedycznych. MoŻe na przy-
wanych urządzeł
. Niektórzy uwierzyli, Å»e medycyna rozwi- k"ad, dzi´ki stworzeniu nowych rodzajów znaczników, okazaç
nie si´ w tym kierunku i juÅ» wkrótce maleÅ‚
kie roboty b´dÄ… si´ pomocna przy opracowywaniu leków lub okreĘlaniu aktyw-
kursowaç naszymi Å»y"ami. W pewnych kr´gach potraktowa- noĘci poszczególnych genów w komórkach znajdujÄ…cych si´
w rozmaitych stanach metabolicznych. UrzÄ…dzenia nanome-
trowych rozmiarów znalaz"yby zapewne zastosowanie w szyb-
FIOLKI Z ROZTWORAMI kropek kwantowych  pó"przewodnikowych kich badaniach przesiewowych i testach genetycznych, po-
nanokryszta"ów  o ĘciĘle okreĘlonych rozmiarach (tu przedstawione
zwalajÄ…cych stwierdziç, jakie choroby zagraÅ»ajÄ… danej osobie,
w duÅ»ym powi´kszeniu). Barwa Ęwiat"a emitowanego przez kropk´
a w przypadku nowotworu wskazaç, które geny uleg"y mu-
kwantową po uprzednim naĘwietleniu zaleŻy od jej rozmiaru. Badacze
tacji. KorzystajÄ…c ze zdobyczy nanotechnologii, naukowcy
mogÄ… wi´c Ęledziç równoczeĘnie aktywnoĘç wielu waÅ»nych biologicznie
chcÄ… ulepszyç czynniki kontrastujÄ…ce stosowane w nieinwa-
cząsteczek, przy"ączając do nich róŻnej wielkoĘci kropki kwantowe.
LISTOPAD 2001 ÂWIAT NAUKI 57
Nanostruktury sÄ… niewÄ…tpliwie mniej fotogeniczne niÅ»
Raquel Welch w filmie Fantastyczna podróŻ,
lecz bardziej fascynujące i niezwykle poŻyteczne.
zyjnym obrazowaniu i stworzyç precy- dzie si´ na nieodpowiedniej g"´bokoĘci, (pokrycia) magnetyczne twardych dys-
zyjne noĘniki leków. PowstajÄ…ce techni- musi wróciç na w"aĘciwy poziom. JeÅ»e- ków o duÅ»ej g´stoĘci zapisu, przyj´li t´
ki nie sÄ… wprawdzie tak atrakcyjne, jak li w Ęrodowisku jest zbyt duÅ»o tlenu, po- samÄ… strategi´. UÅ»yli nanokryszta"ów
zminiaturyzowana do rozmiarów p"ytki winna zejĘç g"´biej, jeĘli zbyt ma"o  wy- magnetycznych o rozmiarach zapew-
krwi Raquel Welch, wycinajÄ…ca skrzep p"ynÄ…ç wyÅ»ej. Ale jak zawieszona w wo- niajÄ…cych stabilnoĘç domen i duÅ»y mo-
promieniem lasera, ale takÅ»e fascynu- dzie komórka odróŻnia gór´ od do"u, je- ment magnetyczny.
ją, gdyŻ p"ynące z nich korzyĘci dla pa- Ęli si"a ciąŻenia nie wywiera na nią prak- Sztuczne kryszta"y magnetyczne po-
cjentów i badaczy sÄ… (w odróŻnieniu od tycznie Å»adnego wp"ywu? dobnej wielkoĘci mogÄ… wkrótce znaleÄ™ç
treĘci filmu) ca"kiem realne. OdpowiedÄ™ jest prosta. W jej wn´trzu zastosowanie w badaniach biomedycz-
Jaka wi´c ma byç rola nanotechnolo- znajduje si´ "aÅ‚
cuch oko"o 20 magnetycz- nych. Nad wykorzystaniem magnetycz-
gii w realizacji tych pomys"ów? To za- nych kryszta"ów o Ęrednicy 35 120 nm, nych nanocząstek do wykrywania ta-
leÅ»y od jej definicji. MoÅ»na przyjÄ…ç, Å»e tworzÄ…cych miniaturowy kompas. Linie kich obiektów biologicznych, jak cho-
wszystko w biologii jest dzie"em nano- pola magnetycznego Ziemi są nachylone robotwórcze mikroorganizmy, pracu-
technologii. PrzecieÅ» nawet najbardziej do jej powierzchni w wi´kszoĘci miejsc jÄ… dwie grupy naukowców: niemiecka
skomplikowane istoty sk"adajÄ… si´ z ma- (na pó"kuli pó"nocnej wskazujÄ… nie tylko oraz amerykaÅ‚
ska w mojej macierzy-
leł
kich komórek, zbudowanych z nano- pó"noc, lecz skierowane są równieŻ w dó", stej placówce  University of California
metrowej wielkoĘci cegie"ek: bia"ek, a na po"udniowej do góry). Magnetotak- w Berkeley.
