Российское трансгуманистическое движение. Нанороботы и жизнь Нанороботы в медицине когда появятся

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В книге «Машины создания » американского ученого Эрика Дрекслера была рассмотрена идея создания наноробота как «машины по ремонту клеток», которая смогла бы ставить диагноз, передавать информацию и создавать программу для лечения человека. Конечно, это звучит очень фантастично, но ученые уверяют, что в будущем такие «машины-нанороботы» помогут людям жить вечно: они смогут предотвратить множество болезней, излечиться от уже имеющихся и таким образом приблизиться к бессмертию. То, что это вполне возможно, доказывают современные научные исследования, а вот будет ли это доступным всем - совсем другой вопрос.

Спонсор номинации - .

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу , стал предприниматель Константин Синюшин , за что ему огромный человеческий респект!

Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас ».

Спонсоры публикации этой статьи - Надежда и Алексей Браже.

Около 20 000 лет тому назад человек
начал одомашнивать растения и животных.
Сейчас наступило время одомашнивать молекулы.
Сьюзан Линдквист .

Представьте, что вы заболели обычной простудой и направляетесь к врачу за лечением, но вместо того, чтобы выписать вам таблетки или укол, он направляет вас в медицинский центр, который «запустит» в вашу кровь крошечных роботов. Они обнаружат причину заболевания, отправятся в нужную систему органов и доставят необходимую дозу лекарственного препарата непосредственно в «зону поражения». Вы удивитесь, но современная медицина не так уж и далека от таких устройств, которые уже отчасти используются. Эти специфические устройства названы нанороботами, которые создаются на основе наноэлектронных структур и биотехнологий и приобретают новые физико-химические свойства, отличающиеся от составляющих их молекул и атомов . Такие нанороботы будут способны функционировать в организме человека и выполнять разнообразные функции: от контроля молекулярных и клеточных процессов до диагностики и «ремонта» организма изнутри.

Наномедицина - что это?

Окружающий нас мир меняется все быстрее и быстрее, и реальным становится то, что раньше было лишь вымыслом футурологов. Наномедицина и нанотехнологии коренным образом меняют взгляд человека на окружающий мир. О наномедицине, способной показывать человеку «чудеса» регенерации, решать проблемы биологического старения и многое другое, можно говорить, как о новой вехе в развитии современной науки.

По определению Роберта Фрейтаса: «Наномедицина - это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наночастиц и наноустройств » . Возникновение наномедицины связывают с 1957 годом, когда будущий лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман прочитал лекцию в калифорнийском технологическом институте и произнес свою знаменитую фразу: «Внизу полным полно места » . Он указал мировому сообществу, что, несмотря на фундаментальные знания о микромире, человечество не умеет использовать все свои возможности для продуктивной работы в данной отрасли. В то время его слова казались фантастикой, и мало кто мог предположить, что уже через несколько десятилетий появятся технологии, способные работать на молекулярном и атомном уровнях.

«Молекулярные машины»

Один из основоположников нанотехнологических разработок американский ученый Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал новую медицинскую технологию - использование «молекулярных машин». Начало развития этого направления можно связать с 1986 годом, когда Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии ». Несколько позже, в 1991 году, он защитил докторскую диссертацию, а в 1992 году выпустил монографию «Наносистемы», где были изложены научные основания построения нанороботов - наномашин для ремонта клеток. По его мнению, медицинские нанороботы должны уметь диагностировать заболевания, доставлять лекарственные препараты, циркулировать в лимфатических и кровеносных сосудах человека и даже делать хирургические операции. Дрекслер предположил, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики .

Как же создать «конструктор» из атомов и молекул?

До сих пор не существует ни одной методики инженерного проектирования молекулярных структур в виде работоспособных крошечных роботов. Их еще предстоит разработать, но современные достижения науки настраивают на оптимизм: уже созданы моторчики диаметром 500 нм, которые могут использоваться в качестве двигателей для нанороботов , наножидкостные и наноэлектронные системы типа «лаборатории-на-чипе», разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в организме человека. Существует практическая программа исследований, основанная Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом в 2000 году и направленная на создание алмазной механосинтетической фабрики, которая будет создавать нанороботов на основе алмазных соединений .

В 2016 году за разработку молекулярного двигателя Бернарду Ферринге была присуждена Нобелевская премия по химии: «Наноавтомобиль, молекулярный лифт и искусственные мышцы - названы лауреаты Нобелевской премии по химии 2016 » . - Ред.

Наряду с нанороботами из алмазоидов, биоинженеры планируют активно создавать нанороботов из клеточных органелл и других биологических объектов: с митохондриями вместо аккумуляторов, миозиновыми волокнами для движения белковых жгутиков, рибосомами для синтеза необходимого белка, антителами для распознавания молекул, молекулами ферментов, вакуолями с самостоятельно синтезированным лекарственным веществом. Фактически это будет искусственно сконструированная живая клетка с заданными функциями , . Геномика и протеомика развиваются такими темпами, что получение биологических нанороботов будет эффективным добавлением к механическим нанороботам.

Несмотря на все достижения науки, действующие и эффективные конструкции нанороботов пока не разработаны и находятся на стадии задумок и проектирования. Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые: навигация, питание и передвижение нанитов по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов.

1. Навигация нанороботов

Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов - применение ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в место назначения. Врачам отправляли бы ультразвуковые сигналы в тело пациента и регистрировали их, работая на специальном оборудовании с ультразвуковыми датчиками.

Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его по магнитному полю.

2. Питание нанороботов

В качестве основных источников энергии предполагается использование собственных запасов непосредственно из кровотока человека. Наноробот с установленными электродами может сформировать «батарею» на основе электролитов, найденных в крови. Другой вариант заключается в создании химических реакций с кровью для превращения ее в энергию.

Также существует предположение по дополнению функции митохондрий глюкозным механохимическим реактором.

3. Передвижение нанороботов

В настоящее время уже разработано несколько нанодвигателей различных типов, которые в будущем смогут обеспечить нанороботам перемещение в пространстве. Одним из таких двигателей является диэлектрофорезный наномотор . Работа двигателя построена на процессе притягивания и отталкивания частиц в сильном неоднородном электростатическом поле.

Другой вариант нашли израильские и немецкие ученые из Технологического института Технион (Израиль), Института интеллектуальных систем Макса Планка (Германия) и Института физической химии университета Штутгарта (Германия). В статье, опубликованной в сентябрьском выпуске ACS Nano 2014 года, израильская и немецкая команда объявила, что им удалось создать крошечный винтообразный придаток, который может двигаться в гелеобразной жидкости, имитирующий окружающую среду внутри живого организма . Форма нанопропеллера далека от форм пропеллеров, которые мы привыкли видеть. Исследователи придали своему нанодвигателю форму спирали, которая представляет собой закрученную нить из кварца и никеля. Ширина спирали составляет 70 нанометров, а длина - 400 нанометров. Такие размеры делают спираль нанодвигателя в 100 раз меньше диаметра клетки крови человека. При этом управление происходит за счет переменного магнитного поля, полностью исключающего какие-либо виды облучения человеческого организма. Меняя параметры данного поля, ученые регулируют направление и скорость движения механизма, доставляя его точно в заданную точку тела.

Прототипы нанороботов

С каждым годом микроробототехника существенно продвигается вперед. Только за последнее десятилетие в этой сфере появилось сразу несколько прорывных технологий.

