Коли винайдуть нанороботів в якому році. Нанороботи: яке майбутнє нас чекає з їх дивним потенціалом? Чи будуть нанороботи, що знаходяться всередині людського тіла, атаковані імунною системою

Зустрічаються наївні люди, які стверджують, що за мільярди років еволюції природа так і не винайшла колесо. Якби вони зменшилися до нанорівні і здійснили подорож всередину живої клітини, то побачили б не тільки колесо, а й електродвигуни, конвеєри, складальні лінії і навіть крокуючих роботів.

Олексій Ржешевский

За підрахунками біологів, в живій клітині функціонує близько сорока відомих науці молекулярних машин. Вони возять вантажі по молекулярним «рейках», виступають в якості «вмикачів» і «вимикачів» хімічних процесів. Машини з молекул виробляють енергію для підтримки життя, скорочують наші м'язи і будують інші молекулярні машини. А ще вони надихають учених на будівництво рукотворних нанороботів, які в майбутньому зможуть жити і працювати у внутрішньоклітинному світі.

Щоб уявити собі, з чого і як вчені-Гуллівери будуватимуть роботів-ліліпутів, ми розглянули кілька наномашин, створених самою природою.

джгутик бактерії

Відомий російський біохімік, академік РАН Володимир Скулачов назвав рух бактерій одним з найбільш вражаючих явищ природи: «Його дослідження завдало нищівного удару по нашому зарозумілому снобізму на кшталт того, що біологічна еволюція, маючи в своєму розпорядженні мільярди років, так і не змогла винайти колесо».

Експертна думка

Олександр Марков, біолог, популяризатор науки, професор МГУ: «В ході еволюції дуже легко виникають системи, виглядають на перший погляд« нескоротних складними ». Вони складаються з багатьох частин, які приносять користь тільки все разом, прибери одну - і вся система перестає працювати, а кожна окрема частина сама по собі начебто марна. Це змушує деяких учених поставити під сумнів теорію еволюції в цілому. Але варто почати розбиратися, і з'ясовується, що ці системи насправді не є «нескоротних складними». Видалення деяких деталей не знищує молекулярну машину, а лише знижує її ефективність. Значить, в минулому могла існувати машина без цієї деталі, а деталь приєдналася пізніше, що підвищило ефективність роботи. Але навіть якщо видалення деталі робить молекулярну машину нефункціональної, це може бути результатом довгої взаємної «притирання» деталей. Необхідно також пам'ятати, що організму, який не має якоїсь молекулярної машини, буде корисний навіть дуже простий, малоефективний, ледве працюючий її варіант ».

Для пересування в рідкому середовищі деякі бактерії використовують обертовий джгутик, який приводиться мікроскопічним електродвигуном, зібраним з декількох білкових молекул. Розкручуючись до 1000 об / хв, джгутик може штовхати бактерію вперед з незвичайно великою швидкістю - 100-150 мкм / с. За секунду одноклітинне переміщається на відстань, що перевершує його довжину більш ніж в 50 разів. Якщо це перевести на звичні нам величини, то спортсмен-плавець зростанням в 180 см мав би перепливати 50-метровий басейн за півсекунди!

Метаболізм бактерії влаштований таким чином, що позитивні іони водню (протони) накопичуються між внутрішньою і зовнішньою мембранами її клітини. Створюється електрохімічний потенціал, що захоплює протони з межмембранного простору в клітину. Цей потік протонів проходить через «двигун», приводячи його в рух.

Схема «електродвигуна» бактерії набагато більше нагадує інженерне креслення, ніж зображення живого організму. Головна деталь «мотора» - білок Mot A з іонними каналами, завдяки яким потік протонів змушує ротор обертатися, як турбіна.

Білкову структуру «мотора» називають комплексом Mot, який, в свою чергу, складається з білків Mot A (статора) і Mot B (ротора). Іонні канали в них розташовані таким чином, що рух протонів змушує ротор обертатися подібно турбіні. Маніпулюючи структурою білка, деякі бактерії вміють змінювати напрямок і швидкість руху, а іноді навіть включати «задній хід».

Наявність обертових частин у живого організму спочатку здавалося настільки неймовірним, що зажадало серйозних експериментальних підтверджень. Таких підтверджень було отримано кілька. Так, в лабораторії академіка Скулачов бактерію характерної форми (у вигляді півмісяця, де передня частина бактерії була увігнутою, задня - опуклою) прикріплювали жгутиком до скла і спостерігали за нею в мікроскоп. Було добре видно, як бактерія обертається, постійно показуючи спостерігачеві лише передню частину, свою «впалі груди», і ніколи не повертаючись «спиною».

АТФ-синтаза

Протонна АТФ-синтаза - найменший в живій природі біологічний мотор шириною всього в 10 нм. З його допомогою живі організми виробляють аденозинтрифосфат (АТФ) - речовина, яка служить основним джерелом енергії в клітині.

АТФ складається з аденозину (з'єднання добре знайомого нам по ДНК азотистого підстави аденіну і цукру рибози і трьох послідовно приєднаних до нього фосфатних груп. Хімічні зв'язку між фосфатними групами дуже сильні і містять багато енергії. Ця консервована енергія може стати в нагоді для харчування найрізноманітніших біохімічних реакцій. Однак спершу необхідно певним чином докласти енергію, щоб упакувати аденозин і фосфатні групи в молекулу АТФ. Цим і займається АТФ-синтаза.

Як і в випадку з джгутиками бактерій, рух ротора АТФ-синтази було підтверджено експериментально: прикріпивши до обертається ділянці позначений флуоресцирующим барвником білок актин, схожий на довгу нитку, вчені своїми очима побачили, що він обертається. І це незважаючи на те, що співвідношення розмірів у них таке, як якщо б людина розмахувала двокілометровій батогом.

Вступники в організм жирні кислоти і глюкоза проходять численні цикли, в процесі яких спеціальні ферменти дихального ланцюга відкачують позитивні іони водню (протони) в межмембранное простір. Там протони накопичуються, як військо перед битвою. Створюється потенціал: електричний (позитивні заряди зовні мітохондріальної мембрани, негативні всередині органели) і хімічний (виникає різниця концентрацій іонів водню: всередині мітохондрії їх менше, зовні більше).

Відомо, що електричний потенціал на мембрані мітохондрій, що служить добрим діелектриком, досягає 200 мВ при товщині мембрани всього 10 нм.

Накопичившись в межмембранном просторі, протони, подібно до електричного струму, спрямовуються назад, в мітохондрії. Вони проходять по спеціальних каналах в АТФ-синтази, яка вбудована у внутрішню сторону мембрани. Потік протонів розкручує ротор, ніби річка водяний млин. Ротор обертається зі швидкістю 300 оборотів в секунду, що можна порівняти з максимальними оборотами двигуна боліда «Формули-1». АТФ-синтази за формою можна порівняти з грибом, «зростаючим» на внутрішній стороні мембрани мітохондрії, при цьому описаний вище ротор ховається в «грибниці». «Ніжка гриба» обертається разом з ротором, і на її кінці (всередині «капелюшки») закріплено якусь подобу ексцентрика. Нерухома «капелюшок» умовно ділиться на три часточки, кожна з яких деформується, стискається при проходженні ексцентрика. До «часточок» прикріплюються молекули аденозиндифосфата (АДФ, з двома фосфатними групами) і залишки фосфорної кислоти. У момент стиснення АДФ і фосфат туляться один до одного досить сильно, щоб утворити хімічний зв'язок. За один оборот «ексцентрик» деформує три «часточки», і утворюється три молекули АТФ. Помноживши це на кількість секунд в добі і приблизну кількість АТФ-синтази в організмі, ми отримаємо дивовижну цифру: щодня в людському тілі виробляється приблизно 50 кг АТФ.

Всі тонкощі цього процесу надзвичайно складні і різноманітні. За їх розшифровку, яка зажадала майже ста років, були вручені дві Нобелівські премії - в 1978 році Пітеру Митчеллу і в 1997 році Джону Уокеру і Полю Бойєр.

кінезин

Кінезин - це лінійний молекулярний мотор, що пересувається по клітці уздовж шляхопроводів - полімерних ниток. Ніби портовий вантажник, він перетягує на себе всілякі вантажі (мітохондрії, лізосоми), використовуючи в якості палива молекули АТФ.

Зовні кінезин схожий на сплетеного з тонких мотузок іграшкового «чоловічка»: він складається з двох однакових поліпептидних ланцюгів, верхні кінці яких сплетені і пов'язані один з одним, а нижні розставлені в сторони і мають на кінцях «черевики» - глобулярні головки розміром 7,5 х 4 , 5 нм. При русі ці головки на нижніх кінцях по черзі відриваються від полімерної «стежки», кінезин повертається на 180 градусів навколо своєї осі і переставляє одну з нижніх «стоп» вперед. При цьому якщо один його кінець при русі витрачає енергію (молекулу АТФ), то інший в цей час вивільняє компонент для утворення енергії, АДФ. У підсумку виходить безперервний цикл подачі і витрати енергії для корисної роботи.