t"uszczów, kwasów nukleinowych i in- tyczna bakteria moÅ»e wi´c podÄ…Å»aç we Stosowana przez nie metoda, podob-
nych z"oŻonych cząsteczek organicz- w"aĘciwym kierunku wzd"uŻ linii pola nie jak wiele innych wspó"czesnych tech-
nych. Jednak zwyczajowo stosuje si´ ter- magnetycznego. nik, wymaga wykorzystania przeciwcia"
min  nanotechnologia do metod wy- Jej kompas to cudo biologicznej na- (sond), które wiąŻą si´ z okreĘlonymi
twarzania sztucznych konstrukcji wy- noinŻynierii. Zbudowany jest z idealne- antygenami (celami). Cząstki magne-
konanych na przyk"ad z pó"przewodni- go materia"u: magnetytu lub greigitu  tyczne (znaczniki) do"Ä…cza si´ do czÄ…-
ków, metali, tworzyw sztucznych lub wysoce magnetycznych minera"ów. steczek wybranego przeciwcia"a (zna-
szk"a. Kilka nieorganicznych nanostruk- RównieŻ nieprzypadkowe jest uŻycie kuje sondy), po czym wprowadza do
tur, jak niewielkie kryszta"y, juÅ» znala- wielu kryszta"ów. Im wi´ksze sÄ… mikro- badanej próbki. Nast´pnie poddaje si´ je
z"o zastosowanie praktyczne, w wi´k- skopijne czÄ…stki magnetyczne, tym d"u- dzia"aniu silnego pola magnetycznego
szoĘci jako czynniki kontrastujące. Żej zachowują stan namagnesowania. (chwilowo namagnesowującego cząst-
JeĘli jednak sÄ… zbyt duÅ»e, tworzÄ… samo- ki), by stwierdziç  za pomocÄ… aparatu-
PrzyciÄ…ganie magnetyczne istnie dwie oddzielne domeny o prze- ry, której czu"oĘç pozwala zarejestro-
W PRZYRODZIE moÅ»na znaleÄ™ç wspania- ciwnie skierowanych momentach ma- waç s"abe pola magnetyczne  czy
"y przyk"ad przydatnoĘci tego typu nie- gnetycznych. Taki kryszta" ma niewielkie przeciwcia"a po"Ä…czy"y si´ z odpowied-
organicznych kryszta"ów. ÚyjÄ…ce w namagnesowanie ca"kowite i nie jest nimi antygenami. Te, które tego nie zro-
zbiornikach wodnych w pobliÅ»u b"otni- zbyt czu"ym kompasem. Bakteria dzi´- bi"y, poruszajÄ… si´ w roztworze tak szyb-
stego dna magnetotaktyczne (reagują- ki temu, Że ma kompas zbudowany ko, Że nie wytwarzają mierzalnego
ce na pole magnetyczne) bakterie naj- z kryszta"ów odpowiedniej wielkoĘci, sygna"u. Nie ma zatem potrzeby ich usu-
lepiej prosperujÄ… na okreĘlonej g"´bo- korzysta ze stabilnej, pojedynczej do- wania, co na ogó" jest niezb´dne w in-
koĘci wody lub osadów. PowyÅ»ej st´Å»e- meny magnetycznej, optymalnie wyko- nych metodach, a bardzo czasoch"on-
nie tlenu jest dla nich za wysokie, zaĘ rzystując kaŻdy zdobyty atom Żelaza. ne. Związane przeciwcia"a nie mogą
poniÅ»ej  za niskie. Bakteria, która znaj- Ciekawe, Å»e ludzie tworzÄ…c noĘniki poruszaç si´ chaotycznie, wi´c ich
znaczniki generują wspólnie wykrywal-
ne pole magnetyczne. Czu"oĘç tej meto-
dy juÅ» teraz jest lepsza niÅ» standardo-
PrzeglÄ…d / Nanomedycyna
wych, a zapewne wkrótce przewyŻszy
n n
Nieorganiczne nanoobiekty b´dÄ… NanoczÄ…stki moÅ»na wykorzystaç je pod tym wzgl´dem kilkaset razy.
przydatne w badaniach biomedycznych, do podawania leków dok"adnie tam,
Pomimo tych korzyĘci metoda magne-
diagnozowaniu, a nawet leczeniu gdzie sÄ… potrzebne. Dzi´ki temu unikamy
tyczna prawdopodobnie nie zastÄ…pi po-
chorób. dzia"ał
niepoŻądanych, cz´sto
wszechnie stosowanego znakowania
n
Testy biologiczne na obecnoĘç lub wywo"ywanych przez silne medykamenty.
sond znacznikami fluorescencyjnymi 
n
aktywnoĘç poszukiwanych substancji Byç moÅ»e sztucznie wykonane
czÄ…steczkami organicznymi emitujÄ…cy-
sÄ… szybsze, czulsze i elastyczniejsze, nanoelementy wykorzysta si´ kiedyĘ
mi Ęwiat"o o ĘciĘle okreĘlonej d"ugoĘci
gdy jako znaczniki zastosujemy do naprawy skóry, chrząstek i koĘci,
fali, a wi´c i o charakterystycznej bar-
nanocząstki. a nawet do regeneracji ca"ych narządów.
wie, gdy wzbudzi si´ je odpowiednim
58 ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001
OBRAZ FELICE FRANKEL; TECHNICZNEJ POMOCY UDZIELILI K. F. JENSEN,
M. G. BAWENDI, C. MURRAY, C. KAGAN, B. DABBOUSI, J. RODRIGUEZ-VIEGO
MIT (na stronie 56)
WIELKIE ZAMIERZENIA MEDYCYNY
ednym z priorytetów National 2
CEL: nowe metody leczenia
JNanotechnology Initiative
(NNI  Narodowej Inicjatywy
Nanotechnologicznej) jest
NOWOTWÓR
udoskonalenie metod
wykrywania, rozpoznawania
i leczenia chorób. Niektóre
zadania przedstawiono poniŻej.
