Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання
В оглядовій статті узагальнено результати досліджень з вивчення фізичних, фізико-хімічних, хімічних, біологічних, біохімічних, фармакологічних і токсикологічних властивостей наноканалів та нанопор. Такі дослідження є перспективними, зокрема в ранній діагностиці і лікуванні злоякісних пухлин.
...
Saved in:
| Published in: | Вісник НАН України |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/67870 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання / І.С. Чекман, Є.В. Костюченко // Вісн. НАН України. — 2013. — № 8. — С. 34-46. — Бібліогр.: 42 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860243333566169088 |
|---|---|
| author | Чекман, І.С. Костюченко, Є.В. |
| author_facet | Чекман, І.С. Костюченко, Є.В. |
| citation_txt | Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання / І.С. Чекман, Є.В. Костюченко // Вісн. НАН України. — 2013. — № 8. — С. 34-46. — Бібліогр.: 42 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вісник НАН України |
| description | В оглядовій статті узагальнено результати досліджень з вивчення фізичних, фізико-хімічних, хімічних, біологічних, біохімічних, фармакологічних і токсикологічних властивостей наноканалів та нанопор. Такі дослідження є перспективними, зокрема в ранній діагностиці і лікуванні злоякісних пухлин.
Тематика має важливе біологічне, медичне, фармакологічне, технічне значення, що актуалізує продовження досліджень з вивчення властивостей наноканалів і нанопор для ширшого застосування в різних
галузях діяльності людини, в тому числі — у медичній практиці.
В обзорной статье обобщены результаты исследований по изучению физических, физико-химических,
химических, биологических, биохимических, фармакологических и токсикологических свойств наноканалов и нанопор. Такие исследования являются
перспективными, в частности в ранней диагностике
и лечении злокачественных опухолей. Данная тематика имеет важное биологическое, медицинское,
фармакологическое, техническое значение, что делает актуальным продолжение исследований по изучению свойств наноканалов и нанопор для более
широкого их применения в различных областях деятельности человека, в том числе — в медицинской
практике.
In this overview the results of research on the physical,
physicochemical, chemical, biological, biochemical,
pharmacological and toxicological properties of nanochannels
and nanopores are summarized. Such studies are
very promising, especially in the early diagnostics and
treatment of malignant tumors. This subject matter has a
great biological, medical, pharmaceutical, technical
meaning, which makes it relevant to continue researches
on the properties of nanochannels and nanopores for wider
application in various fields of human activity, including
the medical practice.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:32:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
34 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
В оглядовій статті узагальнено результати досліджень з вивчення фізичних, фізико-хімічних, хіміч-
них, біологічних, біохімічних, фармакологічних і токсикологічних властивостей наноканалів та нано-
пор. Такі дослідження є перспективними, зокрема в ранній діагностиці і лікуванні злоякісних пухлин.
Тематика має важливе біологічне, медичне, фармакологічне, технічне значення, що актуалізує продо-
вження досліджень з вивчення властивостей наноканалів і нанопор для ширшого застосування в різних
галузях діяльності людини, в тому числі — у медичній практиці.
Ключові слова: наноканали, нанопори, нанотрубки, біологічні нанопори, твердотільні нанопори.
УДК 615.011+539.2
І.С. ЧЕКМАН, Є.В. КОСТЮЧЕНКО
Національний медичний університет ім. О.О. Богомольця
бульв. Тараса Шевченка, 13, Київ, 01601, Україна
НАНОКАНАЛИ І НАНОПОРИ:
БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ, ВИКОРИСТАННЯ
© І.С. Чекман, Є.В. Костюченко, 2013
ВСТУП
Наночастинки — структури з розмірами
від 0,1 до 100 нм — мають зовсім інші фізич-
ні, фізико-хімічні, хімічні, біологічні, біо-
хімічні, фармакологічні й токсикологічні
властивості, ніж макрооб’єкти. Є природні
нанорозмірні частинки (віруси, ферменти,
антитіла, ультраструктурні компоненти клі-
тин, білки, нуклеїнові кислоти, медіатори,
амінокислоти та інші біологічно активні ре-
човини) й отримані штучно, в результаті
зменшення розмірів макро- і мікрочастинок
до наноструктур (технологія згори-вниз, top-
down) або конструюванням наноматеріалів
із атомів, молекул, структурних фрагментів
біологічних клітин (технологія знизу-вгору,
bottom-up).
Так, рідина, що має нанорозміри (напри-
клад, оточена наноканалом або нанопорою,
про які йтиметься далі), характеризується
певними нетиповими властивостями, не
притаманними її мікро- чи макрометрич-
ному стану, — зміною в’язкості біля стінок,
тер модинамічних параметрів, хімічної ак-
тивності тощо. Такі рідини вивчає, зокрема,
наука нанофлюїдика [1].
Масштабність наукових досліджень нано-
структур і активне впровадження результатів
у різні сфери діяльності людини свідчать про
їх перспективність, тому надзвичайної значу-
щості набувають узагальнення результатів
розроблень у певних галузях нанонауки.
Автори цієї статті поставили за мету уза-
гальнити стан сучасних досліджень будови і
властивостей наноканалів та нанопор, роз-
глянути їх поширеність у природі, штучно
створених приладах, пристосуваннях і мето-
диках, а також проаналізувати перспективи
розвитку майбутніх досліджень.
ВИЗНАЧЕННЯ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ
НАНОКАНАЛІВ І НАНОПОР
Наноканали — це порожнинні канали, що
мають принаймні один вимір (розмір) попе-
речного перерізу в діапазоні нанорозмірів —
від 1 до 100 нм [2]. Однак деякі вчені припус-
кають, що до наноканалів можна віднести ка-
нали з критичними розмірами до 500 нм [3].
35ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
Залежно від конфігурації поперечного пере-
різу просвіту наноканали класифікують на
одновимірні (1D) і двовимірні (2D). Одно-
вимірні наноканали, або так звані нанощіли-
ни (рис. 1), мають лише один із вимірів по-
перечного перерізу розміру нанорівня, тоді
як у двовимірних наноканалів і висота, і ши-
рина перебувають у діапазоні 1–100 нм, їх
ще називають нанотрубками (рис. 2).
Проте є певна неузгодженість у класи-
фікації наноканалів на 1D і 2D. Багато до-
слідників називають нанотрубками саме
1D-наноканали, обґрунтовуючи це тим, що
в них лише один розмір відіграє ключову
роль — діаметр поперечного перерізу (рис. 3);
а нанощілинами називають, навпаки, 2D-на-
но канали, оскільки в них істотне значення
мають два розміри — ширина і висота, не-
зважаючи на те, що один із них не потрапляє
до нанодіапазону (рис. 1). Такий підхід аб-
солютно протилежний наведеному вище, і з
огляду на це слід обережно застосовувати
цю класифікацію й роз’яснювати, що саме
дослідник має на увазі, коли йдеться про
1D- та 2D-наноканали [2, 3].
Нанопорами, як правило, називають від-
носно короткі наноканали, однак часто цей
термін застосовують у тому самому значенні,
що й наноканали, — як синонім. Приміром,
термін наноканали вживають, якщо рідина
тече по поверхні субстрату, а нанопори — у
разі проходження рідини крізь субстрат
(рис. 4). Крім того, нанопори часто називають
наноотворами через їхні малі розміри, хоча,
по суті, кожна нанопора має 2 отвори — вхід-
ний і вихідний [2–5].
Учені Оксфордського університету під ке-
рівництвом професора Хагана Бейлі (Ha gan
Bayley) дають таке визначення: нанопора —
це органічна молекула, пронизана дуже ма-
лим (~1–2 нм) отвором. За походженням
розрізняють біологічні (природні, білкові),
штучні (твердотільні, solid state) та змішані
нанопори [4, 5] і наноканали [6].