1. ДНК-нанороботы

В 2014 году команда исследователей из Университета Бар-Илан в Израиле опубликовала статью в журнале Nature Nanotechnology , в которой продемонстрировала возможность создания нескольких нанороботов на основе нитей ДНК, которые затем были введены в организм лабораторных тараканов . Эти ДНК-наноботы представляли собой свернутые особым образом и имеющие заданную последовательность молекулы ДНК, которые, попав в среду живого организма, начинали разворачиваться и взаимодействовать друг с другом и с клетками этого организма. Исследователи «размотали» нити ДНК, а затем «связали» их в новую структуру, похожую на «коробку-оригами» . В нее затем поместили по одной химической молекуле (рис. 1). При столкновении с определенными белками «ДНК-коробка» открывалась и высвобождала заключенные в изгибах ДНК химические частички, которые могли действовать согласно заложенной в них программе на процессы жизнедеятельности клеток организма или выступать в качестве лекарственных препаратов. Нанороботы были снабжены метками светящегося материала, благодаря которому было возможно определять их положение в пространстве и следить за перемещением. Во время эксперимента ДНК-нанороботы показали высокую точность функционирования и взаимодействия между собой, граничащую с точностью работы компьютерной программы.

Подробнее метод ДНК-оригами рассматривается в статьях: «ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет » , «Голактеко опасносте: ДНК-роботы в живом организме » и «Биоинженеры научились получать ДНК-структуры, сборкой и разборкой которых можно управлять » . - Ред.

Рисунок 1. Робот представляет собой шестигранную призму, внутри которой спрятан «важный груз» - в данном случае, антитело, способное связываться с клетками крови тараканов. На рисунке - скриншот программы caDNAno, позволяющей моделировать структуру ДНК-оригами и подбирать необходимые для конструкции нуклеотидные последовательности.

2. Наноробот - морской гребешок

Ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка в 2014 году сконструировали необычного микроскопического робота для передвижения по жидкостям человеческого тела. Отличает его от всех прежних прототипов сходство с морским гребешком (рис. 2). Подобно этому моллюску наноробот способен передвигаться за счет движений створок «раковины» с помощью реактивной тяги. При этом роботу достаточно энергии внешнего электромагнитного поля, что позволило обойтись без источника питания и уменьшить размеры раковины .

Рисунок 2. «Целебные гребешки». Такой механизм плавания нанороботов из полидиметилсилоксана открывает новые возможности в проектировании биомедицинских микроприборов.

3. «Цинковые наноракеты»

Исследователи из Калифорнийского университета Сан-Диего в 2015 г. создали нанороботов, способных перемещаться внутри живого организма и доставлять груз лекарственных препаратов в необходимое место, не влияя на организм . Микродвигатель этих «молекулярных машин» имеет химическую природу и продвигает наноботов за счет пузырьков газа, выделяющихся в ходе реакции между жидкостью внутри организма и материалом, находящемся в двигателе (рис. 3). Подопытными живыми организмами были грызуны. Наниты, изготовленные из специального полимера, имели форму трубки длиной около 20 микрометров и диаметром 5 микрометров и были покрыты толстым слоем цинка. Нанороботы вводились в пищеварительный тракт животного и достигали его желудка, где цинк начинал реагировать с соляной кислотой, входящей в состав пищеварительных соков. Выделяющийся при этом водород вырывался из внутренней полости трубок-наноботов, превращая их в подобие миниатюрных ракет (видео 1).

Рисунок 3. Устройство цинковых наномоторов. а - Механизм работы «цинкового мотора». б - Построение микродвигателей с помощью поликарбоната. в - Цинковые «наноракеты» под микроскопом. г - Фазы движения нанороботов.

Они развивали скорость около 60 микрометров в секунду, были способны покидать пределы желудка и закрепляться на стенках кишечника, где высвобождали наночастицы из лекарственных препаратов. Согласно данным, полученным в ходе эксперимента, наноботы оставались прикрепленными к стенкам кишечника в течение 12 часов, даже несмотря на прием пищи подопытным животным, что является доказательством их эффективности.

4. «Шустрые» наниты

Одним из последних достижений в области наноробототехники является создание исследователями из Университета Дрекселя крошечных роботов, способных развивать большую скорость в жидкой среде . Нанороботы представляют собой цепочки из крошечных круглых частиц. Магнитное поле вращает частицы, подобно винту. При этом, чем длиннее цепочка, тем бóльшую скорость она может развить (рис. 4). Ученые создавали различных роботов: начиная с цепочки из трех «бусин» до цепочки из 13 частиц, которая достигала скорости 17,85 микрометра в секунду (видео 2). Движение наноботов было возможно благодаря применению внешнего магнитного поля. Чем быстрее была скорость вращения поля, тем быстрее перемещались цепочки. При этом высокая частота приводила к деформации цепочек и способствовала их разделению на более мелкие цепочки: из трех или четырех частиц. Ученые планируют использовать эти устройства в будущем для доставки лекарственных веществ по кровеносным сосудам.

По образу и подобию

Какой станет медицина будущего? Как она изменит нас и наше отношение к жизни? Смогут ли «нанороботы-врачи» заменить человека? Эти вопросы звучат, как нечто фантастическое. Несмотря на то, что конструкция медицинских нанороботов существует пока в головах ученых, уже сейчас можно с гордостью говорить о достижениях нанотехологии в медицине: это и адресная доставка лекарств, и контроль биохимии процесса лечения, и диагностика заболеваний с помощью квантов, и лаборатория на чипе .

Ожидается, что достижения в наноробототехнике станут доступными не ранее, через полвека, однако последние разработки в этой отрасли вселяют уверенность в то, что это произойдет намного раньше. Будем надеяться, что через пару веков гений человека сможет на практике использовать нанороботов в хирургических операциях, в лечении разнообразных заболеваний и, в конце концов, для оживления и «ремонта» человека

Нанороботы — это научный прогресс, который относится к созданию новейших технологий. Эти микроскопические машины способны выполнять определённые действия, на которые они запрограммированы в процессе создания. Также, продумали создание нанороботов способных размножаться и назвали их репликаторами.
Но существует и иная противоречивая точка зрения, которая значительно сужает круг работы нанороботов. То – есть каждый экземпляр выполняет определённую цель. В основном суть таких устройств заключается в воздействии на молекулярном уровне.
Но это только планы, которые скоро претворятся в жизнь. А на данный момент неизвестно ни одного случая взаимодействия с нанороботами, так как точное время доработки проектов и создания наноробов удовлетворяющих требованиям пока не известно.
Радует и то, что прототипы данного устройства заняли лидирующее место в определённой сфере науки. Речь идёт о специальных датчиках, которые ведут учёт молекул в образцах, но и они не нашли столь широкого применения в наше время.

В недалёком 2008 году команда учёных создала робот, которым можно управлять с помощью дезоксирибонуклеиновой кислоты. Этот робот собирается самостоятельно. Используя его возможности можно создавать компьютеры для работы с генами и выполнения логических операций. После, в 2010 году были созданы первые наномашины, которые работают на основе ДНК. То — есть, если DNA box работают на фрагментах ДНК, то тут ДНК полностью обеспечивают работу наномашин.

По типу нанороботы различаются способностью и неспособностью репликации. Даже некоторые учёные бьют тревогу, рассматривая способность машин к саморазмножению. Они считают, что этот тип может представить серьёзную опасность всему человечеству. Но это скорее зависит от интенсивности размножения. Да и сторонники саморазмножающихся машин гарантируют, что определённый момент размножения будет запрограммирован согласно среде производства. Поэтому делать выводы пока рано, тем более можно нарваться на двоякое спорное мнение по этому поводу.

Большие надежды возлагают на машины, учёные – медики. Но и они отрицают производство нанороботов способных к репликации, так как это может привести к возможным ошибкам и недостоверной информации о состоянии здоровья больных. Выход – создание отдельных фабрик для производства нанороботов используемых в медицинской сфере.