Як показали дослідження, кінезин здатний досить бадьоро крокувати по клітці своїми «мотузковими» ніжками: роблячи крок довжиною всього 8 нм, за секунду він переміщується на гігантське по клітинним мірками відстань в 800 нм, тобто робить 100 кроків в секунду. Спробуйте уявити собі такі швидкості в людському світі!

Кінезин, крокуючи по «стежках» з мікротрубок, переносить різні вантажі в клітці.

штучні наномашини

Людиною, яка підштовхнула науковий світ до створення нанороботів на основі біологічних молекулярних механізмів, став видатний вчений-фізик, нобелівський лауреат Ричард Фейнман. Його лекцію 1959 року зі символічною назвою «Там внизу ще багато місця» біоінженери всього світу вважають відправною точкою в цій нелегкій справі.

Прорив, що дозволив перейти від теорії до практики, трапився на початку 1990-х років. Тоді англійські вчені з Університету Шеффілда, Фрейзер Стоддарт і Ніл Спенсер, і їх італійський колега П'єр Анеллі зробили перший молекулярний човник - синтетичне пристрій, в якому відбувається просторове переміщення молекул. Для його створення використовують ротаксан - штучну речовину, в якому кільцева молекула (кільце) нанизана на лінійну молекулу (вісь). Звідси і назва речовини: лат. rota - кoлесо і axis - вісь. Ось в ротаксанов має форму гантелі, щоб за допомогою об'ємних груп на кінцях не дозволяти кільцю зісковзувати зі стрижня.

«Наномашин», «чотириколісна» молекула, створена в 2005 році групою під керівництвом професора Джеймса Тура (Університет Райса). Власного мотора у неї немає, проте при нагріванні поверхні до порядку 200 ° C фулеренові колеса починають обертатися і машинка котиться.

Човник на основі ротаксана переміщує кільцеву молекулу уздовж лінійної, на якій вона тримається, за допомогою протонів (послаблюючи або збільшуючи водневі зв'язку, які утримують по центру кільцеву молекулу) і броунівського руху, який штовхає вперед кільце. Це схоже на кинутий в струмок гумовий мячик, прив'язаний до мотузки: послабили мотузку (водневі зв'язки) і стрімкий струмок (броунівський рух) підхопить м'яч і захопить його вперед. Натягнули мотузку - м'яч повернеться назад.

Інженерні споруди наномасштабів підкоряються хімічним реакціям в більшій мірі, ніж законам ньютонівської механіки. Різноманіття їх застосувань простягається від медичних роботів до комп'ютерної пам'яті.

У 2010 році група американських біоінженерії, Мілан Стоянович і його колеги, створили молекулярного нанороботи, здатного переміщатися по ДНК. В ході експерименту вчені змогли простежити, як їх наноробот зміг самостійно зробити 50 кроків і пересунутися на 100 нм. Робот, що зовні нагадує павука, може автономно виконувати кілька команд: «йти», «повернути», «зупинитися». На думку авторів, він дуже затребуваний в медицині як доставщика ліків в клітку.

У 2013 році англійські і шотландські біоінженери під керівництвом Девіда Лея змогли створити перший в світі молекулярний наноконвейер: наномашин, здатну збирати пептиди, короткі білки. У природі це завдання виконують рибосоми - органели, що знаходяться в наших клітинах. Біоінженери взяли за основу для своєї машини молекулу ротаксана і на її «стрижні» змогли зібрати з окремих амінокислот білок заданого властивості. Правда, в змаганні з природного складанням білків в рибосомі штучна молекулярна машина поки програє: їй знадобилося 12 годині на приєднання кожного амінокислотного залишку, в той час як рибосоми справляються з цим завданням швидше ніж за секунду.

Незважаючи на це, дослідники з оптимізмом розглядають свою розробку. «Ви отримуєте машину, яка точно рухається, піднімає молекулярні будівельні блоки та ставить їх разом. Якщо природа робить це, чому не можемо ми? » - зазначив професор Лей.

Нанороботи - роботи, створені з наноматеріалів, розміри які можна зіставити з розмірами молекули. Дані пристрої повинні мати функції руху, обробки та передачі інформації, виконання програм. Їх розміри не перевищують декількох нанометрів. Посилаючись на сучасну теорію, нанороботи повинні вміти здійснювати двосторонню комунікацію: реагувати на акустичні сигнали і бути в змозі зарядити або перепрограмувати ззовні, завдяки електричним і звукових коливань. Також важливою особливістю є функції реплікації - самозборки нових Наніта і програмованого самознищення, коли середовище роботи, більш не потребує присутності в ньому нанороботів. В останньому випадку роботи повинні розпадатися на нешкідливі і бистровиводімие компоненти.

Створено вже досить нанотехнологічних пристроїв незважаючи на те, що вони є експериментальними установками, на практиці їх перспективи очевидні. Розроблено наноелектродвігатель, що має обмотку з однієї довжиною молекули, здатної без втрат передавати струм. При подачі напруги ротор (що складається з декількох молекул) починав обертатися. Існує також пристрій лінійної транспортування, здатне переміщати молекули на задану відстань. Розробляються також молекулярні біосенсори, антени, маніпулятори.

Логічно запитати - коли ж нанороботи прийдуть в наш світ, стануть для нас буденністю, як комп'ютери та інтернет.

За прогнозами вчених, вік нанороботів вже не за горами

Вчені впевнені, що всі перспективи можуть здійснитися, наномашини будуть в змозі відтворювати будь-які предмети з атомів, зможуть омолоджувати людини, стануть штучними виробниками їжі, заповнять навколоземний простір і зроблять придатними для людини планети і їх місяця.

Існують, однак, і побоювання з приводу наномеханікі. Так книга «Машини творення» оповідає про збої в програмі роботів, в силу чого вони перетворюють всю землю в місиво з самих себе.

Ці принципи не є прерогативою фантастів, їх підтримує ряд вчених, яких в пресі іноді називають наноапокаліптікамі. Професор Євген Абрамян в своїй статті «Загрози нових технологій» описує ситуацію, при якій роботи, призначені для розбирання на атоми відходів, почнуть розбирати в силу збою і все інше. При цьому такі машини будуть саморепліціроваться. Крім того, як зазначає вчений, ці мікромашини можуть стати основою для нових, ще більш жахливих, ніж сучасні, засобів ведення війни.

Так чи інакше, крок до створення нанороботів вже зроблений і ми в черговий раз стикаємося з питанням постановки формулювання: чи змінюють наші нововведення нашу ж життя, або ми самі її міняємо. Чи зможемо ми створити на основі наномеханікі світ, вільний від голоду, потреби і при цьому має потенціал до розвитку, або дорога з жовтого нанокірпіча призведе нас до хаосу нових воєн буде залежати від нас самих, але ясно одне: світ змінюється і ми стрімко змінюємося разом з ним.

Стаття на конкурс «біо / мовляв / текст»: У статті розказано про підходи до розуміння устрою клітини - від ідей теоретичної біології і концепцій «білок-машина» до сучасних підходів і відкриттів: нанороботів, микротрубочек і секвенування генома. Спільна, точно узгоджена робота мільйонів нанороботів створює щось унікальне явище, яке ми називаємо життям.

Генеральний спонсор конкурсу - компанія: найбільший постачальник обладнання, реагентів та витратних матеріалів для біологічних досліджень і виробництв.

Спонсором призу глядацьких симпатій і партнером номінації «Біомедицина сьогодні і завтра» виступила фірма «Інвітро».

«Книжковий» спонсор конкурсу - «Альпіна нон-фікшн»

Цитологія - наука про клітину

Малюнок 4. Обкладинка книги Ервіна Бауера

Звичайно, в якомусь сенсі і зірка - теж «процес», як і клітина: зірка перетворює водень в гелій і врешті-решт, коли все паливо в ній згорить, «вмирає». Та й сама звичайна табуретка, якщо до неї уважно придивитися, не залишається вічно такою, якою її зробили: фарба з неї злазить, дерево поступово висихає або гниє, кріплення розбовтуються ... Але жива клітина (і живий організм в цілому) принципово відрізняється від цих мертвих предметів.

Чи замислювалися ви про те, чому камінь байдуже підпадає під дію зовнішньої сили, а живе - пручається? Чому палиця пливе за течією, а риба, що йде на нерест, проходить десятки кілометрів проти нього? Чому, нарешті, ми з вами можемо самі визначати свою поведінку, долаючи перешкоди, які нам ставить зовнішній світ?