Біологічні нанопори створені пороутворю-
вальними білками в мембрані (ліпідному бі-
шарі). Як відомо, плазматична мембрана
клітини є ліпопротеїновим комплексом.
Рис. 1. Одновимірний 1D-наноканал (нанощілина):
лише один розмір, висота (h) поперечного перерізу,
належить до діапазону 1–100 нм; решта — ширина (b),
глибина (а) — виходять за межі діапазону
Рис. 2. Двовимірний 2D-наноканал: два розміри, ви-
сота (h) та ширина (b) поперечного перерізу, належать
до діапазону 1–100 нм; глибина (а) може мати більші
розміри
Рис. 3. Двовимірний 2D-наноканал (нанотрубка): діа-
метр (d) поперечного перерізу належить до діапазону
1–100 нм; глибина (а) може мати більші розміри
Рис. 4. Двовимірний 2D-наноканал (нанопора): два
розміри, висота (h) та ширина (b) поперечного пере-
різу (або діаметр (d) поперечного перерізу), належать
до діапазону 1–100 нм; глибина (а) — відносно мала
(отвір); по суті, це 3D-наноканал
36 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
Кількість білків, ліпідів і вуглеводів може
варіювати в межах 55–60, 35–40 і 5–10%
відповідно. Фосфоліпіди утворюють суціль-
ний подвійний шар з частково або повністю
зануреними білками (інтегральними, напів-
інтегральними, периферичними). За функ-
ціями розрізняють білки-ферменти, білки-
рецептори, транспортні та структурні білки.
Основна функція плазматичної мембрани —
транспортна: дифузія, полегшена дифузія й
активний транспорт. Таким чином, саме ін-
тегральні транспортні білки ліпідного біша-
ру і формують біологічні нанопори [7].
Твердотільні нанопори сформовані в синте-
тичних матеріалах, таких як нітрид кремнію або
графен; змішані нанопори — пороутворюваль-
ними білками в синтетичному матеріалі [4].
Отже, наноканали і нанопори відрізня-
ються від мікро- і макрометричних струк-
тур насамперед своїми розмірами, формою
та матеріалом, з якого вони створені [8, 9].
Ці характеристики визначають їх власти-
вості, які називають розмірозалежними,
оскільки саме розмір наноструктур відіграє
визначальну роль серед інших їхніх особли-
востей. Доцільно навести основні розміро-
залежні властивості наноканалів і нанопор
[8–10].
1. Електричні властивості (реактивність
до дії електричного поля, зміна поляриза-
ції), що зумовлюють селективність цих
структур завдяки поверхневому заряду.
2. Хімічна реактивність їхньої внутріш-
ньої поверхні.
3. Здатність до стробування (англ. strobe —
посилати вибіркові імпульси).
4. Термічні властивості (наприклад, тем-
пература плавлення), механічні (адгезія, ка-
пілярні сили тощо), оптичні (поглинання і
відбиття світла, колір та ін.), магнітні влас-
тивості (суперпарамагнетизм).
5. Можливість створення або модифікації
наноканалів і нанопор асиметрично, що на-
діляє їх здатністю до ректифікації (виправ-
лення, уточнення).
Нині багато наукових статей присвячено
вивченню та обговоренню численних біоло-
гічних матеріалів. Природа створила велику
їх кількість, скажімо, іонні канали з різнома-
нітними досконалими функціями, що сфор-
мувалися впродовж мільйонів років еволю-
ції. Учені всього світу інтенсивно досліджу-
ють такі біологічні структури з метою
встановлення механізмів їх дії та створення
їхніх штучних аналогів. Біологічні нанока-
нали і нанопори відіграють важливу роль у
багатьох функціях організму, зокрема регу-
ляції транспорту іонів і біомолекул. Для
глибшого пізнання механізмів функціону-
вання й подальшого застосування їхніх
властивостей у багатьох напрямах діяльнос-
ті людини з різноманітними цілями створю-
ють численні стратегії й технології синтезу
штучних біоміметичних «розумних» нано-
пор і наноканалів [11].
ПОШИРЕНІСТЬ У ПРИРОДІ
НАНОКАНАЛІВ І НАНОПОР
Велике значення мають наноканали (на-
нопори) із трансмембранних білків, які мо-
жуть пропускати іони й молекули певних
розмірів, але достатньо дрібні, щоб не про-
пускати більші за розмірами частинки [5, 12].
Біологічні мембрани з каналами є одним із
найдосконаліших і найважливіших винахо-
дів природи. Відкриваючи, закриваючи та
змінюючи розміри каналів, клітина здатна
контролювати транспорт природних моле-
кул та іонів всередину або назовні [13]. Потік
іонів крізь біологічні мембрани є централь-
ним процесом у реалізації багатьох клітин-
них механізмів: від проведення нервового
імпульсу до апоптозу [14].
Справді, мембранний потенціал спокою
збудливих клітин забезпечується постійною
дифузією іонів К+ через біомембрану. Під
час дії подразника на наноканали мембрана
клітини збуджується і відкривається вели-
чезна кількість Na+-каналів, через які всере-
дину клітини лавиноподібно надходять іони
Na+, що спричинює зміну внутрішнього за-
ряду на позитивний, тобто відбувається де-
поляризація (перша фаза потенціалу дії).
На піку овершуту всі Na+-канали закрива-
ються, жоден іон Na+ не може проникнути в
клітину — це друга фаза потенціалу дії (фаза
37ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
реполяризації), пов’язана з масовим вихо-
дом із клітини іонів К+ [7].
Одним із шляхів активації апоптозу є
вплив на функцію мітохондрій, яка полягає
у вивільненні цитохрому с (з молекулярною
масою 15 кДа), апоптогенних білків (AIF —
57 кДа, SMAC) та прокаспаз 2,3,9 із між-
мембранного простору мітохондрій у цито-
плазму клітини. Вивільнення відбувається
внаслідок розриву зовнішньої мембрани мі-
тохондрії, який пов’язують зі збільшенням
об’єму мітохондріального матриксу в зв’язку
з відкриттям на ній нанопор. Розкриття пор
призводить до осмотичного дисбалансу та
набухання органели. Нанопори складають-
ся із 30 кДа-транслокатора аденінових ну-
клеотидів, 32 кДа-потенціалзалежного аніон-
ного каналу (порину) і 18 кДа-бензо діа зе-
пінового рецептора зовнішньої мембрани.
Пори мають діаметр 2,6–2,9 нм і здатні про-
пускати низькомолекулярні речовини ма-
сою до 1,5 кДа. Вивільнення зазначених
вище речовин, а також низка інших факто-
рів (наприклад, підвищення концентрації в
цитоплазмі іонів Са2+, джерелом яких є між-
клітинний простір, матрикс мітохондрій та
ендоплазматичний ретикулум, спричинює
активацію ендонуклеаз, тканинної трансглу-
тамінази та клітинних протеїназ, що беруть
участь у деградаційній фазі) приводять до
утворення апоптосоми, активації каспазно-
го каскаду та запуску апоптозу [15–17].
Співвідношення концентрацій іонів Са2+
в клітині (кардіоміоциті) (50–100 нМ) та
міжклітинному середовищі (3 мМ), яке
становить приблизно 10-4, а також між ци-
топлазмою та внутрішньоклітинним депо
Са2+ — везикулами ендоплазматичного (сар -
ко плазматичного) ретикулуму — підтри-
мується завдяки активній роботі Са2+-
АТФаз, молекул, що переносять іони каль-
цію проти градієнта концентрації.