NANOSKORUPKA
Inne, których na razie nie uda"o
si´ zrealizowaç, to stworzenie
Ęrodków likwidujących wady
wzroku i s"uchu, szybkich
NanoczÄ…stki b´dÄ… dostarczaç leki do ĘciĘle
testów na skutecznoĘç leków,
okreĘlonych miejsc, nawet takich, gdzie zwyk"e
jak równieŻ miniaturowych
lekarstwa docierają z trudem. Nowotwory moŻna
urządzeł
do wykrywania
takÅ»e niszczyç za pomocÄ… skierowanych do nich
pierwszych stadiów niektórych
z"otych nanoskorupek (kulki) po podgrzaniu ich
chorób (np. schorzeł
serca,
promieniowaniem podczerwonym.
zakaŻeł
i nowotworów).
UrzÄ…dzenia te przekazywa"yby
informacje do zewn´trznego
odbiornika lub znakowa"y
chore miejsca.
3
CEL: doskona"e wszczepy
KOÂå
1
CEL: udoskonalone obrazowanie
Lepsze lub nowe czynniki kontrastujÄ…ce
b´dÄ… pomocne w wykryciu choroby
WSZCZEP POKRYTY
we wczesnym stadium, kiedy "atwiej
NANOCZŃSTKAMI
jÄ… wyleczyç, na przyk"ad nowotworu
(czerwony), gdy sk"ada si´ z kilku
zaledwie komórek.
Nanomodyfikacje powierzchni implantu zwi´kszÄ…
jego trwa"oĘç i zgodnoĘç biologicznÄ…, na przyk"ad
sztuczny staw biodrowy pokryty nanoczÄ…steczkami
znacznie mocniej zwiÄ…Å»e si´ z otaczajÄ…cÄ… go koĘciÄ….
promieniowaniem Ęwietlnym. Kolory są nokryszta"ów magnetycznych, równieŻ nia na okreĘlonych poziomach energe-
bardzo przydatne w rozmaitych proce- mogÄ… oddaç biomedykom duÅ»e us"ugi. tycznych. CzÄ…steczka barwnika orga-
durach diagnostycznych i badawczych, Kropki kwantowe, jak wskazuje na- nicznego poch"ania fotony Ęwiat"a jedy-
gdy równoczeĘnie trzeba rozróŻniç kil- zwa, wyjÄ…tkowe w"aĘciwoĘci zawdzi´- nie o energii odpowiedniej do prze-
ka sond. czają niezwyk"ym prawom mechaniki niesienia elektronów z poziomów stanu
Wspó"czesna elektronika równieÅ» cz´- kwantowej  tym samym, które zmusza- niewzbudzonego na jeden z wyÅ»szych,
sto si´ga po elementy emitujÄ…ce Ęwia- jÄ… elektrony w atomach do przebywa- dost´pnych im poziomów energetycz-
t"o. KaŻdy odtwarzacz p"yt CD wyko-
rzystuje Ęwiat"o diody laserowej wyko-
nanej z nieorganicznych pó"przewodni-
A. PAUL ALIVISATOS jest profesorem na Wydziale Chemii University of California w Berke-
ków. Z takich materia"ów moŻna wyci-
ley, gdzie w 1986 roku uzyska" stopieł
doktora chemii fizycznej, oraz cz"onkiem American
naç kulki wielkoĘci czÄ…steczki bia"ka.
Association for the Advancement of Science i American Physical Society. Otrzyma" wiele na-
W efekcie powstają pó"przewodnikowe
gród za badanie fizycznych w"aĘciwoĘci nanokryszta"ów. Jest za"oŻycielem Quantum Dot Cor-
nanokryszta"y, czyli tzw. kropki kwanto-
poration, która pracuje nad wykorzystaniem pó"przewodnikowych nanokryszta"ów jako znacz-
we. Te maleł
kie struktury, wielkoĘci na- ników fluoroscencyjnych w testach biomedycznych.