Производство и разработка конструкций

Вместе с задумками и детальной разработкой машин учёными, само собой появляется вопрос о реализации устройств. Это направление не оставили без внимания компании, которые создали «сотрудничество по разработке нанофабрик» где изучается возможность создание машин из различных материалов. И именно они нашли способ в использовании алмазов для создания конструкции нонороботов. На нанофабрики направлены основные усилия, ведь там разрабатывают не только основные компоненты машин, но и учитывается функциональное предназначение каждого вида и их количество.
К созданию основных компонентов машин относится разработка молекулярных моторов, которые имеют способность перерабатывать в кинетическую энергию различные типы существующих энергий. За счёт этого, они смогут вращаться в одном направлении.
Способов производства нанороботов два. К ним можно отнести:
3D печать;
двухфотонную литографию.

3D печать используется для создания физических предметов, используя чертежи, или лазерную гравировку. Выглядит 3D печать, созданная с помощью чертежей, как полноценная трёхмерная модель. Но производить наноустройства таким способом можно при условии высокой точности современных принтеров, дабы не упустить, ни одну деталь. Поэтому гравировка с использованием лазера позволяет добиться более высокоточных результатов. А принтер, использующий этот способ, может даже создавать составляющие части машин.
Если говорить о двухфотонной литографии, то следует отметить, что тут не отвергается использование 3D принтеров. Просто печать производится путём лазерного луча, отправляющего на точку фотоны. Этот способ тоже хорош тем, что создаёт высокоточную конструкцию или часть конструкции. Какой использовать способ пока не определились, но все они изучаются очень тщательно.

Если производители добьются своей цели и создадут нанороботы, то сфер применения их будет множество. Во-первых, как мы уже и говорили выше, медицина возлагает большие надежды на наномашины . Помимо контроля за состоянием здоровья больных, особенно в послеоперабельный период и страдающих сахарным диабетом, их планируют использовать для выявления и уничтожения раковых клеток, которые находятся в различных стадиях.
В военной отрасли, нанороботы могут быть инструментом для разведывательных операций и даже для устранения противников.

Видео:

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В статье рассказано о подходах к пониманию устройства клетки - от идей теоретической биологии и концепций «белок-машина» до современных подходов и открытий: нанороботов, микротрубочек и секвенирования генома. Совместная, точно согласованная работа миллионов нанороботов создает то уникальное явление, которое мы называем жизнью.

Генеральный спонсор конкурса - компания : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро ».

«Книжный» спонсор конкурса - «Альпина нон-фикшн »

Цитология - наука о клетке

Рисунок 4. Обложка книги Эрвина Бауэра

Конечно, в каком-то смысле и звезда - тоже «процесс», как и клетка: звезда превращает водород в гелий и в конце концов, когда все топливо в ней сгорит, «умирает». Да и самая обыкновенная табуретка, если к ней внимательно приглядеться, не остается вечно такой, какой ее сделали: краска с нее слезает, дерево постепенно высыхает или гниет, крепления разбалтываются... Но живая клетка (и живой организм в целом) принципиально отличается от этих мертвых предметов.

Задумывались ли вы о том, почему камень равнодушно подчиняется действию внешней силы, а живое - сопротивляется? Почему палка плывет по течению, а рыба, идущая на нерест, проходит десятки километров против него? Почему, наконец, мы с вами можем сами определять свое поведение, преодолевая препятствия, которые нам ставит внешний мир?

Первый серьезный шаг для понимания этих вещей сделал советский биофизик Эрвин Бауэр , выдвинувший принцип устойчивого неравновесия:

«...живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях » (рис.4).

Иначе говоря, «живая система» в каком-то смысле нарушает законы физики и химии! Но нарушает она их не иначе, как с их же собственной помощью. Живой объект, используя химические вещества и физические взаимодействия, умеет преодолевать земное притяжение, бороться с течением воды и движением воздуха, делать вредные вещества полезными (например, страшный окислитель кислород, который с точки зрения химии ничем не лучше хлора, дает нам возможность дышать и благодаря этому приобретать энергию; вообще же история борьбы с окислителями-радикалами изложена доступно в статье «Сказка-комикс о великой битве между радикалами и антиоксидантами » ).

Но «равновесие» - это не только состояние, при котором, например, чаши весов уравновешиваются и перестают качаться. В равновесном положении оказывается газ, когда он перетекает из баллона в воздух комнаты и смешивается с атмосферой. В равновесном положении с окружающим воздухом находится печь, когда она полностью отдает свое тепло. Раздел физики - наука термодинамика - утверждает, что, когда система, состоящая из многих молекул, стремится к равновесию, в этой системе увеличивается беспорядок (хаос). Мера хаоса называется «энтропия ». В замкнутых системах энтропия может только расти. Но живые клетки - открытые, а не замкнутые системы. Поэтому они могут сопротивляться росту энтропии. Работая против равновесия, живые существа вносят в мир порядок и ежесекундно сражаются с одолевающим их со всех сторон хаосом. Лисы роют норку и спасаются в ней от зимней стужи, бобры строят плотины и повышают уровень воды, которая сама по себе норовит разлиться по плоскости как можно более тонким слоем.

Такое чудо ежесекундно творит любой живой организм. Но точно так же ведет себя каждая живая клетка. На примере ее поведения, которое проще, чем поведение больших организмов (хотя и клеточное поведение не такое простое, как кажется), можно попытаться понять, что такое жизнь и как именно она борется с «равновесием».

Цитология делает успехи

Нанороботы - фантастика и реальность

В конце прошлого тысячелетия американский ученый Эрик Дрекслер , воодушевленный открытиями в области нанотехнологий, прославился своими, по существу, научно-фантастическими книгами, в которых он мечтал о том, что скоро будут построены «наноассемблеры», способные прямо из атомов собирать все, что угодно. В частности, он писал о «нанороботах», которые смогут делать полезную для здоровья человека работу - чистить кровеносные сосуды, уничтожать раковые клетки, бороться с бактериями.

Нечто похожее в своем фантастическом рассказе «Микроруки» предсказал еще в 1931 году детский писатель Борис Житков . Герой рассказа сделал устройство, позволяющее производить операции с отдельными клетками. От рук человека усилия передавались на микроруки, которые могли делать операции, что не снились и лесковскому Левше! Вот что писал Житков: «Меня приглашали делать самые тонкие операции, где ни один хирург не знал бы, как повернуться. Я мог своими микроруками быстро и без промаху работать под сильнейшим микроскопом. Мельчайшие ростки злокачественной опухоли я удалял из живого организма, я рылся в больном глазу, как в огромном заводе, и у меня не было отбоя от работы. Но меня это не останавливало на моем пути. Я хотел сделать истинные микроруки, такие, которыми я мог бы хватать частицы вещества, из которых создана материя, те невообразимо мелкие частицы, которые видны только в ультрамикроскоп. Я хотел пробраться в ту область, где ум человеческий теряет всякое представление о размерах ― кажется, что уж нет никаких размеров, до того все невообразимо мелко ».

Но героя рассказа поджидала неудача: в процессе охоты за отдельными клетками одна из тварей - «змея-инфузория» - сломала его устройство! Да и руки чуть ему не поломала ― потому что его усилия, как по рычагу Архимеда, передавались в микромир, уменьшаясь в миллионы раз, а силы микромира так же увеличивались и давили на его руки...

Известно, что слово «техника» происходит от греческого «технэ » ― «искусство», и нанотехнологии это подтверждают: они смыкаются с искусством. Сейчас у специалистов появилась возможность лепить молекулярную структуру атом за атомом, как скульптуру. Открываются фантастические возможности свободного творчества. Конструкторы становятся художниками-демиургами, создающими вещи «с нуля»! Но вдруг эти вещи выйдут из-под контроля и начнут размножаться, как зловредные вирусы? Эрик Дрекслер в книге «Машины творения» изрядно испугал читателя рассказами о грядущей победе «серой слизи ». Он писал, что нельзя недооценивать опасности от нанотехнологий. Сейчас нас стращают новой напастью - искусственным интеллектом. А что, если этот интеллект станет изготавливать монстров на «нанофабриках»? Художник Евгений Подколзин для альманаха «Хочу все знать» эту ситуацию обыграл в юмористическом ключе (рис. 5).