Ці молекули складаються із головки, звер-
неної в бік середовища з нижчою концен-
трацію Са2+, діаметром близько 9 нм, з якою
зв’язуються АТФ іони кальцію; та каналу,
по якому, як припускають, кальцій перено-
ситься крізь мембрану при гідролізі АТФ.
Канал складається з 11 α-спіральних діля-
нок, сполучених поліпептидними зв’язками.
Процес трансмембранного переносу іонів
кальцію дає можливість регулювати клітин-
ні функції за допомогою збільшення/змен-
шення проникності мембран для Са2+. Як
приклад можна навести скорочення м’язів,
що розпочинається з пасивного виходу іонів
кальцію з саркоплазматичного ретикулуму
в протоплазму та їх взаємодії зі скоротливи-
ми білками. Під час подальшого видалення
кальцію з цитоплазми, що здійснюється
Са2+-АТФазами, та його накопичення в сар-
коплазматичному ретикулумі відбувається
розслаблення м’язів [18].
Є ще один Са2+-залежний шлях індукції
апоптозу. В агранулярній ендоплазматичній
сітці, везикули якої виконують функцію
депо іонів Са2+, локалізуються ферменти —
прокаспази-12. У разі порушення внутріш-
ньоклітинного гомеостазу Са2+ (вплив інгі-
біторів Са2+-АТФази, пероксидне окиснення
ліпідів мембран) відбувається вивільнення
й активація прокаспази-12. Каспаза-12 ак-
тивує ініціаторну каспазу-9, а та, у свою чер-
гу, активує перетворення ефекторної про-
каспази-3 на каспазу-3, що, власне, й запус-
кає апоптоз [19].
Рух іонів або молекул крізь клітинні мемб-
рани та органели контролюється клітинами з
високою точністю [14]. Наприклад, функціо-
нування Na+, K+-насоса: він працює взаємоуз-
годжено з втратою енергії АТФ навіть у без-
кисневих умовах і виводить із клітини точно
3 іони Na+ та вносить 2 іони K+ задля віднов-
лення іонної рівноваги, адже для підтриман-
ня сталої концентрації іонів і відповідної різ-
ниці потенціалів по обидва боки мембрани
мають значення механізми не лише пасив-
ного, а й активного транспорту [7].
Така точність і злагодженість роботи біо-
логічних процесів привертає до себе увагу
вчених світу. Останнім часом дослідження в
галузі нанонауки зосереджено переважно на
імітуванні природних структур, зокрема на-
ноканалів і нанопор, їх біологічних, фізич-
них і хімічних властивостей. Синтетичні на-
нопористі матеріали мають велике значення
38 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
в медицині, зокрема для біосенсорики, біо-
сортування, імунної ізоляції та введення
ліків [14].
Новий напрям біологічної науки, який
нині активно розвивається і досліджує мож-
ливості імітувати природу та вивчати влас-
тивості різноманітних природних матеріалів,
у тому числі й наноструктур, дістав назву біо-
міметика. Ця наука є міждис циплінарною,
вивчає хімічні, фізичні, фі зи ко-хімічні, біо-
логічні, біохімічні властивості природних на-
номатеріалів, що відіграють важливу роль у
функціонуванні живих систем. Природні на-
номатеріали — складні структури, які містять
велику кількість функціональних елементів.
Будова біоміметичних матеріалів імітує мор-
фологію природних тканин, повторює їхні
форму, розміри і, відповідно, властивості та
функції [20].
ШТУЧНІ НАНОКАНАЛИ І НАНОПОРИ
Штучно створені наноканали і нанопори
широко використовують у багатьох лабора-
торних дослідженнях, для вирішення чис-
ленних біологічних, медичних та глобаль-
них світових проблем. У цьому розділі роз-
глянемо приклади створення та засто су-
вання нанопор і наноканалів.
Використання нанопор (як біологічних,
так і штучних) дає змогу визначити й проа-
налізувати окремі молекули, що проходять
крізь них. Нанопори успішно застосовують
для підрахунку, сортування й оброблення
різноманітних біомолекул; вивчення згор-
тання і розгортання білків; дослідження бі-
молекулярних взаємодій тощо. Розроблено
методи для надшвидкого секвенування ДНК
і профілювання експресії генів. Більшість
сучасних досліджень спрямовано на ство-
рення специфічних сенсорів на основі нано-
пор, що характеризуються відповідною се-
лективністю і конкретними хімічними та
біологічними функціями [21].
У ХХ ст. видатним відкриттям стали кар-
бонові нанотрубки, перспективні як присто-
сування в багатьох сферах діяльності люд-
ства, таких як електроніка, створення акуму-
ляторів на основі водневих сполук, газових
датчиків, для введення каталізаторів, лікар-
ських засобів, медичної діагностики і терапії
тощо [22].
Штучні рідинні (флюїдні) наноканали, що
імітують властивості трансмембранних біл-
ків, мають великі перспективи для застосу-
вання. Дослідники Національної лабораторії
Лоуренса в Берклі C. Duan та A. Majumdar,
використовуючи стандартні процеси вироб-
ництва напівпровідників, виготовили нано-
канали, які мають розміри лише 2 нм. У та-
ких наноканалів спостерігаються суттєві від-
мінності механізмів проходження крізь них
рідин порівняно не лише з макроканалами, а
й наноканалами з розмірами 10 нм [12].
Встановлено, що інтенсивність рухової
активності протонів та іонів у обмежених гі-
дратованих 2-нанометрових каналах у 4 рази
більша, ніж у наноканалах з розмірами від
10 до 100 нм. Результати досліджень свід-
чать, що перенос іонів можна істотно збіль-
шити в гідрофільних 2-нанометрових кана-
лах завдяки їхній геометричній обмеженості
та високій густині поверхневого заряду. Та-
кий удосконалений транспорт протонів по-
яснює високу пропускну здатність у транс-
мембранних каналах.
Технологія створення наноканалів з роз-
мірами 2 нм ґрунтується на поєднанні висо-
коточного іонного «гравірування» з анодним
«склеюванням» (зв’язуванням) для утворен-
ня каналів специфічних розмірів і геометрії
на матриці «кремній-на-склі». Щоб запобіг-
ти руйнуванню каналів під дією значних
електростатичних сил під час «анодного
склеювання», дослідники наносили на скля-
ний субстрат товстий (500 нм) оксидний
шар. Стадія осадження оксидного шару і на-
ступне «склеювання» гарантували успішне
ущільнення каналів без руйнування [12].
Подібно до дії біологічних аналогів
(трансмембранних білкових наноканалів)
рідинні штучні наноканали в майбутньому
можуть відіграти значну роль у розробленні
ефективних паливних елементів і акумуля-
торів. Активний транспорт іонів може зни-
зити внутрішній опір паливних елементів і
батарей, що дозволить скоротити внутрішні
39ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
втрати енергії і підвищить практичну гус-
тину енергії.
Полімерні мембрани з наноканалами в
майбутньому можуть бути корисними в ба-
гатьох галузях сучасних технологій, таких
як захоплення діоксиду вуглецю, виробни-
цтво сонячних батарей або опріснення мор-
ської води [13]. Зокрема, проведено дослі-
дження з використання мембран із нанопо-
ристого графену для фільтрації солоної
води і показано, що саме завдяки дрібним
розмірам нанопор графену цей метод може
стати ефективним для опріснення морської
води [23]. Проте технології виробництва та-
ких мембранних матеріалів у промислових
масштабах поки що немає.
Втім, перший крок на шляху створення
промислових технологій уже зроблено.