LISTOPAD 2001 ÂWIAT NAUKI 59
O AUTORZE
JEFF JOHNSON
Hybrid Medical Animation
Lek umieszczony we wn´trzu nanokapsu"ek,
uwalniających go w ĘciĘle okreĘlony sposób,
móg"by staç si´ znacznie skuteczniejszy.
nych. Prac´ takÄ… moÅ»e wi´c wykonaç fotony, których energia przekracza prze- znaczników barwnych musi byç pobu-
tylko Ęwiat"o o odpowiedniej d"ugoĘci rw´ energetycznÄ…. D"ugoĘç fali emito- dzany Ęwiat"em o innej d"ugoĘci fali.
fali (kolorze). Nast´pnie, gdy elektron wanego przez nie Ęwiat"a (czyli kolor) Kropki kwantowe umoÅ»liwiajÄ… nato-
wraca na niŻszy poziom energetyczny, jest jednak silnie uzaleŻniona od wiel- miast znakowanie wielu róŻnych czą-
wzbudzona cząsteczka emituje foton. koĘci kropki. Dlatego z jednego pó"- steczek za pomocą kryszta"ów rozma-
Zjawisko to róŻni si´ od zachodzÄ…cego przewodzÄ…cego materia"u moÅ»na otrzy- itej wielkoĘci, a wi´c o odmiennych ko-
w pó"przewodnikach, w których elek- maç wiele znaczników o rozmaitych lorach Ęwiecenia. MoÅ»na je wzbudziç,
trony zewn´trzne mogÄ… zajmowaç licz- barwach. stosujÄ…c jedno Ä™ród"o Ęwiat"a, i monito-
ne poziomy w dwóch szerokich pa- Badaniem kropek kwantowych fizy- rowaç wszystkie równoczeĘnie.
smach energetycznych. Takie substancje cy zaj´li si´ w latach siedemdziesiÄ…tych, Metoda ta jest przedmiotem intensyw-
poch"aniają fotony o barwach z szero- sądząc, Że któregoĘ dnia umoŻliwi to nych badał
, ale kropki kwantowe mogÄ…
kiego zakresu (jeÅ»eli fotony te majÄ… doĘç skonstruowanie nowych urzÄ…dzeÅ‚
elek- znaleÄ™ç jeszcze inne interesujÄ…ce zasto-
energii, by pokonaç przerw´ energetycz- tronicznych lub optycznych. Niewielu sowania. WyobraÄ™my sobie malutki la-
nÄ… mi´dzy pasmami). Jednak emitujÄ… myĘla"o o zastosowaniu tych obiektów teksowy koralik wype"niony rozmaity-
tylko Ęwiat"o o okreĘlonej, odpowiadają- w diagnostyce chorób lub do opracowa- mi kropkami kwantowymi, na przyk"ad
cej tej przerwie d"ugoĘci fali. Kropki nia nowych leków. Nikt nie mia" poj´- w pi´ciu rozmiarach (a wi´c ĘwiecÄ…cych
kwantowe to przypadek poĘredni. Po- cia, Å»e kropki kwantowe pierwsze za- w pi´ciu kolorach) i w róŻnych iloĘciach.
dobnie jak pó"przewodniki poch"aniają stosowanie znajdą w biologii i medy- Gdy zostanie on naĘwietlony, wyemitu-
cynie. Stworzenie takich kropek spraw- je Ęwiat"o, które po przepuszczeniu
nie dzia"ajÄ…cych w uk"adach biologicz- przez pryzmat utworzy widmo, sk"ada-
nych trwa"o jednak wiele lat. jÄ…ce si´ z pi´ciu prÄ…Å»ków, kaÅ»dy o okre-
Ęlonej intensywnoĘci. Nazwijmy je wid-
T´czowa koalicja mowym kodem paskowym. Z takich ko-
QUANTUM DOT CORPORATION, firma wiodÄ…- ralików moÅ»na utworzyç olbrzymiÄ…
ca prym w komercjalizacji tej techniki, liczb´ znaczników (nawet miliardy),
uzyska"a koncesj´ na wykorzystanie me- a kaÅ»dy z nich do"Ä…czyç do innej czÄ…-
tod opracowanych w moim laborato- steczki DNA.
rium w Massachusetts Institute of Tech- JeÅ»eli badacz chcia"by ustaliç, które
nology oraz w Indiana University, geny są aktywne w danych komórkach
Lawrence Berkeley National Laborato- lub tkankach, to korzystajÄ…c z zestawu
ry i University of Melbourne w Austra- takich koralików móg"by bez trudu po-
lii. Pomog"em za"oÅ»yç t´ firm´, dlatego równaç materia" genetyczny w badanej
moja ocena moÅ»e byç stronnicza. Uwa- próbce z wykazem znanych sekwencji
Żam jednak, Że kropki kwantowe czeka DNA. Odczyta"by widmowe kody pasko-
wspania"a przysz"oĘç. we identyfikujÄ…ce te, z którymi zwiÄ…za-
Znakowanie nanokryszta"ami pó"prze- "y si´ w próbce odpowiednie koraliki.
wodnikowymi ma wiele zalet w porów- Takie po"ączenie zachodzi jedynie wów-
naniu z tradycyjnym znakowaniem czÄ…- czas, gdy sekwencje genetyczne dok"ad-
steczkami klasycznych barwników. Ma"e nie sobie odpowiadają (czyli kiedy jed-
kryszta"y nieorganiczne mogÄ… przetrwaç na sekwencja jest komplementarna z
znacznie wi´cej cykli wzbudzania i emi- drugÄ…). Wynik badania pozwoli"by na-
sji Ęwiat"a niÅ» typowe czÄ…steczki orga- tychmiast ustaliç natur´ badanego ma-
niczne, które szybko si´ rozpadajÄ…. Ta teria"u genetycznego.