Рисунок 5. Наноробот конструирует монстра.

рисунок Евгения Подколзина

Создание новых структур на «нанофабриках» идет сейчас под контролем человека. Контроль необходим для уменьшения рисков безудержного спонтанного размножения наноструктур, которые, как в фантастическом триллере, могут вступить в битву с земной жизнью и изничтожить все живущее на земле, превратить планету в пристанище серой слизи. Заметим, что предпоследняя Нобелевская премия по химии присуждена за работы в области нанотехнологий - так что область эта очень даже горячая ...

Паровоз в кармане

Рисунок 6. Лев Блюменфельд

В любой живой клетке - даже в такой маленькой, как знаменитая бактерия Escherichia coli (она имеет около 5 мкм в длину и 1–1,5 мкм в диаметре), - работают миллионы белковых нанороботов. Они выполняют все необходимые для жизни клеточного государства дела. Есть нанороботы разных типов - посыльные, переносчики, конструкторы, ремонтники, уборщики.

Понимание того, как работают нанороботы, пришло не сразу. В шестидесятых годах ХХ века биофизики Дмитрий Чернавский , Юрий Хургин и Симон Шноль разработали концепцию «белок-машина», экспериментальным подтверждением которой занимался , основатель кафедры биофизики физического факультета МГУ (рис. 6). В своих работах он писал о неравновесных состояниях белков и о релаксации белка-машины в процессе превращения вещества в клетке .

Сейчас это уже стало общим местом: биофизики прямо заявили, что белок - это машина, обнаружены и молекулярные моторы (см. , например, статью «Белковые моторы: на службе у человека и нанотехнологий » ). Конечно, не простая машина, а особая, биологическая. Что такое вообще «машина»? В быту так называют автомобиль, стиральный агрегат, станок на заводе, а в девятнадцатом веке под этим подразумевалась паровая машина. Но если рассуждать научно, то машина - это система, построенная по плану из разных, несхожих между собой частей и предназначенная для выполнения определенных функций (такое определение дал в свое время академик Иван Артоболевский).

Ферменты и другие нанороботы в точности отвечают этому определению: они построены по плану, заложенному в ДНК, и выполняют строго определенные функции. Части белков - молекулы-мономеры - не похожи друг на друга, они имеют различную форму и химический состав. При соединении разных мономеров получается большая органическая молекула - полимер. Такие белки-полимеры и становится молекулярными машинами, нанороботами. В каждом нанороботе-ферменте существует его «структурная часть» (аналог станины станка) и «активный центр» - рабочий инструмент. Почти как на любом заводе! Вот только размеры таких машин не имеют аналогов в неживой природе.

А если размеры машины необыкновенные, то и работа этих устройств непохожа на привычные нам действия. Ведь в наномире почти всё не так, как в нашем, человеческом макромире. Мы не зря вспомнили про паровую машину. Принципы работы паровой машины легли в основу термодинамики - науки о передаче и превращении энергии. Это случилось не потому, что паровая машина такая идеальная - просто тогда, когда складывалась термодинамика, других машин не было. А ее устройство особенно наглядно демонстрирует процессы превращения энергии.

Без передачи и превращения энергии, конечно, не могут существовать никакие организмы и отдельные клетки. Вся их жизнь, как мы уже писали выше, это постоянный процесс обмена энергией с окружающей средой, такой обмен, в котором производится определенная работа. Только паровая машина выполняет свою работу чрезвычайно грубо, если сравнивать ее с действиями нанороботов. Паровая машина имеет дело с огромной массой молекул (пара или газа). При нагревании эти молекулы всей массой стремятся вырваться на свободу (то есть достичь равновесия с внешней, холодной средой), давят на преграждающий им путь к свободе поршень и совершают работу.

В наномашинах все наоборот. Белок-наноробот не способен перемещать большие объемы материи - зато он видит каждую молекулу в отдельности и способен распоряжаться заключенной в ней энергией. Представьте, что такие устройства используются в паровой машине: с каждой молекулой пара «работает» наноробот, ловит ее и оттаскивает на положенное место, а потом отпускает.

Тогда станут лишними тяжелый поршень, гидравлические приводы, и вся машинка мощностью в тысячу лошадиных сил может стать крохотной, размером с флешку или чип. Правда, для этого понадобится столько же нанороботов, сколько в данном объеме молекул пара или газа, да еще и устройства нужны специальные, «наученные» работать именно по этой профессии. А таких в природе еще надо поискать. Но перспективы открываются заманчивые.

Однако, как ни волшебно выглядел бы паровоз, который помещается в кармане, работа реальной живой клетки выглядит еще фантастичнее. Ведь паровая машина (как и любая другая энергоустановка) всего лишь использует стремление любой субстанции к равновесию с внешней средой, а пределом равновесия является так называемая «тепловая смерть Вселенной» - такое состояние, когда все объекты мира, от молекул до галактик, станут одинаково теплыми или, вернее, одинаково холодными, и всякое движение прекратится.

Совсем другой вектор имеет работа нанороботов. Они, в отличие от паровой машины, не просто используют энтропию, а противоборствуют ей по мере сил. Лев Блюменфельд писал, что «молекулярная машина» управляет состояниями отдельных молекул. Имея дело с молекулой вещества, нанороботы не позволяют ей двигаться хаотически - они переносят молекулы туда, куда нужно клетке для ее питания и роста, регулируют химию и физику процессов .

В конечном счете, энергия пара в котле (или энергия горящего топлива в автомобильном двигателе) - это сумма энергий движения отдельных молекул пара или другого «рабочего тела». Но когда паровая машина «складывает» эти энергии отдельных молекул, то при «обобщении» возникают неизбежные потери. Какие-то молекулы просачиваются сквозь щели в устройстве, какие-то залетают в угол без всякой пользы и т.п. Происходит примерно то же самое, что при плохом учете в крупном хозяйстве: часть товаров и материалов портится на складе, не принимая участия в производстве, другая часть направляется не по назначению, третью растаскивают грызуны... При оперировании миллионами и миллиардами объектов «усушка и утряска» неизбежны. Но они станут невозможны, если учитывается каждый предмет отдельно, если всё поставлено на учет, и у каждой вещи есть свой собственный кладовщик.

Конечно, в нашем мире это неосуществимо. Нам выгоднее потерять часть продуктов, чем оплачивать труд миллионов счетоводов и контролеров. Но в наномире свои представления о том, что выгодно и что невыгодно. Поэтому и КПД у машины-белка не 8 процентов, как у паровоза, а чуть ли не в 10 раз больше!

От классической машины белковые молекулярные машины отличаются еще одной особенностью. В обычной энергетической установке сама машина (ее механизм, корпус) и «рабочее тело» (водяной или бензиновый пар) - это разные объекты. Наноробот представляет собой, как правило, одновременно и механизм, и рабочее тело. Потоки энергии не струятся мимо нанороботов в виде пара или огня - они движутся в них самих в ходе химических реакций.

Микротрубочка - источник мысли?

Самый распространенный тип нанороботов - известные с XIX века ферменты. Только ферментов насчитывается около пяти тысяч разновидностей. Это особые белки - катализаторы биохимических процессов, которые без их участия шли бы во много раз медленнее.

Ферменты - белковые машины с жесткой программой. Каждый из них приспособлен для решения совершенно конкретной задачи. Но все они так или иначе являются катализаторами химических реакций, то есть помогают превращению одних веществ в другие. Вернее, ферменты просто превращают одну химическую реакцию, которая должна была бы идти «естественным путем» без особой пользы для клетки и организма, в другую - полезную. Как уже говорилось, они переправляют реакцию с пути наименьшего сопротивления (который дает мало энергии) на путь трудный, но зато энергетически эффективный.