Перший серйозний крок для розуміння цих речей зробив радянський біофізик Ервін Бауер, який висунув принцип сталого нерівноваги:

«... живі системи ніколи не бувають в рівновазі і виконують за рахунок своєї вільної енергії постійно роботу проти рівноваги, необхідного законами фізики і хімії при існуючих зовнішніх умовах»(Рис.4).

Інакше кажучи, «жива система» в якомусь сенсі порушує закони фізики і хімії! Але порушує вона їх не інакше, як з їх же власної допомогою. Живий об'єкт, використовуючи хімічні речовини і фізичні взаємодії, вміє долати земне тяжіння, боротися з течією води і рухом повітря, робити шкідливі речовини корисними (наприклад, страшний окислювач кисень, який з точки зору хімії нічим не краще хлору, дає нам можливість дихати і завдяки цього здобувати енергію; взагалі ж історія боротьби з окислювачами-радикалами викладена доступно в статті « Казка-комікс про велику битву між радикалами і антиоксидантами» ).

Але «рівновагу» - це не тільки стан, при якому, наприклад, шальки терезів врівноважуються і перестають гойдатися. У рівноважному положенні виявляється газ, коли він перетікає з балона в повітря кімнати і змішується з атмосферою. У рівноважному стані з навколишнім повітрям знаходиться піч, коли вона повністю віддає своє тепло. Розділ фізики - наука термодинаміка - стверджує, що, коли система, що складається з багатьох молекул, прагне до рівноваги, в цій системі збільшується безлад (хаос). Міра хаосу називається « ентропія». У замкнутих системах ентропія може тільки зростати. Але живі клітини - відкриті, а не замкнуті системи. Тому вони можуть чинити опір зростанню ентропії. Працюючи проти рівноваги, живі істоти вносять в світ порядок і щомиті борються з проблемами, що долають їх з усіх боків хаосом. Лисиці риють норку і рятуються в ній від зимової холоднечі, бобри будують дамби і підвищують рівень води, яка сама по собі норовить розлитися по площині якомога більше тонким шаром.

Таке диво щомиті творить будь-який живий організм. Але точно так само поводиться кожна жива клітина. На прикладі її поведінки, яке простіше, ніж поведінка великих організмів (хоча і клітинне поведінка не таке просте, як здається), можна спробувати зрозуміти, що таке життя і як саме вона бореться з «рівновагою».

Цитологія робить успіхи

Нанороботи - фантастика і реальність

В кінці минулого тисячоліття американський вчений Ерік Дрекслер, натхнений відкриттями в області нанотехнологій, прославився своїми, по суті, науково-фантастичними книгами, в яких він мріяв про те, що скоро будуть побудовані «наноассемблери», здатні прямо з атомів збирати все, що завгодно . Зокрема, він писав про «нанороботи», які зможуть робити корисну для здоров'я людини роботу - чистити кровоносні судини, знищувати ракові клітини, боротися з бактеріями.

Щось схоже в своєму фантастичному оповіданні «Мікрорукі» передбачив ще в 1931 році дитячий письменник Борис Житков. Герой розповіді зробив пристрій, що дозволяє проводити операції з окремими клітинами. Від рук людини зусилля передавалися на мікрорукі, які могли робити операції, що не снилися і Лесковская Лівша! Ось що писав Житков: « Мене запрошували робити найтонші операції, де жоден хірург не знав би, як повернутися. Я міг своїми мікрорукамі швидко і без промаху працювати під сильним мікроскопом. Найдрібніші паростки злоякісної пухлини я видаляв з живого організму, я рився в хворому оці, як у величезному заводі, і у мене не було відбою від роботи. Але мене це не зупиняло на моєму шляху. Я хотів зробити справжні мікрорукі, такі, якими я міг би хапати частинки речовини, з яких створена матерія, ті неймовірно дрібні частинки, які видно тільки в мікроскоп. Я хотів пробратися в ту область, де розум людський втрачає будь-яке уявлення про розміри - здається, що вже немає ніяких розмірів, до того все неймовірно дрібно».

Але героя розповіді чекала невдача: в процесі полювання за окремими клітинами одна з тварин - «змія-інфузорія» - зламала його пристрій! Та й руки трохи йому не поламала - тому що його зусилля, як по важелю Архімеда, передавалися в мікросвіт, зменшуючись в мільйони разів, а сили мікросвіту так само збільшувалися і тиснули на його руки ...

Відомо, що слово «техніка» походить від грецького « техне»-« мистецтво », і нанотехнології це підтверджують: вони змикаються з мистецтвом. Зараз у фахівців з'явилася можливість ліпити молекулярну структуру атом за атомом, як скульптуру. Відкриваються фантастичні можливості вільної творчості. Конструктори стають художниками-деміургами, що створюють речі «з нуля»! Але раптом ці речі вийдуть з-під контролю і почнуть розмножуватися, як шкідливі віруси? Ерік Дрекслер в книзі «Машини творення» неабияк налякав читача розповідями про прийдешній перемозі «сірого слизу». Він писав, що не можна недооцінювати небезпеку від нанотехнологій. Зараз нас лякають новою напастю - штучним інтелектом. А що, якщо цей інтелект стане виготовляти монстрів на «нанофабрик»? Художник Євген Подколзин для альманаху «Хочу все знати» цю ситуацію обіграв в гумористичному ключі (рис. 5).

Малюнок 5. Наноробот конструює монстра.

малюнок Євгена Подколзина

Створення нових структур на «нанофабрик» йде зараз під контролем людини. Контроль необхідний для зменшення ризиків нестримного спонтанного розмноження наноструктур, які, як у фантастичному трилері, можуть вступити в битву з земним життям і знищити все живе на землі, перетворити планету в притулок сірого слизу. Зауважимо, що передостання Нобелівська премія з хімії присуджена за роботи в області нанотехнологій - так що область ця дуже навіть гаряча ...

Паровоз в кишені

Малюнок 6. Лев Блюменфельд

У будь-якій живій клітині - навіть в такій маленькій, як знаменита бактерія Escherichia coli (Вона має близько 5 мкм в довжину і 1-1,5 мкм в діаметрі), - працюють мільйони білкових нанороботів. Вони виконують всі необхідні для життя клітинного держави справи. Є нанороботи різних типів - посильні, переносники, конструктори, ремонтники, прибиральники.

Розуміння того, як працюють нанороботи, прийшло не відразу. У шістдесятих роках ХХ століття біофізики Дмитро Чернавський, Юрій Хургин і Симон Шноль розробили концепцію «білок-машина», експериментальним підтвердженням якої займався, засновник кафедри біофізики фізичного факультету МДУ (рис. 6). У своїх роботах він писав про нерівноважних станах білків і про релаксацію білка-машини в процесі перетворення речовини в клітині.

Зараз це вже стало звичним: біофізики прямо заявили, що білок - це машина, виявлені і молекулярні мотори ( см., Наприклад, статтю « Білкові мотори: на службі у людини і нанотехнологій»). Звичайно, не проста машина, а особлива, біологічна. Що таке взагалі «машина»? У побуті так називають автомобіль, пральний агрегат, верстат на заводі, а в дев'ятнадцятому столітті під цим малася на увазі парова машина. Але якщо міркувати науково, то машина - це система, побудована за планом з різних, несхожих між собою частин і призначена для виконання певних функцій (таке визначення дав свого часу академік Іван Артоболевский).

Ферменти та інші нанороботи в точності відповідають цим визначенням: вони побудовані за планом, закладеному в ДНК, і виконують строго певні функції. Частини білків - молекули-мономери - не схожі один на одного, вони мають різну форму і хімічний склад. При з'єднанні різних мономерів виходить велика органічна молекула - полімер. Такі білки-полімери і стає молекулярними машинами, нанороботами. У кожному нанороботи-фермент існує його «структурна частина» (аналог станини верстата) і «активний центр» - робочий інструмент. Майже як на будь-якому заводі! Ось тільки розміри таких машин не мають аналогів в неживій природі.

А якщо розміри машини незвичайні, то і робота цих пристроїв не схожа на звичні нам дії. Адже в наносвіті майже все не так, як в нашому, людському макросвіті. Ми не дарма згадали про парову машину. Принципи роботи парової машини лягли в основу термодинаміки - науки про передачу і перетворення енергії. Це сталося не тому, що парова машина така ідеальна - просто тоді, коли складалася термодинаміка, інших машин не було. А її пристрій особливо наочно демонструє процеси перетворення енергії.

Без передачі і перетворення енергії, звичайно, не можуть існувати ніякі організми і окремі клітини. Все їхнє життя, як ми вже писали вище, це постійний процес обміну енергією з навколишнім середовищем, такий обмін, в якому проводиться певна робота. Тільки парова машина виконує свою роботу надзвичайно грубо, якщо порівнювати її з діями нанороботів. Парова машина має справу з величезною масою молекул (пара або газу). При нагріванні ці молекули всією масою прагнуть вирватися на свободу (тобто досягти рівноваги із зовнішнім, холодним середовищем), тиснуть на перепиняє їм шлях до свободи поршень і здійснюють роботу.