trwa"oĘç pozwoli Ęledziç zdarzenia za- Pó"przewodnikowe kropki kwanto-
chodzÄ…ce w komórkach i tkankach d"u- we juÅ» wkrótce stanÄ… si´ pomocne na-
Żej niŻ to obecnie moŻliwe. Lecz naj- ukowcom, lecz nie są jedynymi nano-
wi´ksza korzyĘç ze stosowania pó"prze- strukturami mogÄ…cymi s"uÅ»yç do optycz-
wodnikowych nanokryszta"ów to bogac- nego rozpoznawania sk"adu genetycz-
KORALIKI Z LATEKSU niemal nie zmieniajÄ…
d"ugoĘci fali Ęwiat"a emitowanego przez
two barw znaczników. nego badanej próbki. Chad A. Mirkin
wype"niające je kropki kwantowe. Barwa Ęwiat"a
Uk"ady biologiczne są bardzo z"oŻone i Robert L. Letsinger z Northwestern
zaleŻy od wymiarów kropek. Umieszczając w
i cz´sto trzeba obserwowaç kilka ich University opracowali ostatnio pomy-
koraliku zestaw odpowiednio dobranych kropek,
sk"adników równoczeĘnie. Trudno to s"owÄ… metod´ wykrywania obecnoĘci
moÅ»na stworzyç znacznik odpowiadajÄ…cy po
oĘwietleniu kilkoma kolorami Ęwiat"a. osiÄ…gnÄ…ç, gdyÅ» kaÅ»dy z organicznych okreĘlonych sekwencji genetycznych
60 ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001
SHUMING NIE
Indiana University
NANOBIOTECHNOLOGIA W DZIA¸ANIU
rzedstawione tu nanoobiekty pewnego dnia pozwolÄ…
Pzwi´kszyç szybkoĘç i skutecznoĘç testów biomedycznych,
uŻywanych na przyk"ad do badał
przesiewowych ma"ych próbek
na obecnoĘç konkretnych sekwencji genetycznych. Na rysunkach
SONDA DNA
nie zachowano skali, aby zapewniç ich przejrzystoĘç.
NANOCZŃSTKA
Z¸OTA
PRZECIWCIA¸O
MAGNETYCZNA
NANOCZŃSTKA
KIERUNEK WEKTORA
MAGNETYCZNEGO
DNA
DOCELOWE
PRZECIWCIA¸O
ZWIŃZANE Z CELEM
ZNACZNIKI MAGNETYCZNE
Wiele testów ujawnia obecnoĘç rozmaitych czÄ…steczek lub CZŃSTKI Z¸OTA
drobnoustrojów chorobotwórczych, wykrywając ich po"ączenie Nanocząstki z"ota przyczepione do krótkich "ał
cuchów DNA
z odpowiednimi przeciwcia"ami. Gdy oznakowane magnetycznymi mogÄ… u"atwiç wykrycie w badanej próbce okreĘlonych sekwencji
nanoczÄ…stkami przeciwcia"a wiąŻą si´ ze swymi celami (pierwszy genetycznych (czarny). Testowy roztwór b´dzie zawiera"
plan), krótkotrwa"a ekspozycja na pole magnetyczne powoduje oznakowane tym szlachetnym metalem "ał
cuchy DNA,
wys"anie przez nie wyraęnego sygna"u magnetycznego. W tym komplementarne zarówno do jednej (czerwony), jak i drugiej
samym czasie nie zwiÄ…zane przeciwcia"a poruszajÄ… si´ we (niebieski) po"owy poszukiwanej sekwencji. JeÅ»eli znajduje si´
wszystkich kierunkach, nie emitujÄ…c mierzalnego sygna"u ona w próbce, po"Ä…czy si´ z oznakowanymi "aÅ‚
cuchami DNA
wypadkowego. UmoŻliwia to wykonanie badał
bez koniecznoĘci obu rodzajów, tworzÄ…c g´stÄ… sieç z uwi´zionymi w niej licznymi
czasoch"onnego usuwania znaczników, które nie po"Ä…czy"y si´ kuleczkami z"ota, co spowoduje zmian´ zabarwienia roztworu
ze swoimi celami. (z czerwonego na niebieski).
KROPKI KWANTOWE
DNA
Z PRÓBKI
SONDA
DNA
KORALIK
UGIóTY
WSPORNIK
SPRYTNE WSPORNIKI
W materiale biologicznym moÅ»na wykryç konkretne sekwencje
genetyczne za pomocą ma"ych beleczek-wsporników, podobnych NANOKODY PASKOWE
do stosowanych w mikroskopie si" atomowych. KaŻdą z nich Koraliki lateksowe wype"nione nanokryszta"kami pó"przewodnika
pokrywa si´ czÄ…steczkami DNA mogÄ…cymi wiÄ…zaç si´ z jednÄ…,  kwantowymi kropkami o odmiennych charakterystykach
szczególnÄ… sekwencjÄ…. Na tak przygotowane wsporniki podaje si´ (wymiarach, a wi´c i barwach emitowanego Ęwiat"a)  mogÄ… s"uÅ»yç
próbk´. Po"Ä…czenie poszukiwanych czÄ…steczek z warstwÄ… DNA na jako widmowe kody paskowe (charakterystyczne znaczniki optyczne)
powierzchni beleczki zwi´ksza jej mas´ i wspornik ugina si´ o kilka dla dowolnej liczby róŻnych sond. Po oĘwietleniu  ujawniÄ… si´
nanometrów. Nie jest to duÅ»o, pozwala jednak stwierdziç, Å»e DNA (a tym samym i po"Ä…czone z nimi sondy), emitujÄ…c Ęwiat"o, które
na odchylonej beleczce zwiÄ…za" si´ z konkretnymi celami w próbce. moÅ»na rozszczepiç na okreĘlone kolory o rozmaitej intensywnoĘci.