Другой тип нанороботов - ремонтники. Хотя ДНК - молекула устойчивая, все же она может повреждаться. Причиной этого являются радиация, мутагенные вещества, свободные радикалы. Особую роль играет «депуринизация» - выщепление азотистых оснований молекулы ДНК, то есть, по сути, ее разрушение. В простом (неживом) растворе этот процесс идет достаточно быстро, и если бы то же самое происходило в клетке, ДНК не прожила бы более недели, и клетка была бы обречена на гибель. Впрочем, и ДНК каждой клетки человека теряет за сутки около пяти тысяч пуриновых оснований. Но в клетке работают особые устройства - репарационные комплексы («репарация» по латыни означает «восстановление»). Их можно сравнить с ремонтной бригадой на железной дороге, которая все время ездит по рельсам, находит повреждения и исправляет их. Репаразы способны восстанавливать даже радиационные повреждения ДНК. Сложность работы репараз (как, впрочем, и других нанороботов) вызывает восхищение - компьютер с трудом может смоделировать их действия. Для постижения работы этих устройств требуется знание высшей математики и квантовой физики.

Процесс деления клетки - будь то митоз или мейоз - это один из самых фантастических процессов во Вселенной. Он обслуживается огромной командой нанороботов. Кроме тех, что связаны с удвоением ДНК, в эту команду включены нанороботы центриолей. Центриоли представляют собой своеобразные полюса, вокруг которых закручивается «веретено» генетического материала. Состоят они из 27 цилиндрических элементов - «микротрубочек», - в основе которых лежат молекулы белка тубулина .

Помимо работы по размножению клетки, микротрубочки участвуют в создании цитоскелета: без их поддержки клетка превратилась бы в аморфную каплю. Микротрубочки также работают трубопроводами - по ним передаются вещества из одного конца клетки в другой.

Казалось бы, роль центриолей в работе клетки чисто механическая. Однако именно эти органоиды американский биолог Гюнтер Альбрехт-Бюлер (кстати, физик по образованию) назвал «мозгом клетки». Другой биолог из США, Стюарт Хамерофф , высказал предположение, что именно с микротрубочками, лежащими в основе структуры центриолей, связано самое удивительное явление во всей Вселенной - сознание.

Такая идея возникла у Хамероффа благодаря тому, что по основной профессии он врач-анестезиолог. В один прекрасный день он обнаружил, что некоторые вещества, которые применяют в анестезии (наркозе), изменяют строение нанотрубочек, заключенных в отростках нервных клеток (аксонах и дендритах).

Мысль Хамероффа развивалась примерно так: анестезия является способом отключения сознания. Отключенному сознанию соответствуют измененные микротрубочки. Значит, микротрубочки в их естественном, неизмененном виде и являются носителями «включенного» сознания.

Правда, позже выяснилось, что далеко не все анестезирующие вещества так заметно влияют на микротрубочки. Но ученый, тем не менее, продолжал развивать свою теорию и в конце концов выпустил книгу, в которой утверждал, что микротрубочки являются аппаратами вычисления и интегрирования информации в мозге . Если гипотеза Хамероффа верна, выходит, что среди нанороботов есть не только «химики» и «ремонтники», но и нанокомпьютеры. Есть и другая гипотеза опирающаяся на тот факт, что водородная связь является идеальной ячейкой для кубита (квантового бита - единицы квантовых вычислений) - в ней протон может находиться либо в одной, либо в другой энергетической «яме», совершая между ними «квантовые скачки». С этих позиций само наше сознание определяется совокупностью операций нанокомпьютеров.

Хотя другие ученые не согласны с таким механистическим подходом не только к человеческому сознанию, но и к работе живой клетки. Опровержение или доказательство этой гипотезы - дело науки будущего, может быть, не столь уж отдаленного.

Инфузория-туфелька, душа клетки и компьютерные алгоритмы

Совместная, точно согласованная работа миллионов нанороботов создает то уникальное явление, которое мы называем «жизнью». Можно ли воспроизвести такую систему искусственно? Художник Евгений Подколзин в шуточной форме изобразил действия нанороботов в клетке (рис. 7).

Рисунок 7. Работа нанороботов в клетке.
Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.

рисунок Евгения Подколзина

Создание живого существа в пробирке - давняя мечта алхимиков. В литературе образ такого мечтателя создал Гете в «Фаусте». В XIX веке были наивные с современной точки зрения попытки создать «искусственную клетку». В наши дни с заявлением о создании искусственной живой клетки (которой даже дали имя: Синтия , Cynthia по-латыни) выступил Крейг Вентер - руководитель и фирмы Human Longevity, Inc. . Он с успехом участвовал в программе «Геном человека», поставил и решил задачу создания искусственной ДНК. В 2010 году он ввел созданный им искусственный геном в одноклеточный организм Mycoplasma micoides - и этот геном, как и следовало ожидать, работал, производя нужные белки.

Но заявление о том, что ему удалось создать живую клетку - явное преувеличение. Эту работу можно сравнить с созданием программы для компьютера - но не с созданием самого компьютера. ДНК - это всего лишь программа, и, если бы в микоплазме не работали миллионы нанороботов, полученных клеткой «по наследству», программа осталась бы просто текстом, который некому было бы читать.

Но, несмотря на успехи и неудачи Вентера, изучение нанороботов живой клетки и принципов их работы на самом деле открывает совершенно новые возможности для нанотехнологий. В 60-е годы ХХ века возникла бионика - «наука об использовании биологических прототипов для поиска новых технических решений». В XXI веке наука уже ищет идеи для создания новых нанотехнологических устройств в живой клетке. Этим занимается новая наука XXI века - нанобионика .

Создание реальных нанороботов и использование их биологических прототипов поможет решить проблемы в самых неожиданных областях - от медицины до экологии и того, что раньше называли кибернетикой , а теперь информационными технологиями. Уже появились накопители информации на базе препарата «Биохром», использующие способность фоточувствительного белка бактериородопсина менять свою конформацию (пространственное расположение атомов) при поглощении кванта света. Изобретена революционная методика, позволяющая выявить в пробе воздуха или жидкости даже одну (!) молекулу РНК, которая может быть связана с инфекцией.

Исследования в области нанобионики позволят вдохнуть новую жизнь и в интереснейшее научное направление - цитоэтологию , науку о поведении клеток, в основе которого лежит координированное взаимодействие клеточных нанороботов. О необходимости развития исследований в области цитоэтологии писал биолог Владимир Александров (рис. 8), опубликовавший в 1970 году до сих пор не утратившую своего значения статью «Проблема поведения на клеточном уровне - цитоэтология » . В ней он осмелился в эпоху «диалектического материализма» заявить: «У клеточных органоидов и самих клеток есть своя маленькая, но душа ».

Действительно, поведение нанороботов и живых клеток заставляет задуматься о принципиальном отличии их от стандартных технических систем. Кажется невероятным, но, возможно, именно на этом уровне возникает то свойство живых систем, которое на уровне организма (в особенности ярко - у человека) называется «свободой воли». Это очень глубокая проблема на стыке биофизики, квантовой механики, философии и богословия. Если и сравнивать живую клетку с компьютером, стоит задуматься - а не является ли этот компьютер квантовым?

Первым известным ученым, который предложил модель квантового компьютера, был Ричард Фейнман - тот самый физик, который в свободное от основной работы время рассматривал в микроскоп инфузорию-туфельку, а идею квантовых вычислений за год до Фейнмана высказал российский физик Юрий Манин.

Полноценный квантовый компьютер до сих пор не создан, хотя уже имеются первые действующие модели и написаны программы для таких компьютеров. Главным отличием квантовой вычислительной машины от обыкновенной станет работа по принципам не классической, а квантовой механики. Как известно, квантовая механика допускает такие состояния вещества, которые, будучи перенесены в наш мир, показались бы чудесными (например, одновременное пребывание одной частицы в двух разных местах). Подобные квантовые эффекты лягут в основу программных алгоритмов для новых компьютеров. А это позволит решать такие задачи, какие и не снились сегодняшним «счетным машинам». Квантовый «мозг» сможет впервые соответствовать сложности процессов, происходящих в живой природе - например, в той же самой живой клетке.