Група дослідників із Національної лабора-
торії Лоуренса в Берклі та Каліфорній-
ського університету під керівництвом T. Xu
розробила метод для стимулювання само-
збирання гнучких полімерних мембран із
субнанометричними каналами [13]. Він
цілком сумісний із комерційним процесом
виготовлення мембран, і його вважають
першим прикладом застосування органіч-
них нанотрубок (нанопор), створених у
мембрані на макроскопічних відстанях.
Цей метод дасть змогу створювати пористі
плівки, в яких розмір і форму каналів мож-
на адаптовувати до молекулярної структу-
ри органічних нанотрубок.
Як субнанометричні канали дослідники
використовували органічні нанотрубки,
утворені циклічними поліпептидними лан-
цюгами. На відміну від карбонових нанотру-
бок вони є «оборотними», тобто їхній розмір
і орієнтацію можна легко змінити в процесі
виготовлення. Для мембрани брали блок-
кополімери — довгі послідовності, у яких
«блоки» одного типу мономерів молекули
зв’язані з блоками іншого типу мономерів.
Так само, як циклічні пептиди самостійно
збираються у нанотрубках, блок-ко полімери
самозбираються в чітко ви значених масивах
наноструктур на макроскопічних відстанях.
Полімер, ковалентно зв’язаний з циклічним
пептидом, використовують як «медіатор»,
щоб зв’язати разом ці дві самоорганізовані
системи. Полімерний кон’югат є ключем, що
контролює взаємозв’язок між циклічними
поліпептидами та блок-кополімерами, а та-
кож забезпечує синхронізацію їх самозби-
рань. У результаті нанопори ростуть лише в
межах полімерної мембрани. Якщо вся сис-
тема працює злагоджено, процес насправді
стає досить простим.
Отже, Т. Xu з колегами створили субнано-
метричну пористу мембрану завтовшки
кілька сантиметрів. Канали було протесто-
вано на здатність транспортувати вуглекис-
лий газ і неопентан. Дослідження показали,
що проникність мембрани для невеликих
молекул СО2 є більшою, ніж для великих
молекул неопентану. Наступним кроком до-
слідників буде створення на основі розро-
бленої технології більш товстих мембран.
Теоретично для цього методу немає обме-
жень за розмірами, тому вчені не очікують
значних проблем у виготовленні мембран
великої площі або товщини. Ця робота від-
криває нові можливості для розроблення
функціональних матеріалів з використан-
ням підходу «знизу-вгору» [13].
Португальські вчені створили Si3N4-
нанопори діаметром 3,2–6,5 нм і завдовжки
30–50 нм для визначення та ідентифікації
частинок золота. Негативно заряджені окре-
мі наночастинки золота розмірами 2,4–
8,9 нм взаємодіють із такими нанопорами.
Під час проходження крізь нанопори пото-
ків наночастинок золота (вони рухаються
під дією електричного поля) визначають
зміни іонного струму [24]. Наночастинки
золота можуть бути також захоплені α-ге-
молізиновими нанопорами [25].
Дослідники лабораторії Nanomed Універ-
ситету Генуї (Італія) розробили методику ре-
гулювання розмірів отворів нанопор для того,
щоб збільшити їхню селективність щодо пев-
них специфічних мішеней. Запропонований
підхід ґрунтується на процесі силанізації: за-
лежно від тривалості її проведення змінюєть-
ся товщина органічного покриття і, відповід-
но, розміри наноструктур [21].
40 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
Детальні уявлення про природу електро-
форетичної сили молекули ДНК у твердо-
тільних нанопорах мають велике значення
для розвитку нанопорового секвенування
(встановлення послідовності). Невідповід-
ність між недавніми спробами передбачити
цю силу та результатами прямих і непрямих
експериментальних вимірювань викликала
жваву дискусію серед фахівців. У 2012 р. ки-
тайські вчені показали можливість передба-
чення електрофоретичної сили з досить ви-
сокою точністю. Електрорушійна сила зба-
лансована передусім завдяки силі в’язкого
опору, що діє на ДНК всередині нанопор.
Для визначення величини ефективної ру-
шійної сили було вивчено електричні зміни
в нанопорах за наявності й відсутності ДНК
залежно від впливу поверхневого заряду
мембрани, розміру пор, концентрації солі, а
також позиції ДНК всередині нанопори. Ре-
зультати досліджень свідчать, що, врахову-
ючи всі перелічені параметри, а особливо
позицію ДНК, можна передбачити ефектив-
ну рушійну силу, що діє на ДНК всередині
нанопор, яка досить добре відповідає експе-
риментальним результатам [26].
Нанопори, як новий клас одномолекуляр-
них біосенсорних пристроїв, широко застосо-
вують для дослідження взаємодій білок —
білок та білок — ДНК, а також для експрес-
ного ДНК-секвенування [27, 28]. За сто су-
вання нанопор на синтетичних мембранах,
резистентних до електричного струму, дає
змогу ідентифікувати будь-які молекули.
Іонний струм пропускають крізь нанопори,
встановлюючи напругу на мембрані. Якщо
аналізована молекула проходить крізь пору
або поряд з її апертурою, це спричиняє ха-
рактерні зміни в струмі. Вимірюючи струм,
можна визначити молекулу (наприклад, роз-
різнити чотири стандартні основи ДНК — гу-
анін, аденін, тимін, цитозин, а також модифі-
ковані основи). Таку систему можна вико-
ристати для ідентифікації білків-мішеней,
малих молекул або для отримання суттєвої
інформації про молекулу, зокрема визначити
енантіомер ібупрофену чи динаміку молеку-
лярного зв’язування [4, 28].
З середини 1990-х років нанопори стали
предметом дослідження багатьох провідних
наукових установ світу. У 2005 р. в Оксфор-
ді створено промисловий центр «Oxford
Nanopore Technologies» для вивчення штуч-
них нанопор і розроблення сучасних техно-
логій на їх основі. Компанія вже має зна-
чний обсяг інтелектуальної власності та
співпрацює з провідними фахівцями в галузі
нанонауки.
Перше покоління технологій компанії ви-
користовувало створені на замовлення поро-
утворювальні білки. Серед природних анало-
гів таких білків можна назвати, скажімо,
α-гемолізин, який утворює гептамерну білко-
ву пору з внутрішнім діаметром близько 1 нм.
Такий діаметр мають багато молекул, у тому
числі ДНК. Ці нанопори характеризуються
високою стабільністю, що дало змогу деталь-
но вивчити їх. Компанія налагодила велико-
масштабне виробництво цих і багатьох інших
пороутворювальних білків, кожен з яких має
свої особливі характеристики, для найрізно-
манітніших використань. Застосування біл-
кових нанопор для визначення окремих мо-
лекул потребує їх адаптації, яку за допо могою
методів білкової інженерії можна проводити
з точністю до одного ангстрема. Спеціальні
пристосування конструюють таким чином,
щоб нанопори стали специфічними сенсора-
ми до низки конкретних молекул, зокрема
такими методами, як [4]:
• зміна внутрішньої структури нанопори,
що впливає на проходження аналізованої
молекули крізь пору;
• включення до нанопори специфічного
сайту, який тимчасово зв’язує відповідну
молекулу, наприклад циклодекстрин у разі
зв’язування основ ДНК;
• включення ДНК-зонда для виявлення
організмів із певним кодом ДНК;
• прикріплення до нанопори «молеку-
лярного мотору», наприклад спеціального
ферменту, для аналізу полімерів, таких як
ДНК;
• прикріплення лігандів для зв’язування
з певними білками на поверхні за межами
самої пори.
41ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
Згодом співробітники «Oxford Nanopore»
розробили власні методи створення нано-
пор, основані на програмуванні бактерій для
продукування нанопор і подальшому очи-
щенні отриманого розчину. Цей високопро-
дуктивний процес триває лише кілька днів.