У наномашин все навпаки. Білок-наноробот не здатний переміщати великі обсяги матерії - зате він бачить кожну молекулу окремо і здатний розпоряджатися укладеної в ній енергією. Уявіть, що такі пристрої використовуються в паровій машині: з кожною молекулою пара «працює» наноробот, ловить її і відтягує на належне місце, а потім відпускає.

Тоді стануть зайвими важкий поршень, гідравлічні приводи, і вся машинка потужністю в тисячу кінських сил може стати крихітної, розміром з флешку або чіп. Правда, для цього знадобиться стільки ж нанороботів, скільки в даному обсязі молекул пари або газу, та ще й пристрої потрібні спеціальні, «навчені» працювати саме за цією професією. А таких в природі ще треба пошукати. Але перспективи відкриваються привабливі.

Однак, як не чарівно виглядав би паровоз, який поміщається в кишені, робота реальної живої клітини виглядає ще фантастичнее. Адже парова машина (як і будь-яка інша енергоустановки) всього лише використовує прагнення будь-субстанції до рівноваги із зовнішнім середовищем, а межею рівноваги є так звана «теплова смерть Всесвіту» - такий стан, коли всі об'єкти світу, від молекул до галактик, стануть однаковотеплими або, вірніше, однаково холодними, і всякий рух припиниться.

Зовсім інший вектор має робота нанороботів. Вони, на відміну від парової машини, не просто використовують ентропію, а протиборствують їй в міру сил. Лев Блюменфельд писав, що «молекулярна машина» управляє станами окремих молекул. Маючи справу з молекулою речовини, нанороботи не дозволяють їй рухатися хаотично - вони переносять молекули туди, куди потрібно клітці для її харчування і зростання, регулюють хімію і фізику процесів.

В кінцевому рахунку, енергія пара в казані (або енергія палаючого палива в автомобільному двигуні) - це сума енергій руху окремих молекул пара або іншого «робочого тіла». Але коли парова машина «складає» ці енергії окремих молекул, то при «узагальненні» виникають неминучі втрати. Якісь молекули просочуються крізь щілини в пристрої, якісь залітають в кут без будь-якої користі і т.п. Відбувається приблизно те ж саме, що при поганому обліку в великому господарстві: частина товарів і матеріалів псується на складі, не беручи участі в виробництві, інша частина направляється не за призначенням, третю розтягують гризуни ... При оперуванні мільйонами і мільярдами об'єктів «усушка і утруска »неминучі. Але вони стануть неможливі, якщо враховується кожен предмет окремо, якщо все поставлено на облік, і у кожної речі є свій власний комірник.

Звичайно, в нашому світі це нездійсненно. Нам вигідніше втратити частину продуктів, ніж оплачувати працю мільйонів рахівників і контролерів. Але в наносвіті свої уявлення про те, що вигідно і що невигідно. Тому і ККД у машини-білка не 8 відсотків, як у паровоза, а мало не в 10 разів більше!

Від класичної машини білкові молекулярні машини відрізняються ще однією особливістю. У звичайній енергетичній установці сама машина (її механізм, корпус) і «робоче тіло» (водяний або бензиновий пар) - це різні об'єкти. Наноробот є, як правило, одночасно і механізм, і робоче тіло. Потоки енергії не струмують повз нанороботів у вигляді пари або вогню - вони рухаються в них самих в ході хімічних реакцій.

Микротрубочка - джерело думки?

Найпоширеніший тип нанороботів - відомі з XIX століття ферменти. Тільки ферментів налічується близько п'яти тисяч різновидів. Це особливі білки - каталізатори біохімічних процесів, які без їх участі йшли б у багато разів повільніше.

Ферменти - білкові машини з жорсткою програмою. Кожен з них пристосований для вирішення абсолютно конкретного завдання. Але всі вони так чи інакше є каталізаторами хімічних реакцій, тобто допомагають перетворенню одних речовин в інші. Вірніше, ферменти просто перетворюють одну хімічну реакцію, яка повинна була б йти «природним шляхом» без особливої \u200b\u200bкористі для клітини і організму, в іншу - корисну. Як вже говорилося, вони переправляють реакцію зі шляху найменшого опору (який дає мало енергії) на шлях важкий, але зате енергетично ефективний.

Інший тип нанороботів - ремонтники. Хоча ДНК - молекула стійка, все ж вона може пошкоджуватися. Причиною цього є радіація, мутагенні речовини, вільні радикали. Особливу роль відіграє «депурінізація» - вищепленію азотистих основ молекули ДНК, тобто, по суті, її руйнування. У простому (неживому) розчині цей процес йде досить швидко, і якби те ж саме відбувалося в клітці, ДНК не прожила б більше тижня, і клітина була б приречена на загибель. Втім, і ДНК кожної клітини людини втрачає за добу близько п'яти тисяч пуринових підстав. Але в клітці працюють спеціальні пристрої - репараційні комплекси ( «Репарація» по латині означає «відновлення»). Їх можна порівняти з ремонтною бригадою на залізниці, яка весь час їздить по рейках, знаходить пошкодження і виправляє їх. Репарази здатні відновлювати навіть радіаційні пошкодження ДНК. Складність роботи репараз (як, втім, і інших нанороботів) викликає захоплення - комп'ютер з працею може змоделювати їх дії. Для осягнення роботи цих пристроїв потрібне знання вищої математики та квантової фізики.

Процес поділу клітини - будь то мітоз або мейоз - це один з найбільш фантастичних процесів у Всесвіті. Він обслуговується величезною командою нанороботів. Крім тих, що пов'язані з подвоєнням ДНК, в цю команду включені нанороботи центриолей. Центриоли представляють собою своєрідні полюси, навколо яких закручується «веретено» генетичного матеріалу. Складаються вони з 27 циліндричних елементів - «микротрубочек», - в основі яких лежать молекули білка тубуліну.

Крім роботи з розмноження клітини, мікротрубочки беруть участь у створенні цитоскелету: без їх підтримки клітина перетворилася б в аморфну \u200b\u200bкраплю. Микротрубочки також працюють трубопроводами - за ним передаються речовини з одного кінця клітини в інший.

Здавалося б, роль центріолей в роботі клітини чисто механічна. Однак саме ці органели американський біолог Гюнтер Альбрехт-Бюлер (до речі, фізик за освітою) назвав «мозком клітини». Інший біолог з США, Стюарт Хамерофф, висловив припущення, що саме з мікротрубочками, що лежать в основі структури центриолей, пов'язано саме дивне явище у всьому Всесвіті - свідомість.

Така ідея виникла у Хамероффа завдяки тому, що за основною професією він лікар-анестезіолог. В один прекрасний день він виявив, що деякі речовини, які застосовують в анестезії (наркозу), змінюють будову нанотрубочек, укладених в відростках нервових клітин (аксонах і дендритах).

Думка Хамероффа розвивалася приблизно так: анестезія є способом відключення свідомості. Відключеному свідомості відповідають змінені мікротрубочки. Значить, мікротрубочки в їх природному, незміненому вигляді і є носіями «включеного» свідомості.

Правда, пізніше з'ясувалося, що далеко не всі анестезуючі речовини так помітно впливають на мікротрубочки. Але вчений, проте, продовжував розвивати свою теорію і в кінці кінців випустив книгу, в якій стверджував, що мікротрубочки є апаратами обчислення і інтегрування інформації в мозку. Якщо гіпотеза Хамероффа вірна, виходить, що серед нанороботів є не тільки «хіміки» та «ремонтники», а й нанокомп'ютер. Є й інша гіпотеза спирається на той факт, що воднева зв'язок є ідеальної осередком для кубіта (Квантового біта - одиниці квантових обчислень) - в ній протон може перебувати або в одній, або в інший енергетичної «ямі», здійснюючи між ними «квантові стрибки». З цих позицій саме наша свідомість визначається сукупністю операцій нанокомп'ютерів.

Хоча інші вчені не згодні з таким механістичним підходом не тільки до людської свідомості, а й до роботи живої клітини. Спростування або доказ цієї гіпотези - справа науки майбутнього, можливо, не такі вже й віддаленого.

Інфузорія-туфелька, душа клітини і комп'ютерні алгоритми

Спільна, точно узгоджена робота мільйонів нанороботів створює щось унікальне явище, яке ми називаємо «життям». Чи можна відтворити таку систему штучно? Художник Євген Подколзин в жартівливій формі зобразив дії нанороботів в клітці (рис. 7).

Малюнок 7. Робота нанороботів в клітці.
Щоб побачити малюнок в повному розмірі, натисніть на нього.