Нынешние машины могут работать только с моделями, то есть с упрощенными образами реальности. Для квантового компьютера биологическая (и, например, астрономическая) реальность впервые будет по «зубам».

Интересно, что именно сложность биологических процессов и привела Фейнмана (и его единомышленников) к идее квантового компьютера. Вполне возможно, что идея создания такой машины возникла у него в результате наблюдений за той самой парамецией.

Похоже, получился замкнутый круг: физики считают живые клетки квантовыми компьютерами, разобраться в работе которых можно только с помощью квантовых вычислений. Выход из этого круга возможен после создания настоящего мощного компьютера на основе квантовых процессов.

Сегодня такие устройства требуют глубокого охлаждения и могут обрабатывать в лучшем случае несколько сотен кубитов. Кроме того, инженеры пока не придумали, как защитить квантовый мозг от электромагнитных и других воздействий, к которым новый вычислитель будет гораздо чувствительнее привычных нам «персоналок». Судя по всему, живая клетка хранит тайну квантовой обработки информации с гораздо большим объемом вычислений, обладая при этом неплохой защищенностью от внешних воздействий.

Открыть и изучить эти процессы - задача для новых поколений цитологов и биофизиков. Желаем им успехов!

Расширенный вариант статьи готовится к печати в альманахе «Хочу все знать» (издательство «Дом детской книги», СПб.). Авторы выражают благодарность редактору альманаха Сергею Иванову за плодотворные дискуссии, художнику Евгению Подколзину за любезно предоставленные картинки, а издателю Алле Насоновой - за разрешение использовать материал из альманаха в данной статье.

Литература

1. Фейнман Р.Ф. «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» М.: «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 87 с.;
2. Бауэр Э.С. Теоретическая биология . М.-Л.: издательство ВИЭМ, 1935. - 150 с.;
3. Сказка-комикс о великой битве между радикалами и антиоксидантами;. Белковые моторы: на службе у человека и нанотехнологий ;
4. Вся теория в трубу . (2012). «Лента.Ру» ;
5. Режабек Б.Г. (1998). Развитие и современное состояние представлений о биологических усилителях. Конференция памяти П.Г. Кузнецова ;
6. С геномом налегке: минимальный размер бактериального генома - это сколько? ;
7. Коган А.Б., Наумов Н.П., Режабек В.Г., Чораян О.Г. Биологическая кибернетика . М.: «Высшая школа», 1972. - 382 с.;
8. Александров В.Я. Поведение клеток и внутриклеточных структур . М.: «Знание», 1975. - 64 с..

Большинство историков считают создателем термина физика Ричарда Фейнмана и его речь 1959 года: «Там, внизу, полно места». В своей речи Фейнман представил день, когда машины можно будет настолько уменьшить, а в крошечных пространствах будет закодировано столько информации, что с этого дня начнутся совершенно невероятные технологические прорывы.

Но по-настоящему эту идею раскрыла книга Эрика Дрекслера «Двигатели создания: грядущая эра нанотехнологий». Дрекслер привел идею самовоспроизводящихся наномашин: машин, которые строят другие машины.

Поскольку эти машины программируемы, их можно направить на строительство не только большего числа таких машин, но и на что захотите. И поскольку это строительство происходит на атомном уровне, эти нанороботы могут растащить любой вид материала (почву, воду, воздух, что угодно) атом за атомом и собрать из него что угодно.

Дрекслер нарисовал картину мира, где вся библиотека Конгресса может поместиться на чипе размером с кубик сахара и где экологические скрубберы вычищают загрязняющие вещества прямо из воздуха.

Но прежде чем мы исследуем возможности нанотехнологий, давайте изучим основы.

Что такое « »?

Нанотехнологии - это наука, инженерия и технологии, проводимые на наноуровне, что составляет от 1 до 100 нанометров. По сути, эти манипулирование и управление материалами на атомном и молекулярном уровне.

Чтобы вы понимали, давайте представим, что такое нанометр:

• Отношение Земли к детскому кубику - это примерно отношение метра к нанометру.
• Это в миллион раз меньше длины муравья.
• Толщина листа бумаги - примерно 100 000 нанометров.
• Диаметр красной кровяной клетки - 7000-8000 нанометров.
• Диаметр цепочки ДНК - 2,5 нанометра.

Наноробот - это машина, которая может строить и манипулировать вещами точно и на атомном уровне. Представьте робота, который может манипулировать атомами, как ребенок - кубиками LEGO, выстраивая из базовых атомных строительных блоков что угодно (C, N, H, O, P, Fe, Ni и пр.). Хотя некоторые люди отрицают будущее нанороботов как научную фантастику, вы должны понимать, что каждый из нас жив сегодня благодаря бесчисленным операциям наноботов в триллионах наших клеток. Мы даем им биологические названия вроде «рибосом», но по своей сути они - запрограммированные машины с функцией.

Стоит также провести различие между «мокрыми» или «биологическими» нанотехнологиями, которые используют ДНК и машины жизни для создания уникальных структур из белков или ДНК (в качестве строительного материала) и больше дрекслеровских нанотехнологий, которые включают строительство «ассемблера», или машины, которая занимается 3D-печатью с атомами в наномасштабах для эффективного создания любой термодинамически стабильной структуры.

Давайте рассмотрим несколько типов нанотехнологий, над которыми бьются исследователи.

Различные типы нанороботов и применений

Вообще, нанороботов очень много. Вот лишь некоторые из них.

• Самые малые из возможных двигатели . Группа физиков из Университета Майнца в Германии недавно построила самый маленький двигатель в истории из одного атома. Как и любой другой, этот двигатель преобразует тепловую энергию в движение - но делает это на самых малых масштабах. Атом находится в ловушке в конусе электромагнитной энергии, а с помощью лазеров его нагревают и охлаждают, что приводит к движению атома в конусе вперед и назад, будто поршня двигателя.
• 3D-движущиеся наномашины из ДНК . Инженеры-механики из Университета штата Огайо спроектировали и построили сложные наноразмерные механические части, используя «ДНК-оригами» - доказав, что одни и те же основные принципы проектирования, которые применяются к полноразмерным машинам, можно применить и к ДНК - и может производить сложные, управляемые компоненты для будущих нанороботов.
• Наноплавники . Ученые ETH Zurich и Technion разработали эластичный «наноплавник» в виде полипирроловой (Ppy) нанопроволоки длиной в 15 микрометров (миллионных метра) и толщиной в 200 нанометров, который может двигаться через биологическую жидкость на скорости 15 микрометров в секунду. Наноплавники можно приспособить для доставки лекарств и с помощью магнитов проводить их через кровоток к целевым раковым клеткам, например.
• Муравьиный нанодвигатель . Ученые Кембриджского университета разработали крошечный двигатель, способный оказывать силу, в 100 раз превышающую собственный вес, на любой мускул. Новые нанодвигатели могут привести к нанороботам, которые достаточно малы, чтобы проникать в живые клетки и бороться с заболеваниями, считают ученые. Профессор Джереми Баумберг из Лаборатории Кавендиш, руководящий исследованием, назвал это устройство «муравьем». Подобно настоящему муравью, оно может оказывать силу, во много раз превышающую собственный вес.
• Микророботы по типу сперматозоидов . Группа ученых из Университета Твенте (Нидерланды) и Немецкого университета в Каире (Египет) разработала микророботов по типу сперматозоидов, которыми можно было бы управлять за счет осциллирующих слабых магнитных полей. Их можно было бы использовать для сложных микроманипуляций и целевых терапевтических задач.
• Роботы на основе бактерий . Инженеры Университета Дрекселя разработали способ использования электрических полей, чтобы помогать микроскопическим роботам, работающим от бактерий, обнаруживать препятствия и перемещаться по ним. Область применения включает доставку лекарств, манипуляцию стволовыми клетками для направления их роста или строительство микроструктур.
• Наноракеты . Несколько групп исследователей недавно построили высокоскоростную версию наноразмерных ракет с дистанционным управлением, объединив наночастицы с биологическими молекулами. Ученые надеются разработать ракету, способную работать в любой среде; например, для доставки лекарства в целевую область тела.