LISTOPAD 2001 ÂWIAT NAUKI 61
JEFF JOHNSON
Hybrid Medical Animation
w roztworach, wykorzystujÄ…c do tego cienkie i sztywne, okaza"o si´ niestety (o nanometry), co moÅ»na wykryç. Kon-
celu znakowanie DNA czÄ…stkami z"ota trudne. struujÄ…c urzÄ…dzenia z wieloma takimi
o rozmiarach 13 nm. RozwiÄ…zanie znaleziono w 1996 ro- wspornikami i pokrywajÄ…c je rozmaitymi
Polega ona na uÅ»yciu dwóch zesta- ku: pracownicy Rice University przy- rodzajami DNA, b´dzie moÅ»na szyb-
wów oznakowanych z"otem "ał
cuchów mocowali maleł
kÄ… nanorurk´ w´glowÄ… ko przebadaç próbk´ materia"u biolo-
DNA. Pierwsze "Ä…czÄ… si´ z jednÄ… po"o- do czubka sondy mikroskopu si" atomo- gicznego na obecnoĘç specyficznych se-
wÄ… szukanej sekwencji, drugie  z po- wych, dzi´ki czemu moÅ»na by"o badaç kwencji genów (obecnie wykorzystuje si´
zosta"ą. Cząsteczki DNA o pe"nej se- próbki wielkoĘci zaledwie kilku nano- do tego celu bioczujniki DNA [patrz:
kwencji wiąŻą si´ "atwo z obydwoma metrów. W 1998 roku Charles M. Lie- TECHNIKA I BIZNES  Superczu"y bio-
rodzajami oznakowanych "ał
cuchów ber oraz jego wspó"pracownicy z Har- czujnik ; Âwiat Nauki, maj 2000]) bez po-
DNA, spajajÄ…c je w ca"oĘç. Kiedy czÄ…st- vard University zastosowali t´ metod´ trzeby ich znakowania, a jedynie za po-
ki z"ota "Ä…czÄ… si´, tworzÄ…c wi´ksze dro- do badania z"oÅ»onych czÄ…steczek orga- mocÄ… urzÄ…dzeÅ‚
nanomechanicznych.
biny, ich w"aĘciwoĘci optyczne wyraę- nicznych i ich oddzia"ywał
, sÄ…dzÄ…c, Å»e Jak widaç, osiÄ…gni´cia nanotechno-
nie si´ zmieniajÄ…: barwa roztworu z wysoka rozdzielczoĘç umoÅ»liwi im uzy- logii nie zawsze da si´ bezpoĘrednio
czerwonej zmienia si´ w niebieskÄ…. A za- skanie odpowiedzi na wi´kszoĘç pod- zastosowaç w kuracji  s"uŻą przede
tem wynik testu "atwo dostrzec go"ym stawowych pytał
. wszystkim do celów badawczych i dia-
okiem. Metod´ t´ moÅ»na by nawet wy- Techniki zastosowane w mikroskopie gnostycznych. Jednak w niektórych
korzystaç do przeprowadzania testów si" atomowych mogÄ… wkrótce zostaç wy- przypadkach mogÄ… si´ okazaç przydat-
DNA w domu. korzystane do innych celów niŻ pomiary. ne takŻe w terapii. Zawarty na przyk"ad
W zesz"ym roku James K. Gimzewski, w nanokapsu"ce lek uwalnia"by si´ w Ęci-
Poczucie mocy zatrudniony wówczas w Laborato- Ęle okreĘlonym miejscu i czasie, co za-
DYSKUSJA O NANOBIOTECHNOLOGII by"a- rium Badawczym IBM w Zurichu, oraz pewnia"oby jego najwi´kszÄ… skutecznoĘç
by niepe"na, gdybyĘmy nie wspomnieli pracownicy IBM i Uniwersytetu w Ba- i najs"absze dzia"anie niepoŻądane.
o jednym z najbardziej nowoczesnych zylei wykazali, Å»e uk"ad mikronowej wiel- Przyjrzyjmy si´ klasie sztucznych czÄ…-
urządzeł
wspó"czesnej nauki  mikro- koĘci beleczek (wsporników), podobnych steczek zwanych organicznymi dendry-
skopie si" atomowych. Dzia"a on na po- do uŻywanych w mikroskopie si" atomo- merami. Przed 20 laty Donald A. Toma-
dobnej zasadzie jak staroĘwiecki gra- wych, moÅ»na wykorzystaç do badania lia z Michigan Molecular Institute
mofon, który odczytywa" rowki w p"y- próbek na obecnoĘç konkretnych sekwen- w Midlandzie opracowa" pierwszÄ… takÄ…
cie, sunÄ…c ostrÄ… ig"Ä… po jej powierzch- cji genetycznych. W tym celu do wierzchu struktur´. CzÄ…steczka dendrymeru roz-
ni. Czubek sondy mikroskopu si" ato- wspornika przymocowano krótkie "ał
- ga"´zia si´ od Ęrodka na zewnÄ…trz.