малюнок Євгена Подколзина

Створення живої істоти в пробірці - давня мрія алхіміків. У літературі образ такого мрійника створив Гете у «Фаусті». У XIX столітті були наївні з сучасної точки зору спроби створити «штучну клітину». У наші дні з заявою про створення штучної живої клітини (якої навіть дали ім'я: Синтія, Cynthia по-латині) виступив Крейг Вентер - керівник і фірми Human Longevity, Inc. . Він з успіхом брав участь в програмі «Геном людини», поставив і вирішив задачу створення штучної ДНК. У 2010 році він ввів створений ним штучний геном в одноклітинний організм Mycoplasma micoides - і цей геном, як і слід було очікувати, працював, виробляючи потрібні білки.

Але заява про те, що йому вдалося створити живу клітину - явне перебільшення. Цю роботу можна порівняти зі створенням програми для комп'ютера - але не зі створенням самого комп'ютера. ДНК - це всього лише програма, і, якби в микоплазме не працювали мільйони нанороботів, отриманих кліткою «у спадок», програма залишилася б просто текстом, який нікому було б читати.

Але, незважаючи на успіхи і невдачі Вентера, вивчення нанороботів живої клітини і принципів їх роботи насправді відкриває абсолютно нові можливості для нанотехнологій. У 60-ті роки ХХ століття виникла біоніка - «наука про використання біологічних прототипів для пошуку нових технічних рішень». У XXI столітті наука вже шукає ідеї для створення нових нанотехнологічних пристроїв в живій клітині. Цим займається нова наука XXI століття - нанобіоніка.

Створення реальних нанороботів і використання їх біологічних прототипів допоможе вирішити проблеми в найнесподіваніших областях - від медицини до екології і того, що раніше називали кібернетикою, а тепер інформаційними технологіями. Уже з'явилися накопичувачі інформації на базі препарату «Біохром», що використовують здатність фоточувствительного білка бактериородопсина змінювати свою конформацію (просторове розташування атомів) при поглинанні кванта світла. Винайдено революційна методика, що дозволяє виявити в пробі повітря або рідини навіть одну (!) Молекулу РНК, яка може бути пов'язана з інфекцією.

Дослідження в області нанобіонікі дозволять вдихнути нове життя і в найцікавіше науковий напрям - цітоетологію, Науку про поведінку клітин, в основі якого лежить координоване взаємодія клітинних нанороботів. Про необхідність розвитку досліджень в області цітоетологіі писав біолог Володимир Александров (рис. 8), що опублікував в 1970 році до сих пір не втратила свого значення статтю « Проблема поведінки на клітинному рівні - цітоетологія». У ній він наважився в епоху «діалектичного матеріалізму» заявити: « У клітинних органоїдів і самих клітин є своя маленька, але душа».

Дійсно, поведінка нанороботів і живих клітин змушує задуматися про принципову відмінність їх від стандартних технічних систем. Здається неймовірним, але, можливо, саме на цьому рівні виникає то властивість живих систем, яке на рівні організму (особливо яскраво - у людини) називається «свободою волі». Це дуже глибока проблема на стику біофізики, квантової механіки, філософії та богослов'я. Якщо і порівнювати живу клітину з комп'ютером, варто задуматися - а чи не є цей комп'ютер квантовим?

Першим відомим вченим, який запропонував модель квантового комп'ютера, був Річард Фейнман - той самий фізик, який у вільний від основної роботи час розглядав під мікроскопом інфузорію-туфельку, а ідею квантових обчислень за рік до Фейнмана висловив російський фізик Юрій Манін.

Повноцінний квантовий комп'ютер досі не створено, хоча вже є перші діючі моделі і написані програми для таких комп'ютерів. Головною відмінністю квантової обчислювальної машини від звичайної стане робота по принципам некласичної, а квантової механіки. Як відомо, квантова механіка допускає такі стани речовини, які, будучи перенесені в наш світ, здалися б чудовими (наприклад, одночасне перебування однієї частки в двох різних місцях). Подібні квантові ефекти ляжуть в основу програмних алгоритмів для нових комп'ютерів. А це дозволить вирішувати такі завдання, які й не снилися сьогоднішнім «рахункових машин». Квантовий «мозок» зможе вперше відповідати складності процесів, що відбуваються в живій природі - наприклад, в тій же самій живій клітині.

Нинішні машини можуть працювати тільки з моделями, тобто з спрощеними образами реальності. Для квантового комп'ютера біологічна (і, наприклад, астрономічна) реальність вперше буде по «зубах».

Цікаво, що саме складність біологічних процесів і привела Фейнмана (і його однодумців) до ідеї квантового комп'ютера. Цілком можливо, що ідея створення такої машини виникла у нього в результаті спостережень за тією самою парамецій.

Схоже, вийшло замкнуте коло: фізики вважають живі клітини квантовими комп'ютерами, розібратися в роботі яких можна тільки за допомогою квантових обчислень. Вихід з цього кола можливий після створення справжнього потужного комп'ютера на основі квантових процесів.

Сьогодні такі пристрої вимагають глибокого охолодження і можуть обробляти в кращому випадку кілька сотень кубітів. Крім того, інженери поки не придумали, як захистити квантовий мозок від електромагнітних та інших впливів, до яких новий обчислювач буде набагато чутливіші звичних нам «персоналок». Судячи з усього, жива клітина зберігає таємницю квантової обробки інформації з набагато більшим обсягом обчислень, володіючи при цьому непоганий захищеністю від зовнішніх впливів.

Відкрити і вивчити ці процеси - завдання для нових поколінь цитологів і біофізиків. Бажаємо їм успіхів!

Розширений варіант статті готується до друку в альманасі «Хочу все знати» (видавництво «Будинок дитячої книги», СПб.). автори висловлюють подяку редактору альманаху Сергію Іванову за плідні дискусії, художнику Євгену Подколзиназа люб'язно надані картинки, а видавцеві Аллі Насонової - за дозвіл використовувати матеріал з альманаху в даній статті.

література

1. Фейнман Р.Ф. «Ви, звичайно, жартуєте, містер Фейнман!» М .: «Регулярна і хаотична динаміка», 2001. - 87 с .;
2. Бауер Е.С. Теоретична біологія. М.-Л .: Видавництво ВІЕМ, 1935. - 150 с .;
3. Казка-комікс про велику битву між радикалами і антиоксидантами ;. Білкові мотори: на службі у людини і нанотехнологій;
4. Вся теорія в трубу. (2012). «Лента.Ру»;
5. Режабек Б.Г. (1998). розвиток і сучасний стан уявлень про біологічні підсилювачах. Конференція пам'яті П.Г. Кузнєцова;
6. З геномом порожняком: мінімальний розмір бактеріального генома - це скільки? ;
7. Коган А.Б., Наумов Н.П., Режабек В.Г., Чораян О.Г. Біологічна кібернетика. М .: «Вища школа», 1972. - 382 с .;
8. Александров В.Я. Поведінка клітин і внутрішньоклітинних структур. М .: «Знання», 1975. - 64 с ..

Ще в 1986 році відомий американський інженер Ерік Дрекслер в своїй книзі «Машина творення» навів приклад роботів, здатних будувати об'єкти на молекулярному рівні - атом за атомом. Вони також повинні проникати в тіло людини і лікувати його зсередини, впливаючи безпосередньо на уражені хворобою ділянки організму. Все це звучить утопічно, але сьогодні багато вчених упевнені, що поява таких машин - нанороботів - це всього лише питання часу.

Що таке нанороботи?

Чіткої відповіді на це питання поки не існує - немає єдиного і універсального тлумачення терміна «наноробот». В цілому ж, коли говорять про таких пристроях, зазвичай мають на увазі крихітних роботів розміром з молекулу, здатних маніпулювати атомами і іншими нанооб'єктів. Іншими словами, вони здатні впливати на саму основу всього нашого світу, адже вже доведено, що всі навколо, включаючи нас самих, складається з атомів. Це відкриває широкі можливості нанороботів і людям, які керують ними.

Далеко не всі вчені вірять в те, що нанороботів реально створити, і їх складно звинувачувати в скептицизмі - все описане вище дійсно звучить занадто фантастично. Але потрібно розуміти, що кожен з нас живий сьогодні завдяки незліченним операціями наноботов в трильйони наших клітин. Люди дають їм певні назви, наприклад, «рибосоми», «кров'яні тільця» і т.д., але за своєю суттю вони - запрограмовані машини з функцією. Якщо ми зможемо зрозуміти, яку саме «програму» вони використовують, і зможемо її відтворити - майбутнє з нанороботами не змусить себе довго чекати.

Зараз використовується кілька способів створення нанороботів. Відповідно до першого, для цих цілей буде потрібно спеціальна нанофабрик. Це комплекс пристроїв, призначений для комбінації атомів і створення з них різних зв'язків. Другий метод передбачає створення нанороботів на основі ДНК.