Основные сферы применения нано- и микромашин

Возможности применения таких нано- и микромашин практически безграничны. Например:

• Лечение рака . Выявлять и уничтожать раковые клетки более точно и эффективно.
• Механизм доставки лекарств . Строить механизмы целевой доставки лекарств для контроля и предотвращения заболеваний.
• Медицинская визуализация . Создание наночастиц, которые собираются в определенных тканях и затем сканируют тело в процессе магнитно-резонансной томографии - это могло бы выявить такие проблемы, как диабет.
• Новые устройства зондирования . С практически безграничными возможностями настраивать зондирующие и сканирующие характеристики нанороботов, мы могли бы открыть для себя наши тела и более эффективно измерять мир вокруг нас.
• Устройства хранения информации . Биоинженер и генетик из Гарвардского института Висса успешно сохранил 5,5 петабит данных - около 700 терабайтов - в одном грамме ДНК, превзойдя предыдущий рекорд плотности данных в ДНК в тысячу раз.
• Новые энергетические системы . Нанороботы могут сыграть определенную роль в разработке более эффективной системы использования возобновляемых источников энергии. Или они могли бы сделать наши современные машины более энергоэффективными таким образом, что те будут нуждаться в меньшем количестве энергии для работы с прежней эффективностью.
• Сверхпрочные метаматериалы . В области метаматериалов проводится много исследований. Группа из Калифорнийского технологического института разработала новый тип материала, состоящего из наноразмерных распорок, подобных распоркам Эйфелевой башни, который стал одним из самых прочных и легковесных в истории.
• Умные окна и стены . Электрохромные устройства, которые динамически меняют цвет при приложении потенциала, широко изучаются для использования в энергоэффективных умных окнах - которые могли бы поддерживать внутреннюю температуру комнаты, самоочищаться и многое другое.
• Микрогубки для очищения океанов . Губка из углеродных нанотрубок, способная всасывать загрязняющие воду вещества, вроде удобрений, пестицидов и фармацевтических препаратов, в три раза эффективнее предыдущих вариантов.
• Репликаторы . Известные также как «молекулярные ассемблеры», эти предлагаемые устройства могут осуществлять химические реакции путем расположения реактивных молекул с атомной точностью.
• Датчики здоровья . Эти датчики могли бы наблюдать за химией нашей крови, уведомляя нас обо всем происходящем, обнаруживать вредную еду или воспаления в теле и так далее.
• Подключение наших мозгов к Интернету . Рэй Курцвейл считает, что нанороботы позволят нам подключить нашу биологическую нервную систему к облаку в 2030 году.

Как видите, это только начало. Возможности практически безграничны.

Нанотехнологии обладают потенциалом решить крупнейшие проблемы, с которыми сегодня столкнулся мир. Они могли бы улучшить производительность людей, обеспечить нас всеми необходимыми материалами, водой, энергией и едой, защитить нас от неизвестных бактерий и вирусов и даже уменьшить число причин для нарушения мира.

Если этого мало, рынок нанотехнологий просто огромен. К 2020 году мировая отрасль нанотехнологий вырастет до рынка в 75,8 миллиарда долларов.

Встречаются наивные люди, утверждающие, что за миллиарды лет эволюции природа так и не изобрела колесо. Если бы они уменьшились до наноуровня и совершили путешествие внутрь живой клетки, то увидели бы не только колесо, но и электродвигатели, конвейеры, сборочные линии и даже шагающих роботов.

Алексей Ржешевский

По подсчетам биологов, в живой клетке функционирует около сорока известных науке молекулярных машин. Они возят грузы по молекулярным «рельсам», выступают в качестве «включателей» и «выключателей» химических процессов. Машины из молекул производят энергию для поддержания жизни, сокращают наши мышцы и строят другие молекулярные машины. А еще они вдохновляют ученых на строительство рукотворных нанороботов, которые в будущем смогут жить и работать во внутриклеточном мире.

Чтобы представить себе, из чего и как ученые-гулливеры будут строить роботов-лилипутов, мы рассмотрели несколько наномашин, созданных самой природой.

Жгутик бактерии

Известный российский биохимик, академик РАН Владимир Скулачёв назвал движение бактерий одним из самых поразительных явлений природы: «Его исследование нанесло сокрушительный удар по нашему высокомерному снобизму вроде того, что биологическая эволюция, имея в своем распоряжении миллиарды лет, так и не смогла изобрести колесо».

Экспертное мнение

Александр Марков, биолог, популяризатор науки, профессор МГУ: «В ходе эволюции очень легко возникают системы, выглядящие на первый взгляд «несократимо сложными». Они состоят из многих частей, которые приносят пользу только все вместе, убери одну — и вся система перестает работать, а каждая отдельная часть сама по себе вроде бы бесполезна. Это заставляет некоторых ученых поставить под сомнение теорию эволюции в целом. Но стоит начать разбираться, и выясняется, что эти системы на самом деле не являются «несократимо сложными». Удаление некоторых деталей не уничтожает молекулярную машину, а лишь снижает ее эффективность. Значит, в прошлом могла существовать машина без этой детали, а деталь присоединилась позже, что повысило эффективность работы. Но даже если удаление детали делает молекулярную машину нефункциональной, это может быть результатом долгой взаимной «притирки» деталей. Необходимо также помнить, что организму, не имеющему какой-то молекулярной машины, будет полезен даже очень простой, малоэффективный, едва работающий ее вариант».

Для передвижения в жидкой среде некоторые бактерии используют вращающийся жгутик, который приводится микроскопическим электродвигателем, собранным из нескольких белковых молекул. Раскручиваясь до 1000 об/мин, жгутик может толкать бактерию вперед с необыкновенно большой скоростью — 100−150 мкм/с. За секунду одноклеточное перемещается на расстояние, превосходящее его длину более чем в 50 раз. Если это перевести на привычные нам величины, то спортсмен-пловец ростом в 180 см должен был бы переплывать 50-метровый бассейн за полсекунды!

Метаболизм бактерии устроен таким образом, что положительные ионы водорода (протоны) накапливаются между внутренней и внешней мембранами ее клетки. Создается электрохимический потенциал, увлекающий протоны из межмембранного пространства в клетку. Этот поток протонов проходит через «двигатель», приводя его в движение.

Схема «электродвигателя» бактерии гораздо больше напоминает инженерный чертеж, чем изображение живого организма. Главная деталь «мотора» — белок Mot A с ионными каналами, благодаря которым поток протонов заставляет ротор вращаться, как турбина.

Белковую структуру «мотора» называют комплексом Mot, который, в свою очередь, состоит из белков Mot A (статора) и Mot B (ротора). Ионные каналы в них расположены таким образом, что движение протонов заставляет ротор вращаться подобно турбине. Манипулируя структурой белка, некоторые бактерии умеют изменять направление и скорость движения, а иногда даже включать «задний ход».

Наличие вращающихся частей у живого организма поначалу казалось столь невероятным, что потребовало серьезных экспериментальных подтверждений. Таких подтверждений было получено несколько. Так, в лаборатории академика Скулачёва бактерию характерной формы (в виде полумесяца, где передняя часть бактерии была вогнутой, задняя — выпуклой) прикрепляли жгутиком к стеклу и наблюдали за ней в микроскоп. Было хорошо видно, как бактерия вращается, постоянно показывая наблюдателю лишь переднюю часть, свою «впалую грудь», и никогда не поворачиваясь «спиной».