Компанія також виробляє власні електронні
прилади, що дають змогу проводити пара-
лельно кілька експериментів із застосуван-
ням нанопор як сенсорів, а також завдяки
модульним пристроям збирати дані та вико-
нувати аналіз у реальному часі. Такі системи
дістали назву GridION™ [4].
Білкові нанопори надійні, їх легко відтво-
рювати і модифікувати, проте майбутні поко-
ління біосенсорів із застосуванням нанопор,
скоріш за все, використовуватимуть нанопо-
ри, виготовлені із синтетичних матеріалів, —
твердотільні, або щільні (solid state). Вони
перспективні щодо зниження собівартості та
збільшення масштабності аналізів.
Твердотільні нанопори, як правило, ство-
рюють у синтетичних мембранах, зазвичай
SiNx або SiO2, із високоточним контролю-
ванням як розміру, так і форми [4]. Сьогодні
вже розроблено кілька таких методик. Одна
з них ґрунтується на сфокусованому трав-
ленні, індукованому електронним пучком
(focused electron-beam-induced etching, FEBIE)
[29]. Травлення — хімічне або електрохіміч-
не оброблення поверхні твердих матеріалів
переважно в розчинах кислот, їдких лугів, у
лужних сплавах (хімічне), з використанням
електричного струму (електрохімічне).
Цю методику застосовано для створення
нанопор у мембранах із нітриду кремнію та
вивчено параметри процесу. Редукція нітри-
ду кремнію електронним пучком з подаль-
шим хімічним травленням його залишків
формує лінійну залежність діаметра пори від
часу експозиції електронного пучка, що умож-
ливлює точний контроль розмірів нанопор у
діапазоні 17–200 нм. Оптимальний тиск при
цьому становить 5,3·10-6 мм рт.ст. [29]. Вико-
ристання сканувального зондового мікроско-
па як джерела електронного пучка робить ме-
тодику порівняно доступною і відкриває пер-
спективи для широкого її застосування.
Дослідження залежності форми нанопор
від прискорювальної напруги електронного
пучка показали, що пори набувають лійко-
подібної форми, тобто всю мембрану прони-
зує лише їхня центральна частина, а навколо
отвору на зовнішній поверхні мембрани
утворюються ділянки неповного травлення.
Отже, внутрішній розмір нанопори залежить
від прискорювальної напруги електронного
пучка, а краї нанопори на зовнішньому боці
мембрани виходять за межі первинного роз-
міру ділянки контакту електронного пучка
внаслідок дії довготривалих факторів, таких
як радіоліз, дифузія тощо. Крім того, розмір
ділянки периферичного травлення меншою
мірою залежить від прискорювальної напру-
ги. Встановлено також, що лімітувальною
стадією процесу є хімічне травлення, яке
слабко залежить від прискорювальної на-
пруги. Саме завдяки травленню хімічний
склад країв нанопори підтримується таким
самим, як і мембрани в цілому [30].
Можливість створювати пори заданої геоме-
трії та значна механічна й хімічна стабільність
твердих мембран викликають велику зацікав-
леність фахівців у цій галузі. Багато науково-
дослідних робіт присвячено пошуку альтерна-
тивних стратегій секвенування і діагностики,
нових мембранних матеріалів, гібридних нано-
пор із вбудованими датчиками (сенсорами)
тощо. Однак твердотільні нанопори на сьогод-
ні не мають такої хімічної специфічності, як
білкові, тому розглядають також можливість
об’єднання білкових пор із твердотільними,
створення методів їх взаємоінтеграції. Такі на-
нопори називають гібридними. Крім того, роз-
робляють нанопори з вбудованими датчиками.
Вбудовані сенсори було створено як альтерна-
тиву технологіям, основаним на вимірюванні
іонного струму. Запропоновані методи включа-
ють тунельні детектори на основі електродів,
ємнісні датчики і детектори на основі нанощі-
лин із графену. Нещодавно за допомогою тран-
зисторів експериментально було виявлено міс-
цевий сигнал напруги, що генерується транс-
локацією ДНК, пропорційний сигналу іонного
струму. Ця схема може бути привабливою аль-
тернативою іонному струму [4, 28].
42 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
Графен — двовимірний кристал, що скла-
дається з атомів вуглецю, організованих у
гексагональну ґратку, є першим прикладом
2D-матеріалу (завтовшки в один атом); він
має унікальні електронні властивості завдя-
ки носіям заряду, що поводяться як безмасо-
ві релятивістські частинки [31, 32]. Висока
електропровідність графену робить його
ідеальним матеріалом для секвенування
окремих молекул ДНК. Мала висота графе-
нових мембран забезпечує оптимальну про-
сторову організацію вздовж них молекул
ДНК, водночас графен надзвичайно міцний
і хімічно інертний. Сам по собі графен та-
кож є електронним сенсорним матеріалом,
чутливим до хімічного й електричного на-
вколишнього середовища та наявності в
ньому інших молекул [4].
Графен відкрито в 2004 р. вченими Ман-
честерського університету російського похо-
дження А.К. Геймом і К.С. Новосьоловим, за
що їм у 2010 р. було присуджено Нобелів-
ську премію з фізики. Цікаво, що дослідники
з Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Бо-
голюбова НАН України під керівництвом
професора В.П. Гусиніна ще в 2002 р. опублі-
кували в журналі «Physical Review» статтю з
описом теоретичних розробок щодо графену,
його властивостей і залежностей, а після від-
криття графену завдяки подальшій співпраці
з нобелівськими лауреатами їхні теоретичні
припущення повністю підтвердилися [33].
Група дослідників під керівництвом D. Bran-
ton і J. Golovchenko використали графенову
перетинку для розділення двох камер, що
містять водні іонні розчини, і зробили в ній
нанопору. Вони показали, що ця нанопора
працює як транс-електрод для вимірювання
струму, що протікає крізь неї між двома ка-
мерами. Учені вимірювали зміни струму під
час проходження однієї молекули ДНК че-
рез нанопору. Характерний електричний
сигнал відображує розмір і конформації мо-
лекули ДНК [34]. Отже, потрібні подальші
дослідження для створення високоякісних
графенових нанопор з точною хімічною
структурою, які можна використовувати
для прямого label-free секвенування [4].
Застосовуючи комп’ютерні симуляції
транслокації одноланцюгової молекули
ДНК крізь графенові нанопори, а також ре-
єструючи блокади іонного струму, спричи-
нені нуклеотидами ДНК, було показано, що
такий транспорт відбувається окремими
кроками для кожного нуклеотиду. Для пев-
них геометричних конфігурацій пори гідро-
фобні взаємодії з графеновою мембраною
призводять до різкого зниження конформа-
ційних коливань нуклеотидів у нанопорі.
Більш того, блокади іонного струму загалом
є показовими для відповідних нуклеотидів,
проте вони дуже чутливі до орієнтації ну-
клеотидів у нанопорі. Отже, такі симуляції
доводять можливість секвенування ss-ДНК
(одноланцюгової ДНК) завдяки вимірю-
ванню блокад іонного струму в графенових
нанопорах, але при цьому потрібно контро-
лювати конформацію ДНК-нуклеотидів за
допомогою точної інженерії поверхні нано-
пори [35].