mowych jest jednak duŻo ostrzejszy niŻ cuchy DNA. Gdy materia" genetyczny za- Kszta"tem przypomina wiele ga"ązek we-
ig"a gramofonu, moÅ»e wi´c wykrywaç wierajÄ…cy komplementarnÄ… sekwencj´ tkni´tych w kostk´ myd"a, tak by ster-
znacznie subtelniejsze struktury. Wy- po"Ä…czy si´ z tymi zakotwiczonymi "aÅ‚
- cza"y na wszystkie strony. Dendryme-
twarzanie sond, które by"yby zarazem cuchami, wspornik delikatnie si´ ugnie ry sÄ… kulistymi czÄ…steczkami wielkoĘ-
ci przeci´tnego bia"ka, jednak nie roz-
padajÄ… si´ ani nie rozwijajÄ… tak "atwo,
gdyÅ» sÄ… po"Ä…czone silnymi wiÄ…zaniami
Mikrohydraulika
chemicznymi.
Podobnie jak w zwartej pozornie ko-
Od przep"ywów mikro do nano
ronie drzewa, równieŻ wewnątrz czą-
i´kszoĘç nanotechnologii opracowywanych z myĘlÄ… o zastosowaniu w biomedycynie
steczek dendrymerów jest pusta prze-
Wpos"uguje si´ miniaturowymi obiektami zanurzonymi we wzgl´dnie duÅ»ych iloĘciach
strzeł
. Zdumiewające, Że moŻna je
p"ynu  wody, krwi lub rozmaitych roztworów doĘwiadczalnych. Badacze tworzą równieŻ
konstruowaç tak, by przestrzeÅ‚
ta mia-
urządzenia s"uŻące do manipulowania minimalnymi iloĘciami takich p"ynów.
"a mniejszÄ… lub wi´kszÄ… obj´toĘç, dopa-
Te tzw. mikroprzep"ywowe systemy wÄ…skimi kana"ami pompujÄ… roztwory,
sowaną do rozmiarów zawartego w niej
kontrolując ich ruch za pomocą bardzo ma"ych zaworów i silnych pól elektrycznych.
leku. Za ich pomocą moŻna równieŻ
MoÅ»liwoĘç manipulowania znikomymi iloĘciami roztworu pozwala badaczom na
wprowadzaç DNA do komórek, które
prowadzenie wielu rozmaitych, a co waŻniejsze skutecznych doĘwiadczeł
na ma"ych
chcemy poddaç terapii genowej. Powin-
próbkach. Na jednym szkie"ku moÅ»na zrobiç setki testów. Mikroprzep"ywowe urzÄ…dzenia
umoÅ»liwiajÄ… równieÅ» wykonywanie eksperymentów, których nie da"oby si´ inaczej ny byç bezpieczniejsze dla pacjentów
zrealizowaç, na przyk"ad wprowadzanie testowanego roztworu o okreĘlonym sk"adzie niÅ» stosowane obecnie wektory (zmody-
do róŻnych cz´Ä˜ci komórki.
fikowane genetycznie wirusy).
Choç elementy tworzone w celu zastosowania ich w tych systemach sÄ… na ogó" znacznie
Inne rodzaje nanostruktur o rozbu-
wi´ksze od mikrometra, niektóre z eksperymentalnych urzÄ…dzeÅ‚
majÄ… wymiary rz´du
dowanej powierzchni teÅ» zapewne da
nanometrów. Warto zauwaÅ»yç, Å»e zespó" Harolda G. Craigheada z Cornell University
si´ wykorzystaç jako noĘniki leków. Den-
opracowa" metod´ sortowania w wodzie fragmentów DNA rozmaitej wielkoĘci.
drymerami naj"atwiej si´ jednak pos"u-
Wykorzystano róŻnice w szybkoĘci pokonywania przez nie dystansu 100 nm
giwaç i majÄ… najwi´cej zastosowaÅ‚
. Byç
lub przejĘcia przez mikrokana"y, które periodycznie zw´Å»ajÄ… si´ do 75 100 nm.
moÅ»e uda si´ je tak zaprojektowaç, by
Te i inne nanoprzep"ywowe urzÄ…dzenia mogÄ… skróciç czas trwania testu i obniÅ»yç koszty
wch"on´"y, a nast´pnie uwolni"y Żąda-
rozdzielania czÄ…steczek DNA. Zapewne da"oby si´ je równieÅ» wykorzystaç do separacji
bia"ek i innych zwiÄ…zków. nÄ… substancj´ tylko w obecnoĘci pew-
nych wyzwalajÄ…cych czÄ…steczek. Wy-
62 ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001
konane na zamówienie dendrymery
uwalnia"yby zatem zawarty w nich lek
w tych tkankach i narządach, które wy-
magajÄ… leczenia.