АТФ-синтаза

Протонная АТФ-синтаза — самый маленький в живой природе биологический мотор шириной всего в 10 нм. С его помощью живые организмы вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) — вещество, которое служит основным источником энергии в клетке.

АТФ состоит из аденозина (соединение хорошо знакомого нам по ДНК азотистого основания аденина и сахара рибозы и трех последовательно подсоединенных к нему фосфатных групп. Химические связи между фосфатными группами очень сильные и содержат много энергии. Эта консервированная энергия может пригодиться для питания самых разнообразных биохимических реакций. Однако сперва необходимо определенным образом приложить энергию, чтобы упаковать аденозин и фосфатные группы в молекулу АТФ. Этим и занимается АТФ-синтаза.

Как и в случае со жгутиками бактерий, движение ротора АТФ-синтазы было подтверждено экспериментально: прикрепив к вращающемуся участку помеченный флуоресцирующим красителем белок актин, похожий на длинную нить, ученые своими глазами увидели, что он вращается. И это несмотря на то, что соотношение размеров у них такое, как если бы человек размахивал двухкилометровой плетью.

Поступающие в организм жирные кислоты и глюкоза проходят многочисленные циклы, в процессе которых специальные ферменты дыхательной цепи откачивают положительные ионы водорода (протоны) в межмембранное пространство. Там протоны накапливаются, как войско перед битвой. Создается потенциал: электрический (положительные заряды снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные внутри органеллы) и химический (возникает разница концентраций ионов водорода: внутри митохондрии их меньше, снаружи больше).

Известно, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая служит хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм.

Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию. Они проходят по специальным каналам в АТФ-синтазе, которая встроена во внутреннюю сторону мембраны. Поток протонов раскручивает ротор, будто река водяную мельницу. Ротор вращается со скоростью 300 оборотов в секунду, что сопоставимо с максимальными оборотами двигателя болида «Формулы-1». АТФ-синтазу по форме можно сравнить с грибом, «растущим» на внутренней стороне мембраны митохондрии, при этом описанный выше ротор прячется в «грибнице». «Ножка гриба» вращается вместе с ротором, и на ее конце (внутри «шляпки») закреплено некое подобие эксцентрика. Неподвижная «шляпка» условно делится на три дольки, каждая из которых деформируется, сжимается при прохождении эксцентрика. К «долькам» прикрепляются молекулы аденозиндифосфата (АДФ, с двумя фосфатными группами) и остатки фосфорной кислоты. В момент сжатия АДФ и фосфат прижимаются друг к другу достаточно сильно, чтобы образовать химическую связь. За один оборот «эксцентрик» деформирует три «дольки», и образуется три молекулы АТФ. Помножив это на количество секунд в сутках и примерное количество АТФ-синтаз в организме, мы получим удивительную цифру: ежедневно в человеческом теле вырабатывается примерно 50 кг АТФ.

Все тонкости этого процесса необычайно сложны и многообразны. За их расшифровку, которая потребовала почти ста лет, были вручены две Нобелевские премии — в 1978 году Питеру Митчеллу и в 1997 году Джону Уокеру и Полю Бойеру.

Кинезин

Кинезин — это линейный молекулярный мотор, передвигающийся по клетке вдоль путепроводов — полимерных нитей. Будто портовый грузчик, он перетаскивает на себе всевозможные грузы (митохондрии, лизосомы), используя в качестве топлива молекулы АТФ.

Внешне кинезин похож на сплетенного из тонких веревок игрушечного «человечка»: он состоит из двух одинаковых полипептидных цепей, верхние концы которых сплетены и соединены вместе, а нижние расставлены в стороны и имеют на концах «ботинки» — глобулярные головки размером 7,5 х 4,5 нм. При движении эти головки на нижних концах поочередно отрываются от полимерной «тропинки», кинезин поворачивается на 180 градусов вокруг своей оси и переставляет одну из нижних «стоп» вперед. При этом если один его конец при движении тратит энергию (молекулу АТФ), то другой в это время высвобождает компонент для образования энергии, АДФ. В итоге получается непрерывный цикл подачи и траты энергии для полезной работы.

Как показали исследования, кинезин способен довольно бодро вышагивать по клетке своими «веревочными» ножками: делая шаг длиной всего 8 нм, за секунду он перемещается на гигантское по клеточным меркам расстояние в 800 нм, то есть делает 100 шагов в секунду. Попробуйте представить себе такие скорости в человеческом мире!

Кинезин, шагая по «тропинкам» из микротрубок, переносит различные грузы в клетке.

Искусственные наномашины

Человеком, который подтолкнул научный мир к созданию нанороботов на основе биологических молекулярных устройств, стал выдающийся ученый-физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Его лекцию 1959 года с символичным названием «Там внизу еще много места» биоинженеры всего мира считают отправной точкой в этом нелегком деле.

Прорыв, позволивший перейти от теории к практике, случился в начале 1990-х годов. Тогда английские ученые из Университета Шеффилда, Фрэйзер Стоддарт и Нил Спенсер, и их итальянский коллега Пьер Анелли сделали первый молекулярный челнок — синтетическое устройство, в котором происходит пространственное перемещение молекул. Для его создания используют ротаксан — искусственное вещество, в котором кольцевая молекула (кольцо) нанизана на линейную молекулу (ось). Отсюда и название вещества: лат. rota — кoлесо и axis — ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.

«Наномашина», «четырехколесная» молекула, созданная в 2005 году группой под руководством профессора Джеймса Тура (Университет Райса). Собственного мотора у нее нет, однако при нагревании поверхности до порядка 200 °C фуллереновые колеса начинают вращаться и машинка катится.

Челнок на основе ротаксана перемещает кольцевую молекулу вдоль линейной, на которой она держится, с помощью протонов (ослабляя или увеличивая водородные связи, удерживающие по центру кольцевую молекулу) и броуновского движения, толкающего вперед кольцо. Это похоже на брошенный в ручей резиновый мячик, привязанный к веревке: ослабили веревку (водородные связи) и стремительный ручей (броуновское движение) подхватит мяч и увлечет его вперед. Натянули веревку — мяч возвратится назад.

Инженерные сооружения наномасштабов подчиняются химическим реакциям в большей степени, нежели законам ньютоновской механики. Многообразие их применений простирается от медицинских роботов до компьютерной памяти.

В 2010 году группа американских биоинженеров, Милан Стоянович и его коллеги, создали молекулярного наноробота, способного перемещаться по ДНК. В ходе эксперимента ученые смогли проследить, как их наноробот смог самостоятельно сделать 50 шагов и передвинуться на 100 нм. Робот, внешне напоминающий паука, может автономно выполнять несколько команд: «идти», «повернуть», «остановиться». По мнению авторов, он очень востребован в медицине в качестве доставщика лекарств в клетку.

В 2013 году английские и шотландские биоинженеры под руководством Дэвида Лея смогли создать первый в мире молекулярный наноконвейер: наномашину, способную собирать пептиды, короткие белки. В природе эту задачу выполняют рибосомы — органеллы, находящиеся в наших клетках. Биоинженеры взяли за основу для своей машины молекулу ротаксана и на ее «стержне» смогли собрать из отдельных аминокислот белок заданного свойства. Правда, в соревновании с природной сборкой белков в рибосоме искусственная молекулярная машина пока проигрывает: ей понадобилось 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка, в то время как рибосомы справляются с этой задачей быстрее чем за секунду.

Несмотря на это, исследователи с оптимизмом рассматривают свою разработку. «Вы получаете машину, которая точно движется, поднимает молекулярные строительные блоки и ставит их вместе. Если природа делает это, почему не можем мы?» — отметил профессор Лей.