Можливий потенціал нанороботів

Вчені вважають, що він практично безмежний. При достатньому рівні розвитку технології ці мікроскопічні пристрої зможуть в прямому сенсі перетворити наш світ. Серед іншого вони дозволять:

Лікувати все хвороби, навіть такі небезпечні, як рак. Лікарі зможуть впроваджувати роботів в організм пацієнта і з їх допомогою швидко відслідковувати уражені клітини, а потім безпосередньо лікувати їх зсередини! Це, в свою чергу, дозволить істотно продовжити термін людського життя і, можливо, навіть знайти безсмертя.

Змінювати організм, покращуючи його функції і можливості. Наноботи в даному випадку використовуються як імплантати. Вміщені всередину організму, вони будуть відслідковувати його стан, швидко фіксувати симптоми захворювань, покращувати фізичні дані носія і т. Д.

Підключити мозок до інтернету. Безпосередньо! Винахідник Реймонд Курцвел вважає, що це стане можливим вже в 2030 році.

Очищати води Світового океану і повітря, висмоктуючи забруднення на молекулярному рівні.

Це лише мала частина можливостей нанороботів. При належній фантазії і винахідливості з їх допомогою можна зробити неймовірно багато.

сучасні нанороботи

Уже створено цілий ряд дивних розробок в даному напрямі! Наведемо тут лише деяких з них:

Наноплавнікі від ETH Zurich і Technion. Пристрій являє собою поліпропіловую дріт. Вона здатна рухатися в біологічної рідини організму зі швидкістю 15 мікрометрів в секунду. Такий «наноплавнік» можна використовувати для точкової доставки ліків в уражений орган.

3D-рухомі наномашини з ДНК. Таку незвичайну конструкцію розробили вчені Університету Огайо. Ці боти сконструйовані безпосередньо з ДНК-клітин і можуть виконувати певні маніпуляції.

Ще один вид нанороботів, призначений для доставки ліків в задані ділянки, створили вчені Дрексельского Університету. Конструкція являє собою ланцюжок з 13 ботів, здатних пересуватися по біологічної рідини зі швидкістю 17,85 мікрометра в секунду.

Ці наноботи, звичайно, ще не здатні лікувати всі хвороби і підключати людський мозок до інтернету. І найближчим часом не зможуть. Але очевидно, що все до того йде, і поява наноботов в повсякденному житті - це не настільки нереально, як може здатися на перший погляд.

Хоча багато технологій можуть бути в майбутньому використані для пожвавлення кріопаціентов, можливо, починати ознайомлення з технологіями майбутнього пожвавлення кріопаціентов треба з читання FAQ (питання та) з наномедицини. Адже нанотехнології здаються найбільш досконалим інструментом для клітинного ремонту і розуміння їх розвитку дає найбільш повну картину майбутнього відновлення кріопаціентов до життя. Про це ще в 1986 році писав батько сучасних нанотехнологій Ерік Дрекслер в своїй науково-популярній книзі "Машини творення". До того ж, цей напрям інтенсивно розвивається по всьому світу.

FAQ з наномедицини:

1. З яких хімічних елементів будуть складатися медичні нанороботи?

Типове медичне Нанопристрій буде являти собою робота мікронного (мкм, 1 мкм \u003d 10 -6 м) розміру, зібраного з наночастей. Ці частини за розміром будуть варіюватися від 1 до 100 нм (1 нм \u003d 10 -9 м) і повинні будуть сукупно складати працездатну машину розміром близько 0.5-3 мкм в діаметрі. При цьому, три мікрона - максимальний розмір для медичних нанороботів кровотоку, тому що це мінімальний розмір капілярів.

Вуглець буде основним елементом, що становить основу медичних нанороботів, можливо у формі алмазу або алмазоідних нанокомпозитів - через величезну міцності алмазоіда і його хімічної інертності. Багато інших елементів, такі як водень, сірка, кисень, азот, фтор, кремній і ін., Будуть використовуватися для спеціального застосування в нанометричних редукторах та інших компонентах нанороботів (наноботов).

2. Чи можуть рідини, що знаходяться в людському тілі, проникати в нанороботів?

З медичної точки зору доцільно було б визначити нанороботи як пристрій, що має два простору - внутрішнє і зовнішнє. І це правда, що зовнішній простір нанороботи буде стикатися з зовнішнім оточенням - біохімічної машиною людини. Але внутрішній простір нанороботи повністю штучно організоване (найімовірніше, всередині нанороботів буде вакуум), і при нормальній роботі пристрою в нього не потрапляють сторонні рідини, крім тих, з якими працює наноробот. Звичайно, в процесі роботи наноробот може пропускати всередину себе рідини для хімічного аналізу або для інших цілей. Але важливо, що цей пристрій буде водо- і повітронепроникним. Рідини, що знаходяться в тілі людини не зможуть проникнути всередину нанороботи, крім рідин, спеціально нагнітається механізмом.

3. Яким буде фізичне самопочуття людини, якій ввели всередину медичних нанороботів?

У більшості випадків пацієнт, що проходить наномедіцінскую обробку, виглядає точно так само, як і іншої такої ж хвора людина. Типова наномедіцінская обробка (наприклад, очищення від бактеріальної або вірусної інфекції) буде складатися з ін'єкції декількох кубічних сантиметрів нанороботів мікронного розміру, розчинених в рідині (можливо в воді або в сольовому розчині). Типова терапевтична доза може включати від 1 до 10 трильйонів (1 трильйон \u003d 10 12) окремих нанороботів. Природно, що в залежності від захворювання можна обмежитися декількома мільйонами або кількома мільярдами механізмів. Кожен наноробот буде розмірами від 0,5 мкм до 3 мкм в діаметрі. Розміри залежать від виду і призначення нанороботи.

Тіло дорослої людини має обсяг близько 100 000 см 3 і обсяг крові ~ 5400 см 3, тому додавання дози нанороботів обсягу ~ 3 см 3 практично несуттєво. Нанороботи будуть робити тільки те, що скаже лікар, нічого більше (таким чином виключена можливість несправностей). Таким чином, зміниться тільки фізичний стан пацієнта - він буде дуже швидко одужувати. Більшість хвороб типу застуди або лихоманки мають симптоми, обумовлені біохімічно. Їх можна буде усунути, вводячи дозу відповідних нанороботів. Відновлення нормального стану шкіри при висипаннях на ній або її пошкодження (як це трапляється при кору), буде відбуватися повільніше, так як в цьому випадку необхідно буде повністю відновити шкірний покрив.

4. Як буде виглядати типовий наноробот?

Неможливо сказати зараз, як буде виглядати універсальний наноробот. Нанороботи, призначені для подорожей всередині людського кровотоку, можливо, будуть мати розмір 500-3000 нм. Нанороботи, що знаходяться в тканинах, можуть бути розмірами від 50 до 100 мкм. А наноустройства, що функціонують в бронхах, можуть бути ще більше. Кожен тип медичного нанороботи буде розроблений під необхідні умови, І, тому, можливі різні їх розміри і форми. Жоден наноробот ще не сконструйований, нарешті. Багато, теоретично правильні на папері розробки нанороботів, в майбутньому будуть уточнюватися після відповідних досліджень.

5. Чи можете ви дати приклад простого медичного нанороботи?

Дуже простий наноробот, якого я (Роберт Фрайтас, прим. Перекл.) Розробив кілька років тому - штучна червона кровоносна клітина, названа "респіроцітом". Розмір респіроціта - 1 мікрон в діаметрі і він просто протікає в кровотоці. Це сферичний наноробот, виготовлений з 18мілліардов атомів. Ці атоми, в основному, - вуглець, з кристалічною решіткою алмаза, що утворюють сферичну оболонку механізму.

Респіроціт, по суті справи, - гідропневмоаккамулятор, який може нагнітати всередину себе 9 більйонів молекул кисню (O 2) і молекул діоксиду вуглецю (CO 2). Пізніше, ці гази випускаються з респіроціта під контролем бортового комп'ютера. Гази зберігаються під тиском близько 1000 атмосфер. (Респіроціти можуть бути виготовлені незаймистими завдяки оболонці з сапфіра, негорючого і матеріалу з властивостями, близькими до алмазоіду).

Поверхня кожного респіроціта на 37% покрита 29160 молекулярними сортують роторами ( "Nanosystems", стор. 374), які можуть нагнітати і випускати гази у внутрішній резервуар. Коли наноробот пропливає в альвеолярних капілярах, парціальний тиск O 2 вище, ніж CO 2, тому бортовий комп'ютер говорить сортують роторам нагнітати в резервуари кисень, випускаючи CO 2. Коли пристрій визначить своє місце розташування в тканинах, бідних киснем, відбудеться зворотна процедура: так як парціальний тиск CO 2 відносно високий, а парціальний тиск O 2 низьке, то ротори будуть нагнітати CO 2, випускаючи O 2.