Nad metodą 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" mogÄ… one powi´kszaç si´ lub
zmniejszaç, uwalniajÄ…c w ten sposób
lek. Równie niezwyk"e są nanoskorupki,
maleł
kie koraliki ze szk"a pokrytego z"o-
tem, wynalezione ostatnio przez badaczy
z Rice University. MoŻna je tak zapro-
jektowaç, by poch"ania"y Ęwiat"o o nie-
mal kaŻdej d"ugoĘci fali. Najbardziej in-
teresujące są jednak te, które reagują
na bliską podczerwieł
, poniewaÅ» wnika
ona "atwo na kilka centymetrów w g"ąb
tkanki. Wstrzykni´te do cia"a nanosko-
rupki dajÄ… si´ ogrzaç z zewnÄ…trz silnym
ęród"em tego promieniowania. MoŻna
by"oby je umieĘciç wewnÄ…trz kapsu"ek
z termoczu"ego polimeru wype"nionych
czÄ…steczkami leku. P´kni´cie kapsu"ki
i uwolnienie leku nast´powa"oby w Ęci-
Ęle okreĘlonym momencie, po delikat-
nym ogrzaniu nanoskorupek promie-
niowaniem podczerwonym.
WiąŻemy duŻe nadzieje z uŻyciem
nanoskorupek do leczenia raka. Pomys"
ORGANICZNE DENDRYMERY (artystyczna wizja powyÅ»ej) mogÄ… byç mniej wi´cej wielkoĘci czÄ…-
polega na zespoleniu pokrytych z"otem
steczki bia"ka. W ich wn´trzach jest wiele przestrzeni, w zwiÄ…zku czym istnieje szansa na wyko-
kulek z przeciwcia"ami, które "Ä…czÄ… si´
rzystanie ich jako noĘników leków.
tylko z komórkami nowotworowymi.
Odpowiednio ogrzane nanoskorupki
powinny zniszczyç komórki rakowe, nie wa syntetycznych czÄ…steczek tworzÄ…- równieÅ» bardziej z"oÅ»one narzÄ…dy, wyko-
uszkadzajÄ…c sÄ…siedniej tkanki. cych w"ókna, do których ch´tnie przyle- rzystujÄ…c do tego celu sztuczne ruszto-
OczywiĘcie, nie wiadomo, czy nano- gają komórki koĘciotwórcze. wania, które sterowa"yby czynnoĘcią
skorupki okaŻą si´ rzeczywiĘcie uÅ»ytecz- Jakie jeszcze cuda pojawiÄ… si´ w przy- wysianych komórek, a nawet wzrostem
ne. To samo moÅ»na powiedzieç o mnó- sz"oĘci? Nanotechnolodzy nie wiedzÄ… rozmaitych ich typów. Dokonana tym
stwie innych nanoskopijnych Ęrodków wprawdzie, co i kiedy uda si´ im od- sposobem wymiana serca, nerek lub wÄ…-
opracowywanych na potrzeby medycy- kryç, postawili sobie jednak ambitne ce- troby byç moÅ»e nie dorównuje niezwy-
ny, m.in. polimerowych kulkach o Ęred- le. Jedno z wielkich wyzwał
National k"oĘcią fikcyjnej technice z Fantastycznej
nicy nanometra, zawierających kilka- Nanotechnology Initiative to opracowa- podróŻy. Niemniej jednak nadzieja, Że
dziesiÄ…t atomów w´gla. Prawdopodob- nie metody wykrywania nowotwo- w niezbyt odleg"ej przysz"oĘci takie me-
nie jednak niektóre badane obecnie rów w poczÄ…tkowym stadium, kiedy tody leczenia si´ urzeczywistniÄ…, budzi
obiekty znajdÄ… zastosowanie w niedale- sk"adajÄ… si´ z kilku zaledwie komórek. duÅ»e emocje.
kiej przysz"oĘci. Jeszcze bardziej fascy- Badacze wierzÄ…, Å»e uda si´ regenero-
T"umaczy"
nujÄ…ca jest perspektywa wykorzystania waç nie tylko koĘci lub chrzÄ…stki, lecz Stefan Kasicki
nanoelementów do tworzenia wi´kszych
struktur, podobnie jak si´ to dzieje w na-
JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WIóCEJ
turalnych procesach biologicznych. Ma-
teria"y takie pos"uŻy"yby do naprawy 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
uszkodzonej tkanki. Badania na tym po-
Academy of Sciences USA, tom 97, nr 27, s. 14 268-14 272; 19 XII 2000.
lu rozpocz´to niedawno, a juÅ» sÄ… pierw-
Strona internetowa autora: www.cchem.berkeley.edu/~pagrp/
Informacje o zastosowaniu nanoczÄ…stek z"ota w testach DNA:
sze sukcesy: rusztowania do hodowli ko-
www.chem.nwu.edu/~mkngrp/dnasubgr.html
Ęci. W swej pionierskiej pracy Samuel
Informacje o nanoskorupkach: www.ece.rice.edu/~halas/
I. Stupp z Northwestern University uŻy- Informacje o kropkach kwantowych i ich wykorzystaniu w biomedycynie: www.qdots.com
LISTOPAD 2001 ÂWIAT NAUKI 63
JEFF JOHNSON
Hybrid Medical Animation