Компанія «Oxford Nanopore» створила
системи нанопор, адаптованих для аналізу
різних цільових аналітів, у тому числі ДНК,
РНК і білків. Ці системи, сумісні з GridION™
або MinION™, призначені для дослідження
матеріалів усіх видів, зокрема рослин, тварин
чи мікроорганізмів. Крім того, для кожного
типу аналіту можна проводити дослідження
різної спеціалізації. Наприклад, під час секве-
нування ДНК технологію можна використа-
ти для ресеквенування (секвенування фраг-
ментів ДНК, узагальнена послідовність яких
уже відома, з метою виявлення індивідуаль-
них відмінностей конкретного зразка) або
секвенування de novo (розшифровування
абсолютно невідомих послідовностей ДНК,
зокрема геному будь-якого нового виду) [4].
Американські вчені розробили метод екс-
пресного визначення взаємодій ДНК — білок,
пропускаючи окремі молекули ДНК крізь
білкові нанопори і контролюючи напругу
електричного струму. Електрична сила, при-
кладена до комплексу ss-ДНК — екзонуклеа-
за І, відштовхує ці дві молекули одну від од-
ної, а показники іонного струму вказують на
швидкість дисоціації комплексу. Такий метод
43ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
з використанням як білкових, так і твердо-
тільних нанопор придатний і для інших комп-
лексів нуклеїнових кислот з білками [36].
За допомогою комп’ютера було змодельо-
вано методику виявлення ДНК-зв’язаних
білків із використанням твердотільних на-
нопор. Сутність методу полягає в електрокі-
нетичному транспорті ДНК-зв’язаних білків
крізь нанопори меншого розміру, ніж білки.
Для цього брали білки рестриктази EcoRI і
BamHI, специфічно та неспецифічно при-
кріплені до фрагментів ds-ДНК (дволанцю-
гової ДНК), та стрептавідин і NeutrAvi din,
зв’язані з ds- та ss-ДНК за допомогою біоти-
ну. Моделювання дало змогу встановити ме-
ханізм розриву комплексу ДНК – білок за
допомогою нанопори; вплив на ДНК-зв’я-
заний білок електрофоретичної сили в на-
нопорі, а також роль взаємодії ДНК – по-
верхня у процесі розривання. Дослідники
показали здатність іонного струму в нано-
порі та місцевого електростатичного потен-
ціалу, вимірюваних вбудованими електро-
дами, сигналізувати про захоплення ДНК
чи ДНК-зв’я заного білка і розрив комплексу
ДНК – білок [37].
Розроблено два методи секвенування
ДНК: секвенування ланцюга (strand sequ-
encing) та екзонуклеазне секвенування
(exonuclease sequencing). Перша технологія
полягає в проведенні полімерів ДНК через
білкові нанопори недоторканими, секвену-
вання відбувається в режимі реального часу
з транслокацією ДНК крізь пору. Екзону-
клеазне секвенування ґрунтується на про-
ходженні окремих нуклеотидів крізь білко-
ву нанопору за допомогою ферменту екзо-
нуклеази. Фермент відщеплює від ланцюга
окремі основи ДНК, які проникають у нано-
пору, зазнаючи перед цим зв’язування, яке
спричиняє зміни в струмі. За цими змінами
ідентифікують основи ДНК в послідовно сті.
Крім секвенування ДНК створено систему
для прямого аналізу РНК-ланцюга, яка роз-
різняє основи РНК за допомогою налашту-
вання діючого ферменту на РНК та адапту-
вання нанопори. Цю систему можна інте-
грувати в платформу GridION.
Зазвичай у тканинах ссавців налічується
близько 100 000 білків. З них достовірно і
достатньо вивчено менш ніж 5%. Створен-
ня надійних методів аналізу білків на сьо-
годні є надзвичайно актуальним завдан-
ням. Нині компанія «Oxford Nanopore»
розробляє методи прямого електронного
аналізу білків за допомогою комбінування
нанопор із аптамерами. Аптамер — це олі-
гонуклеїнова кислота, що може специфіч-
но зв’язуватися із сайтами на білках-
мішенях. Комплекс аптамер – білок під час
проходження крізь нанопору спричинює
характерні зміни струму. Тривалість акту
зв’язування комплексу в нанопорі дає змо-
гу визначити білок, а частота зв’язування
свідчить про концентрацію аналіту. Цей
метод аналізу білків також сумісний із сис-
темою GridION [4, 28].
Є багато методів трансфекції (процес уве-
дення нуклеїнової кислоти в клітину люди-
ни або тварин невірусним методом; ана-
логічний процес щодо бактерій, дріжджів,
рослин має назву «трансформація»), які до-
зволяють ввести біомолекули в клітини, од-
нак не дають змоги контролювати їхню кіль-
кість з достатньою точністю. Введення чітко
визначених доз має велике значення для ба-
гатьох біологічних досліджень і терапевтич-
ного застосування. З огляду на це вчені з
Університету штату Огайо розробили мето-
дику точного дозування агента трансфекції,
вводячи його безпосередньо в окрему живу
клітину без застосування голки. Вона поля-
гає у використанні електрики для миттєвого
(кілька мілісекунд) введення терапевтич-
них біомолекул крізь наноканал у клітину.
Розробники назвали цей метод наноканаль-
ною електропорацією (nano chan nel elec-
troporation, NEP).
Прилад для реалізації такого методу скла-
дається з двох мікроканалів, об’єднаних на-
ноканалом. Клітину для трансфекції за до-
помогою оптичного пінцета розміщують в
одному мікроканалі, а агент трансфекції — у
другому. Як шаблон для створення нано-
каналу використовували окремі ланцюги
ДНК. Імпульс напруги в кілька сотень вольт
44 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
між мікроканалами продукує сильне елек-
тричне поле, що дозволяє перенести точну
кількість агента трансфекції електрофоре-
тично (під дією електрокінетичних сил)
спочатку через наноканал, а потім через клі-
тинну мембрану в цитоплазму. Перенесення
через мембрану клітини відбувається завдя-
ки взаємодії поля на виході наноканалу з
природним електричним клітинним заря-
дом, так що відкривається отвір у клітинній
мембрані — достатньо великий, щоб крізь
нього пройшов агент, але відносно малий,
щоб не пошкодити клітину. При цьому жит-
тєдіяльність клітини не зазнає негативного
впливу. Контроль дози проводять варіюван-
ням тривалості й кількості імпульсів.
Наукова група J. Lee успішно провела
ґрунтовні дослідження з використанням
цього методу, зокрема введення специфічних
доз антиракового гена в окремі лейкемічні
клітини, маючи на меті їхню загибель. Нара-
зі такий метод застосовують у лабораторних
дослідженнях лише однієї або кількох клі-
тин, проте розробники вже працюють над
приладом із резервуаром для 100 000 клітин.
Винахідники бачать перспективу методу в
ранній діагностиці та лікуванні онкологіч-
них захворювань. Наприклад, введення точ-
них доз генів у стовбурові чи імунні клітини
дозволить керувати їхньою ди ференціацією
і відповідними змінами з по дальшим повер-
ненням цих клітин в організм. При цьому не-
має потреби в заходах безпеки щодо передо-
зування [38].
Заряд молекули ДНК — важливий пара-
метр у багатьох дослідженнях і маніпуляці-
ях. Під час транслокації молекули ДНК крізь
нанопору вивчають зміни заряду молекули в
процесі зв’язування її з контр-іонами. Вста-
новлено, що зі зменшенням розміру контр-
іонів від К+ до Na+ і Li+ час транслокації ДНК
крізь твердотільну нанопору значно збіль-
шується як для ss-ДНК, так і для ds-ДНК.
Такий ефект пов’язують з тим, що Li+ та Na+
зв’язують ДНК сильніше, ніж К+. Ці фунда-
ментальні властивості можуть бути корис-
ними для підвищення ефективності функці-
онування нанопор [39].
