Природоподо́бные ме́тоды си́нтеза наночасти́ц мета́ллов, способы получения наночастиц металлов, основанные на изучении образцов, объектов и процессов живой природы, осмыслении их механизмов и воспроизводстве в виде технических решений.

Термин «природоподобные» был введён М. В. Ковальчуком, директором Национального научного центра «Курчатовский институт». В западных источниках аналогом этого термина является бионика. В общем случае биотехнологии бывают и не природоподобными.

Наночастицы благородных и тяжёлых металлов могут быть получены подобно тому, как это происходит в природе. Катионы этих металлов поглощаются растениями из почвы или из водоёмов и взаимодействуют с продуктами обмена (метаболитами) растений. Это низкомолекулярные (спирты, фенолы, аминокислоты и др.) и высокомолекулярные биополимеры (полисахариды, белки́, ферменты, нуклеиновые кислоты). Эти вещества способны восстанавливать катионы металлов до нейтральных атомов. Последние объединяются в наночастицы размером 1–100 нм. Для биосинтеза можно использовать отдельные метаболиты. Технологично использовать биополимеры как восстановители, тогда наночастицы образуются непосредственно в гидрогеле биополимера. Такая композиция обладает биоцидными свойствами. Для производства наночастиц металлов можно использовать многие микроорганизмы (бактерии, грибы, дрожжи) и вирусы. При попадании катионов металлов внутрь клетки микроорганизма они взаимодействуют с аппаратом репликации клетки (ДНК, РНК, ферментами и др.). Последние восстанавливают катионы до атомов, и далее образуются наночастицы за счёт ассоциации атомов. Завершающей стадией синтеза является отделение биомассы от наночастиц.

В живой природе многие биохимические процессы протекают как нанотехнологические по схеме «снизу вверх». К таким природным нанотехнологиям относится биосинтез растениями, животными (в меньшей степени), микроорганизмами и продуктами метаболизма (биологические молекулы и макромолекулы) живых организмов.

В природе водорастворимые соли содержатся в почве, в водоёмах, в пище. Из этих источников они могут попадать в живой организм, а затем проникать в клетки ткани, где происходят последующие превращения.

Соли металлов (${Ме}$) диссоциируют по схеме $\text{Men + Ann– = Men+ + Ann–}$ в водной среде, где $\text{Аnn}$ – остаток кислоты (все живые организмы содержат в большом количестве воду, человек – 50–86 %). Далее катионы металлов попадают в клетки, ткани, органы. В клетках, куда попадают катионы металлов $\text{Men+}$, они вступают в восстановительно-окислительные реакции с продуктами метаболизма (низкомолекулярные и высокомолекулярные сахара, аминокислоты, полисахариды, белки́ и др.). Все эти продукты выступают в роли биовосстановителей катионов, а катионы металлов окисляют эти биологические вещества (БВ) по схеме $\text{Men+ + БВ → Me} + БВ_{окисл}$, где ${БВ}_{окисл}$ – биологическое активное вещество-окислитель. Затем происходит агрегация металла до размеров наночастиц (1–100 нм) по схеме $\text{nMe =(Me0)}\text{n} =\textit{m}_{НЧ}$ (нуклеация – рост – стабилизация), где ${m_{НЧ}> \text{n}}$ (здесь ${n}$ – число атомов металла, ${m_{НЧ}}$ – число наночастиц).

Этот синтез протекает так же, как и в живой природе, – в водной среде при комнатной температуре или при нагревании до 60–80 °С. Образование наночастиц металлов (${НЧ}_{Ме}$) происходит в течение нескольких минут или часов при определённых значениях ${рН \sim ~ 5 – 12}$.

Наиболее эффективно использовать в качестве биовосстановителей биополимеры (полисахариды, белки́). В этом случае биополимер выполняет несколько важных функций:

• биореактор, в матрице (гидрогель) которого происходят все стадии биосинтеза: восстановление, нуклеация, рост, стабилизация ${НЧ}_{Ме}$;

• биовосстановитель катионов металлов;

• коллоидный стабилизатор нанодисперсии ${НЧ}_{Ме}$ в гидрогеле.

Поскольку конечный продукт – ${НЧ}_{Ме}$ – биосовместим с живыми организмами, в матрице гидрогеля они могут быть непосредственно использованы как лечебное средство в медицине или как биоцид широкого спектра действия для борьбы с разными видами инфекций. Доказано, что ${НЧ}_{Ме}$ являются мощными биоцидами по отношению к патогенным бактериям и вирусам.

Во взаимодействии ${НЧ}_{Ме}$ с клетками разной природы (онко-, патогенных микроорганизмов, а также здоровых) проявляется своеобразный дуализм. Общий механизм взаимодействия заключается в том, что при встрече с клетками любой природы ${НЧ}_{Ме}$ начинают взаимодействие с оболочки мембраны клетки. ${НЧ}_{Ме}$ присоединяются к мембране и взаимодействуют с одной из её составляющих – глюкопротеинами – и «продырявливают» мембрану. В результате в ней образуются отверстия, соизмеримые с размером ${НЧ}_{Ме}$. Проникая внутрь клетки, ${НЧ}_{Ме}$ взаимодействуют с компонентами протоплазмы (ДНК, РНК, ферменты и др.). В результате клетка теряет способность реплицировать и погибает. На этом основана биоцидность ${НЧ}_{Ме}$, убивающих клетки бактерий, вирусов и раковые клетки (противораковые свойства).

Можно такой же механизм запустить для биосинтеза ${НЧ}_{Ме}$. Для этого в качестве прекурсора используют водорастворимые соли металлов. В этом случае происходит диссоциация водорастворимой соли металла, и катионы металла $\text{Men+}$, сталкиваясь с мембраной клетки микроорганизма, взаимодействуют с составляющими протоплазмы, восстанавливающими катион металла $\text{Men+}$ до нуль-валентных атомов металла $\text{Ме}^{0}$, которые агрегируют до наноразмерных ассоциатов $\text{(Me0)n} = {НЧ}_{Ме}$. Остаётся только отделить ${НЧ}_{Ме}$ от биомассы микроорганизмов. В качестве биофабрик по биосинтезу ${НЧ}_{Ме}$ могут быть использованы практически все виды бактерий и вирусов.

Механизм действия наночастиц серебра на ДНК и клеточные стенки бактерий и нарушение обмена веществ микробов.Механизм действия наночастиц серебра на ДНК и клеточные стенки бактерий и нарушение обмена веществ микробов.Ha рисунке представлен механизм взаимодействия катионов металлов $\text{Men+}$ (на примере катионов серебра) с клетками патогенных микроорганизмов. При низких концентрациях $\text{Men+}$ происходит их трансформация и превращение в $\text{Me0}$ и далее в $\text{(Me0)n} = {НЧ}_{Ме}$.

При высоких концентрациях $\text{Men+}$ происходит «уничтожение» патогенных микроорганизмов наночастицами металлов или катионами металлов.

На практике чаще всего биосинтез $\text{Men+}$ проводят в среде биополимеров и с помощью биополимеров. Принципиально для этого подходят все биополимеры (полисахариды, белки́) и все водорастворимые соли благородных и тяжёлых металлов. В каждом случае необходимо подбирать эмпирически условия биосинтеза (концентрация полимеров и прекурсора, ${рН}$, температура, продолжительность).