Электричество органических молекул

Два электрода, подведенные к молекуле фермента, синтезирующего ДНК (желтая и зеленая цепи). Иллюстрация Physorg

Электронщики Национального университета Сингапура обнародовали свое очередное достижение – квантовый чип размером чуть более 3 мм, что в 1000 раз меньше ныне существующих. Он может использоваться в системах связи с повышенным уровнем безопасности.

Протеины – хорошие изоляторы. Поэтому, кстати, ороговевшие частицы кожи тока не проводят. В мозге белково-жировые (миелиновые) оболочки надежно изолируют нервные отростки, и нарушение этих оболочек приводит к нейродегенеративным заболеваниям, рассеянному склерозу в частности. В то же время нервные импульсы генерируются ионными токами сквозь оболочки нейронов и их отростков с помощью протеиновых каналов, по которым в клетки и из них проходят положительно заряженные катионы (Na, К и Са) и отрицательно заряженные анионы (Cl).

Нарушения в натриевом канале (SCC – Sodium Cation Channel) могут приводить к аналгезии, то есть отсутствию болевой чувствительности. Такое происходит и при действии нейротоксического ботокса – ботулинового токсина, нарушающего нервно-мышечную передачу. У мышей введение синтетического ботокса в спинной мозг блокирует соединение нейропептида Р (англ. pain – «боль») с болевыми рецепторами. Нейробиологи Университетского колледжа в Лондоне добились полной потери животными чувства боли в течение трех недель. Их статья в приложении к журналу Science так и называется – «Селективное нейрональное выключение с помощью синтетического ботокса облегчает хроническую боль у мышей».

Нейропептиды представляют собой цепочки аминокислот. Известно, что аминокислота – это нанодиполь, на одном конце которого азот несет плюсовой заряд, а кислород на другом – минусовый. Помимо этого тот же азот в силу своей электроотрицательности может атаковать концевой фосфор молекулы АТФ, главного энергоносителя клетки. Примером такой аминокислоты является тирозин, несущий азот. Но помимо участия в энергообмене тирозин дает еще и дофамин, представляющий собой нейротрансмиттер (медиатор), который очень важен для поддержания жизнеспособности нервных клеток.

Квантовый чип размером 3–4 мм. Иллюстрация  Physorg

Но одно дело – ионные токи и двуполярные аминокислоты, а совсем другое – колебания электропроводности в протеинах. Этот эффект был открыт еще в 2017 году. В Аризонском университете в г. Финикс было показано проведение молекулой белка интегрина электрического тока между двумя электродами (от катода к аноду). Наносекундные скачки проводимости достигали двух наноампер при приложении напряжения около 100 милливольт (сходные параметры имеют и нервные импульсы).

По прошествии времени в Финиксе с помощью биотина (витамина Н) и «цепляющего» протеины стрептавидина обездвижили молекулу ДНК-полимеразы, то есть фермента синтеза вещества генов. С помощью сканирующего туннельного микроскопа к ней подвели два золотых электрода, благодаря которым были зафиксированы отличающиеся друг от друга скачки проводимости. Разница была обусловлена тем, какую букву генетического кода, или нуклеотид, захватывал фермент, чтобы включить его в синтезируемую цепь ДНК.

В далеком уже 1990 году ученым был выделен миллиард долларов на программу «Геном человека». Благодаря этому через 13 лет был прочитан (секвенирован) первый геном человека. Впрочем, «текст» этого генома уточняется по сей день. Из более чем 20 тыс. генов, кодирующих белки, функция 80% до сих пор неизвестна. А ведь мутация в каждом из них может приводить к заболеваниям. До сих пор не осуществлен амбициозный проект дешифровать геном любого человека за 1 тыс. долл. И это сдерживает развитие биологии и медицины, а также создание новых лекарств – эффективных и одновременно безопасных. Именно поэтому противораковые средства стоят десятки тысяч долларов, а две иммунотерапии – сотни.

Ученые, давшие описание «электрического» подхода к ДНК-полимеразе в журнале Американского химического общества (ACS Nano), полагают, что размещение многих тысяч молекул фермента на чипе позволит быстро и с высочайшей скоростью читать самые разные геномы за ничтожные деньги. Помимо этого энзим-чипы могут удешевить и обезопасить весьма токсичное сегодня чиповое производство.

Добавим только, что уже давно биотехнология использует иммобилизованные ферменты в таких продуктах, как тесты на ВИЧ и др. А химики еще раньше предложили женщинам энзимные порошки для деликатной стирки белья и одежды.