Респіроціти наслідують природним функціям еритроцитів, наповнених гемоглобіном. Але респіроціт може переносити в 236 разів більше кисню, ніж природна червона клітина. Цей наноробот набагато ефективніший природного, завдяки винятковій міцності алмазоіда, що дозволяє підтримувати усередині пристрою високий тиск. Робочий тиск червоної кров'яної клітини - 0.51 атм, при цьому тільки 0.13 атм доставляється тканинам. Таким чином, ін'єкція 5 см 3 дози 50% розчину респіроцітов в кровотік зможе замінити несучу здатність 5400 см 3 крові пацієнта (тобто її всю)!

Респіроціти матимуть сенсори для прийому акустичного сигналу від лікаря, який буде використовувати ультразвуковий передавач для подачі команд роботам, щоб змінити їх поведінку, поки вони знаходяться в пацієнта. Наприклад, лікар може дати команду респіроцітам припинити нагнітання кисню і зупинитися. Пізніше, лікар може дати команду про включення. Що буде, якщо додати 1 літр респіроцітов в ваш кровотік (це максимально безпечна доза)? Ви тепер можете затримувати дихання на 4 години, спокійно перебуваючи при цьому під водою. Або, якщо ви спринтер, і біжите на граничній швидкості, то можете затримати дихання на 15 хвилин до наступного вдиху!

Описане "просте" пристрій має дуже корисні можливості, навіть при його використанні в малих дозах. Інші, більш складні пристрої, матимуть більший набір можливостей. Деякі пристрої повинні бути мобільними і здатними плавати в крові, або переповзати всередині тканин. Природно, що вони будуть мати різні кольори, форми, в залежності від виконуваних ними функцій. Вони будуть мати різні види маніпуляторів роботів, різні набори сенсорів і т.д. Кожен медичний наноробот буде спроектований на певний тип роботи, і буде мати унікальну форму і поведінку.

6. Чи можуть "застарілі нанороботи", що містяться в людському тілі, створювати проблеми, якщо вони в кінцевому рахунку відмовлять?

Після наномедіцінской обробки, нанодоктора 21 століття захочуть видалити терапевтичних нанороботів з тіла пацієнта тоді, коли механізми завершать свою роботу. Тому небезпека того, що "застарілі нанороботи", що залишилися в тілі пацієнта, будуть працювати невірно, дуже мала.

Також нанороботи будуть спроектовані з високим рівнем статичної невизначеності для того, щоб уникнути збоїв в роботі пристрою, і усунути тим самим медичний ризик.

7. Як нанороботи будуть видалені з тіла?

Деякі наноустройства здатні до самоудаленіе з організму шляхом природних людських екскреторних каналів. Інші будуть спроектовані таким чином, щоб дозволити їх видалення медичним персоналом, використовуючи виводяще-подібні процеси (зазвичай звані нановиводом або наноаперезісом) або активні фагоцитозного системи. Це залежить від пристрою даного нанороботи. Для респіроцітов, раніше розглянутих, процедура виведення їх з тіла пацієнта проста:

"Як тільки терапевтичне застосування закінчено, було б бажано вивести штучні пристрої з кровотоку. Бортовий резервуар з баластом (водою) корисний при відділенні штучних клітин від крові. Кров, яка б вимагала в очищенні надходить в спеціально сконструйовану центрифугу, де респіроцітам дають команду ультразвуком очистити їх баластні резервуари від води і, таким чином, встановити нульову плавучість. Жоден твердий компонент крові не має нульовий плавучістю, тому інші компоненти будуть відокремлені від респіроцітов за допомогою акуратного центрифугування. Після цього, плазма, яка містить респіроціти, пропускається через фільтр з розміром зерна 1 мкм, відокремлюючи респіроціти від плазми. Відфільтрована плазма змішується з твердими тілами, Отриманими протягом центрифугування і кров неушкодженою повертається до пацієнта. Швидкість відділення респіроцітов може варіюватися за допомогою команд, змінюючи щільність респіроціта заповненням баластного резервуара. Так можна домогтися у респіроцітов 66% щільності плазми крові, або, командою від лікаря, випустити 5 мікронних бульбашка кисню, приєднуючись до нього завдяки силі поверхневого натягу, Спливати з постійним прискоренням наверх. "(Роберт А. Фрайтас, "Exploratory Design in Medical Nanotechnology: A Mechanical Artificial Red Cell.")

8. Чи будуть нанороботи, що знаходяться всередині людського тіла, атаковані імунною системою?

Імунна система, в основному, реагує на "чужорідні" поверхні. Розмір нанороботи також грає важливу роль при цьому, так само як і мобільність пристрою, шорсткість поверхні і її рухливість. Взагалі ж, проблема біосумісності, в принципі, не складніше проблеми сумісності біоімплантатів. У деяких випадках ця проблема виявляється простіше, ніж її звикли уявляти, так як багато типів медичних нанороботів будуть тимчасово перебувати в людському тілі. Навіть на сьогоднішній день, застосування іммунноподавляющіх агентів на період наномедіцінского лікування, допоможуть імунно незахищеним роботам перебувати в тілі людини і виконувати там свою роботу без проблем.

Звичайно, ідеальний вихід з даної проблеми - конструювання роботів з алмазоідних матеріалів. Ряд проведених експериментів підтвердив, що гладкі алмазоідние структури викликають меншу активність лейкоцитів і менше адсорбують фібриноген. Тому здається розумним сподіватися, що таке алмазоідное покриття ( "організоване", тобто нанесене атом-за-атомом, з нанометровій гладкістю), буде мати дуже низьку біологічну активність. Завдяки дуже високою поверхневою енергії алмазоідной поверхні і сильною її гідрофобності, зовнішня оболонка роботів буде повністю хімічно інертна.

Однак, навіть організовані поверхні не будуть забезпечувати достатній біоінактівності, і тільки активне управління поверхнею робота може забезпечити повну біосумісність всього пристрою.

9. Як швидко нанороботи зможуть реплицироваться всередині людського тіла?

Це дуже поширена помилка. Медичні нанороботи не потребують реплікації взагалі. Насправді FDA, або її майбутній еквівалент, ніколи не дозволить використовувати наноустройства, здатні до реплікації in vivo (тобто в живому організмі). Навіть уявивши собі найнесподіваніші обставини, ніхто не хотів би мати всередині власного тіла що-небудь, здатне до реплікації. Реплікація бактерій вже доставляє нам багато проблем.

Реплікація - основна можливість втілення в життя молекулярного виробництва (молекулярної нанотехнології). Але, незважаючи на найбільш необхідні застосування самореплицирующихся систем, просто немає сенсу ризикувати, виготовляючи "життєздатні" нанороботи всередині організму, в той час як "нежиттєздатні" нанороботи можуть виготовлятися дуже швидко і дешево поза людським тілом, не завдаючи йому небезпеки. Реплікатори будуть завжди під найсуворішим контролем з боку урядів всього світу.

10. Чи можуть медичні нанороботи володіти штучним інтелектом, схожим на людський?

Це інша широко поширена помилка. Багато медичні нанороботи будуть мати дуже прості бортові комп'ютери. Респіроціти, наприклад, будуть мати нанокомп'ютер, що виконує всього 1000 операцій в секунду, що набагато менше обчислювальної потужності комп'ютера Apple II.

Більшість нанороботів, які виправляють клітини, не потребують комп'ютерах з продуктивністю більше ~ 10 6 -10 9 операцій в секунду для виконання своєї роботи. Це на 4-7 порядків менше обчислювальної потужності людського мозку, що становить ~ 10 13 операцій в секунду. Більшої швидкості обчислень для нанороботів не потрібно.

11. Від яких джерел енергії будуть працювати нанороботи?

Одним з ранніх припущень Еріка Дрекслера в "двигун створення" було використовувати локальні запаси глюкози і амінокислот в тілі людини (in vivo). Таким чином, Нанопристрій зможе за допомогою МЕХАНОХІМІЧНО реакцій отримувати енергію з метаболізується О2 і глюкози. Інша можливість - отримання акустичної енергії ззовні, що найбільш зручно при клінічному застосуванні. У розділі 6 "Nanomedicine: Basic Capabilities" описана дюжина інших джерел енергії, потенційно доступних в людському тілі.

12. Як можна буде зв'язатися з цими машинами, коли вони завершать свою роботу?

Для цього існує багато способів. Найпростіший шлях полягає в поширенні тестових акустичних сигналів усередині тіла, які нанороботи in vivo прийматимуть. Пристрій, схожий на ультразвуковий датчик буде розкодувати акустичні сигнали з частотою близько 1-10 МГц. Таким чином, лікар, який проводить лікування, може легко посилати нові команди нанороботи, що знаходиться в тілі людини. Кожен наноробот має автономне джерело енергії, комп'ютер, набір сенсорів, і, тому може приймати акустичні сигнали, декодувати їх і посилати відповідний відповідь.