Тривають дослідження синтетичних при-
родних нанотрубок, зокрема тих, що само-
стійно формуються з альфа-лакталь бумі но-
во го білка, різної форми (прямих, хвиляс-
тих, спіральних, з періодичними нахилами,
гілчастих, бісерних); наносферичних части-
нок, нанострижнів, нанодротів, багатогран-
них (шестикутних сіток, сферичних, кубіч-
них) наноструктур, нановолокон, наноплас-
тинок, нанолистків, нанохвиль, наношарів,
наноквітів, нанокапсул, наногібридів, що
складаються з трубок і дротів, нанокриста-
лічних структур, нанотрубок з Y-з’єд нан-
нями, наномембранних, наногубчастих, на-
ногвинтових гомогенних структур тощо
[22]. Вивчення та узагальнення результатів
досліджень і розроблень з використанням
цих наноструктур є метою нашої подальшої
роботи [40–42].
ВИСНОВКИ
Узагальнюючи наведені теоретичні поло-
ження щодо властивостей наноканалів і на-
нопор та розглядаючи приклади їх практич-
ного втілення, можна констатувати, що на
сьогодні розроблено такі методи:
• реєстрації молекул, які проходять крізь
наноканали і нанопори, їх підрахунку, сор-
тування, оброблення;
• вивчення згортання та розгортання
біл ків;
• дослідження біомолекулярних взаємодій;
• надшвидкого секвенування ДНК;
• профілювання експресії генів.
Багато сучасних досліджень спрямовано
на розроблення специфічних сенсорів на
основі нанопор, що характеризуються на-
лежною селективністю й конкретними хі-
мічними і біологічними функціями. Такі до-
слідження є перспективними, зокрема для
ранньої діагностики та лікування злоякіс-
них пухлин. Тематика має велике біологіч-
не, медичне, фармакологічне, технічне зна-
чення, що актуалізує продовження дослі-
джень з вивчення властивостей наноканалів
і нанопор для більш широкого їх застосу-
вання в різних галузях діяльності людини, у
тому числі в медичній практиці.
45ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Jacobs K. Nano- and microfluidics. Preface // J. Phys.
Condens. Matter. — 2011. — V. 23, N 18. —
P. 180301.
2. Li D. Nanochannel Fabrication // Encyclopedia of
Microfluidics and Nanofluidics. — New York: Spring-
er, 2008. — P. 1409–1414.
3. Haque A., Kumar A. Nanochannels for Nanofluidics:
Fabrication Aspects // Encyclopedia of Microfluidics
and Nanofluidics. — New York: Springer, 2012. —
P. 1504–1513.
4. Oxford Nanopore Technologies. — http:// www.
nanoporetech.com.
5. The Nanopore Site. — http:// www.thenanoporesite.com.
6. Jiang Y., Liu N., Guo W. et al. Highly-efficient gating of
solid-state nanochannels by DNA supersandwich
structure containing ATP aptamers: a nanofluidic
IMPLICATION logic device // J. Am. Chem. Soc. —
2012. — V. 134, N 37. — P. 15395–15401.
7. Шуба Я.М. Основи фізіології іонних каналів. — К.:
Наук. думка, 2010. — 448 с.
8. Gache G. New Electric Properties of Nanostructures //
Softpedia, 2007. — http://news.softpedia.com/news/
New-Electric-Properties-for-the-Nanostructu res-
70865.shtml.
9. Rubio A., Chiodo L. Electronic Properties of Nanostruc-
tures. Nanostructural properties 2008/09. Lectures //
Nano-bio spectroscopy group. — http://nano-bio.ehu.es.
10. Tian Y., Wen L., Hou X. et al. Bioinspired ion-trans-
port properties of solid-state single nanochannels and
their applications in sensing // Chemphyschem. —
2012. –V. 16. — P. 2455–2470.
11. Hou X., Guo W., Jiang L. Biomimetic smart nano po-
res and nanochannels // Chem. Soc. Rev. — 2011. —
V. 40. — P. 2385–2401.
12. Duan C., Majumdar A. Anomalous ion transport in
2-nm hydrophilic nanochannels // Nat. Nanotechnol. —
2010. — V. 5. — P. 848–852.
13. Xu T., Zhao N., Ren F., Hourani R. Subnanometer po-
rous thin films by the co-assembly of nanotube subu-
nits and block copolymers // ACS Nano. — 2011. —
V. 5, N 2. — P. 1376–1384.
14. Pradeep H. Nanochannels: biological channel ana-
logues // IET Nanobiotechnology. — 2012. — V. 6,
N 2. — P. 63–70.
15. Гордеева А.В., Лабас Ю.А, Звягильская Р.А. Апоптоз
одноклеточных организмов: механизмы и эволю-
ция. Обзор // Биохимия. — 2004. — Т. 69, № 10. —
С. 1301 –1313.
16. Рыжов С.В., Новиков В.В. Молекулярные механиз-
мы апоптических процессов // Рос. биотерапевт.
журн. — 2002. — Т. 1, № 3. — С. 27–33.
17. Tian Y.Y., Xu D.D., Tian X. et al. Mitochondria-in-
volved apoptosis induced by MPPa mediated photo-
dynamic therapy // Laser Phys. Lett. — 2008. —
V. 5. — P. 746–752.
18. Владимиров Ю.А. Кальциевые насосы живой
клетки // Соросовский образоват. журн. — 1998. —
№ 3. — С. 20–27.
19. Hsia T.-C., Yang J.-S., Chen G.-W. et al. The Roles of En-
doplasmic Reticulum Stress and Ca2+ on Rhein-in duced
Apoptosis in A-549 Human Lung Cancer Cells // Anti-
cancer Research. — 2009. — V. 29, N 1. — P. 309–318.
20. Bixler G.D., Bhushan B. Biofouling: lessons from nature //
Phil. Trans. R. Soc. A. — 2012. — V. 370. — P. 2381–2417.
21. Mussi V., Fanzio P., Firpo G. et al. Size and functional tun-
ing of solid state nanopores by chemical functionalizati-
on // Nanotechnology. — 2012. — V. 23, N 43. — P. 435301.
22. Esmaeilzadeh P., Fakhroueian Z., Jahanshahi M. et al. A
synthetic garden of state of the art natural protein na-
noarchitectures dispersed in nanofluids // J. Bio med.
Nanotechnol. — 2011. — V. 7. — Р. 433–440.
23. Cohen-Tanugi D., Grossman J.C. Water Desalination
across Nanoporous Graphene // Nano Lett. — 2012. —
V. 12, N 7. — P. 3602–3608.
24. Astier Y., Datas L., Carney R. et al. Surface modified
Si3N4 artificial nanopores for single surface modified
gold nanoparticle scanning // Small. — 2011. — V. 7,
N 4. — P. 455–459.
25. Uzun O., Stellacci F., Astier Y. Single Gold Nanoparticle
Capture and Release by the α-Hemolysin Protein Nano-
pore // Small. — 2009. — V. 5, N 11. — P. 1273–1278.
26. Lu B., Hoogerheide D.P., Zhao Q., Yu D. Effective driv-
ing force applied on DNA inside a solid-state nano-
pore // Phys. Rev. E. — 2012. — V. 86. — P. 011921.
27. Bahrami A., Doğan F., Japrung D., Albrecht T. Solid-
state nanopores for biosensing with submolecular
resolution // Biochem. Soc. Trans. — 2012. — V. 40,
N 4. — P. 624–628.
28. Albrecht T. How to Understand and Interpret Cur-
rent Flow in Nanopore. Electrode Devices // ACS
Nano. — 2011. — V. 5, N 8. — P. 6714–6725.
29. Yemini M., Hadad B., Liebes Y. et al. The controlled
fabrication of nanopores by focused electron-beam-
induced etching // Nanotechnology. — 2009. — V. 20,
N 24. — P. 245302.
30. Liebes Y., Hadad B., Ashkenasy N. Effects of electrons
on the shape of nanopores prepared by focused elec-
tron beam induced etching // Nanotechnology. —
2011. — V. 22, N 28. — P. 285303.
31. Novoselov K.S. Nobel Lecture: Graphene: Materials in
the Flatland // Rev. Mod. Phys. — 2011. — V. 83. —
P. 837–849.
32. Новоселов К.С. Графен: материалы Флатландии:
нобелевская лекция // Успехи физических наук. —
2011. — Т. 181, № 12. — С. 1299–1311.
33. Гусинін В.П., Локтєв В.М., Шарапов С.Г. Графен:
неймовірне стало можливим // Вісн. НАН Украї-
ни. — 2010. — № 12. — С. 51–59.
34. Garaj S., Hubbard W., Reina A. et al. Graphene as a
sub-nanometer trans-electrode membrane // Natu-
re. — 2010. — V. 467. — P. 190–193.
46 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 8
ГРАНІ НАУКИ
35. Wells D.B., Belkin M., Comer J., Aksimentiev A. As-
sessing Graphene Nanopores for Sequencing DNA //
Nano Lett. — 2012. — V. 12, N 8. — P. 4117–4123.
36. Hornblower B., Coombs A., Whitaker R.D. et al. Single-mo-
lecule analysis of DNA-protein complexes using nano-
pores // Nature Methods. — 2007. — V. 4. — P. 315–317.
37. Comer J., Ho A., Aksimentiev A. Toward detection of
DNA-bound proteins using solid-state nanopores: in-
sights from computer simulations // Electrophoresis. —
2012. — V. 33, N 23. — P. 3466–3479.
38. Boukany P.E., Morss A., Liao W. et al. Nanochannel
electroporation delivers precise amounts of biomole-
cules into living cells // Nat. Nanotechnol. — 2011. —
V. 6. — P. 747–754.
39. Kowalczyk S.W., Wells D.B., Aksimentiev A., Dekker C.
Slowing down DNA Translocation through a Nano-
pore in Lithium Chloride // Nano Lett. — 2012. —
V. 12, N 2. — P. 1038–1044.
40. Чекман І.С. Нанофармакологія. — К.: Задруга,
2011. — 434 с.
41. Чекман І.С., Сімонов П.В. Природні наноструктури
та наномеханізми. — К.: Задруга, 2011. — 104 с.
42. Чекман І.С., Сімонов П.В. Структура і функція біо-
мембран: вплив наночастинок // Фізіологіч. журн. —
2011. — Т. 57, №6. — С. 99–117.
Стаття надійшла 13.03.2013 р.
И.С. Чекман, Е.В. Костюченко
Национальный медицинский университет
им. А.А. Богомольца
бульв. Шевченко, 13, Киев, 01601, Украина
НАНОКАНАЛЫ И НАНОПОРЫ:
СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ
В обзорной статье обобщены результаты исследо-
ваний по изучению физических, физико-химических,
химических, биологических, биохимических, фар-
макологических и токсикологических свойств нано-
каналов и нанопор. Такие исследования являются
перспективными, в частности в ранней диагностике
и лечении злокачественных опухолей. Данная тема-
тика имеет важное биологическое, медицинское,
фармакологическое, техническое значение, что де-
лает актуальным продолжение исследований по из-
учению свойств наноканалов и нанопор для более
широкого их применения в различных областях дея-
тельности человека, в том числе — в медицинской
практике.
Ключевые слова: наноканалы, нанопоры, нано-
трубки, биологические нанопоры, твердотельные на-
нопоры.
I.S. Chekman, E.V. Kostyuchenko
Bogomolets National Medical University
13 Shevchenko Blvd, Kyiv, 01601, Ukraine
NANOCHANNELS AND NANOPORES:
STRUCTURE, PROPERTIES, APPLICATIONS
In this overview the results of research on the physi-
cal, physicochemical, chemical, biological, biochemical,
pharmacological and toxicological properties of nano-
channels and nanopores are summarized. Such studies are
very promising, especially in the early diagnostics and
treatment of malignant tumors. This subject matter has a
great biological, medical, pharmaceutical, technical
meaning, which makes it relevant to continue researches
on the properties of nanochannels and nanopores for wid-
er application in various fields of human activity, includ-
ing the medical practice.
Keywords: nanochannels, nanopores, nanotubes, bio-
nanopores, solid-state nanopores.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-67870 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0372-6436 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:32:58Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Чекман, І.С. Костюченко, Є.В. 2014-09-11T17:38:41Z 2014-09-11T17:38:41Z 2013 Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання / І.С. Чекман, Є.В. Костюченко // Вісн. НАН України. — 2013. — № 8. — С. 34-46. — Бібліогр.: 42 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/67870 615.011+539.2 В оглядовій статті узагальнено результати досліджень з вивчення фізичних, фізико-хімічних, хімічних, біологічних, біохімічних, фармакологічних і токсикологічних властивостей наноканалів та нанопор. Такі дослідження є перспективними, зокрема в ранній діагностиці і лікуванні злоякісних пухлин.
 Тематика має важливе біологічне, медичне, фармакологічне, технічне значення, що актуалізує продовження досліджень з вивчення властивостей наноканалів і нанопор для ширшого застосування в різних
 галузях діяльності людини, в тому числі — у медичній практиці. В обзорной статье обобщены результаты исследований по изучению физических, физико-химических,
 химических, биологических, биохимических, фармакологических и токсикологических свойств наноканалов и нанопор. Такие исследования являются
 перспективными, в частности в ранней диагностике
 и лечении злокачественных опухолей. Данная тематика имеет важное биологическое, медицинское,
 фармакологическое, техническое значение, что делает актуальным продолжение исследований по изучению свойств наноканалов и нанопор для более
 широкого их применения в различных областях деятельности человека, в том числе — в медицинской
 практике. In this overview the results of research on the physical,
 physicochemical, chemical, biological, biochemical,
 pharmacological and toxicological properties of nanochannels
 and nanopores are summarized. Such studies are
 very promising, especially in the early diagnostics and
 treatment of malignant tumors. This subject matter has a
 great biological, medical, pharmaceutical, technical
 meaning, which makes it relevant to continue researches
 on the properties of nanochannels and nanopores for wider
 application in various fields of human activity, including
 the medical practice. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Грані науки Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання Наноканалы и нанопоры: строение, свойства, применение Nanochannels and nanopores: structure, properties, applications Article published earlier |
| spellingShingle | Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання Чекман, І.С. Костюченко, Є.В. Грані науки |
| title | Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання |
| title_alt | Наноканалы и нанопоры: строение, свойства, применение Nanochannels and nanopores: structure, properties, applications |
| title_full | Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання |
| title_fullStr | Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання |
| title_full_unstemmed | Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання |
| title_short | Наноканали і нанопори: будова, властивості, використання |
| title_sort | наноканали і нанопори: будова, властивості, використання |
| topic | Грані науки |
| topic_facet | Грані науки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/67870 |
| work_keys_str_mv | AT čekmanís nanokanaliínanoporibudovavlastivostívikoristannâ AT kostûčenkoêv nanokanaliínanoporibudovavlastivostívikoristannâ AT čekmanís nanokanalyinanoporystroeniesvoistvaprimenenie AT kostûčenkoêv nanokanalyinanoporystroeniesvoistvaprimenenie AT čekmanís nanochannelsandnanoporesstructurepropertiesapplications AT kostûčenkoêv nanochannelsandnanoporesstructurepropertiesapplications |