Існує ще друга половина процесу передачі даних - від нанороботів лікаря. Ці дані також можуть бути надіслані акустично. Однак, можливості бортовий силової установки робота обмежують радіус передачі акустичних сигналів до декількох сотень мікрон для кожного нанороботи. Тому необхідно буде створити внутрішню мережу, що збирає локальні дані, і, потім, що пересилає їх до центрального "пункту зв'язку", де лікуючий лікар зможе їх прийняти за допомогою високочутливих ультразвукових сенсорів. Подібна мережа, що складається приблизно з 100 більйонів мобільних вузлів (розсіюють 60 Вт тепла, в той час як нормальне розсіювання енергії людського тіла - 100 Вт) всередині тіла пацієнта може бути встановлена \u200b\u200bпротягом години.

Крім вищеназваного способу, існує ряд інших, більш складних методів обміну повідомленнями.

13. Якщо медичні нанороботи будуть введені в тіло внутрішньовенно, як можна буде простежити їх розташування?

Як тільки навігаційна мережа впроваджується в тіло пацієнта, вона утворює навігаційну систему з багатьма станціями позиційного управління нанороботами.

Місцезнаходження нанороботів in vivo буде передаватися через комунікаційну мережу. Так як звичайна терапевтична доза нанороботів становить мільярди або трильйони пристроїв, то неважливо отримувати дані про місцезнаходження кожного робота. Передача даних про індивідуальному розташуванні нанороботів можливе лише за їх дозі менше мільйона.

14. Якими видами детектирующих систем нанороботи будуть відрізняти різні типи клітин?

Кожен тип клітинної поверхні має унікальний набір антигенів. Деякі поверхневі антигени відображають статус клітини (здорова / хвора і т.д.), тип органу, і навіть індивідуальність організму (щось на зразок біохімічного номера "соціального захисту", властивої кожному організму).

Тому короткий відповідь на це питання така: необхідно використовувати хемотактіческіе сенсори (схожі з сенсорами в хімічній силової мікроскопії), що мають конфігурацію зв'язує поверхні тих антигенів, якими володіє шукана клітина. Знання про структуру цих антигенів буде отримано при обробці результатів Проекту Людського Генома на початку 21 столітті.

15. Як будуть хімічні агенти (наприклад ліки проти раку) транспортуватися і доставлятися до певної клітці?

Як тільки визначена група клітин, які потребують доставці ліків, наноустройства просто доставляє лікуючий агент в клітку з бортових сховищ. Ін'єкція 1 см 3 1-мікронних нанопристроїв містить в собі як мінімум 0.5 см 3 лікуючого агента. Практично всі ці мільярди нанороботів досить "розумні" для того, щоб доставити 100% свого багажу всередину клітини, тому ефективність їх застосування складе 100%. Сенсори на борту пристроїв забезпечать надійний контроль за передозуванням клітин ліками.

Однак, це питання - яскравий приклад "анахронізму" в наномедицині. Розвинена нанотехнологія зможе в майбутньому забезпечити інший шлях, менш деструктивний для досягнення тієї ж мети. Наприклад, доставка цитотоксину в тканинні клітини необов'язково при видаленні карциноматоз на клітинному і генетичному рівні.

16. Чи можливо побачити in vivo нанороботи, використовуючи радіоізотопний метод, або необхідно розглядати їх безпосередньо в тканинах?

Так, наноустройства можуть спостерігатися всередині тіла за допомогою MRI, особливо якщо їх алмазоідние компоненти будуть виготовлені з атомів 13C, а не звичайних 12C. Ізотоп вуглецю, 13C має ненульовий магнітний момент. Але в ері наномедицини ізотопний підхід буде, знову-таки, анахронізмом. Пояснимо, чому.

Застосовуючи класичний медичний метод до нанолеченію, медичні нанороботи повинні бути спершу ін'ектіровани в тіло пацієнта (або орган) для початку роботи. Лікарі хотіли б спостерігати прогрес лікування, і бути впевненими, що наноустройства дійсно взаємодіють з шуканими клітинами і потрапляють в район захворювання. Тому першим інстинктивним бажанням лікарів буде бажання бачити нанороботи в тілі за роботою. Говорячи по-іншому, лікарі хотіли б сканувати ділянки тіла, і побачити наноустройства, що знаходяться біля мети їх застосування (в органах, тканинах і т.п.).

Однак, технології, які виготовляють наноустройства з молекулярної точністю, можуть дозволити розробити і вбудувати всередину нанороботів механізми для комунікації і навігації. Також будуть розроблені комунікаційні мережі всередині тіла пацієнта. Терапевтичні наноустройства, запрограмовані на спеціальні поверхневі антигени клітин шуканої тканини. Це додатковий інструмент, що допомагає нанороботи працювати всередині заданої області з необхідною точністю (близько міліметра або точніше).

Тому коректна модель медичного втручання в наноепоху буде виглядати наступним чином: нанороботи, введені в людське тіло будуть абсолютно инактивность за межами області медичного втручання. Навіть всередині області, в якій нанороботи перебувають неактивними доти, поки їх Сенсори не хемотактіческі активовані індивідуальної послідовністю білків, характерною для клітин, що підлягають лікуванню. Нанороботи будуть також розроблені таким чином, щоб активуватися тільки по акустичному сигналу ззовні (наприклад, від лікаря, який, намітивши уражену область виділяє область активування на просторової координатної сітки, суміщеної з тілом пацієнта), і тільки потім проводити сенсорінг клітинних білків. Лікар цілком контролює місцеперебування і статус нанороботів протягом усього лікування. Сигнали на зупинку нанороботів можуть бути подані в будь-який час.
Також важливо, що при цьому нанороботи зможуть обмінюватися даними про своє місцезнаходження, кількісному характері захворювання і про процес лікування. Діапазон передачі сигналів окремого нанороботи обмежений, але і ці технічні труднощі переборні. У цій моделі лікування лікар отримує дані від активних нанороботів. Вони повідомляють лікаря, скільки ракових клітин в їх оточенні; де знаходяться механізми, і т.д. У бортових комп'ютерів наномашин будуть системи запобігання збоїв (подібно п'яти незалежним бортовим комп'ютерам в космічному шатлі), пристрої блокування робота при збоях і системи повної зупинки при виведенні роботів з тіла.

Тому, при лікуванні таким способом, зовсім неважливо повністю представляти наноустройства безпосередньо, так як зворотний зв'язок від нанороботів полегшить їх контроль і візуалізацію.

17. Чи можна використовувати тканинну біопсію і подальшу електронну мікроскопію для відображення процесу роботи роботів при лікуванні захворювання?

Так, можна використовувати методи біопсії для виявлення нанороботів в тканинах пацієнта, використовуючи електронну мікроскопію. Однак, в нормальних умовах, медичні нанороботи будуть працювати без збоїв, так що біопсія стане непотрібною. Нанопристрої, розроблені з використанням протоколів, що виключають некоректну роботу і мають ряд механічних пристроїв, що підвищують надійність роботи пристрою, практично не будуть працювати належним чином.

У звичайній біопсії первинний інтерес представляє досліджувана тканина (НЕ наноустройства, а саме стан самої тканини). Але наноустройства можуть бути використані для швидкого тестування тканини, дослідження її біохімії, біомеханіки і гістометріческіх характеристик ( "гисто" - тканина) з великою точністю і подробицями. Взагалі, в еру професійної наномедицини, буде важливо проводити ряд тестів in situ (за місцем, на окремому препараті, без організму), перш ніж починати лікування. Це полегшить подальшу наномедіцінскую процедуру і зробить її більш комфортабельною для пацієнта.

18. Що може бути зроблено неправильно протягом лікування нанороботами людини?

Некомпетентність чи недбалість лікуючого персоналу - ось першочергове небезпеку для пацієнта. Однак, як і зараз, так і в ері нанотехнологій, такі випадки повинні бути нечасті.

Помилка може відбуватися в несподіваних випадках. Біосумісність людини з нанороботами добре вивчена і не представить проблеми. Кілька взаємозамінних бортових комп'ютерів робота розв'яжуть проблеми перепрограмування, адаптації, збоїв навіть після того, як він почне свою роботу всередині тканини. У завданнях з високим ступенем ризику будуть введені в дію ускладнені протоколи роботи роботів, що виключають неправильну роботу сукупності наномеханізми.

Тому найбільш серйозні проблеми можуть з'являтися при спільній роботі трильйона механізмів в обмеженому просторі і за дуже короткий проміжок часу. Одним з непередбачених збоїв може бути взаємодія між роботами при їх зіткненні. Такі несправності важко визначити в даний час, і, по всій видимості, вони будуть перевірені при тестуванні вже готових роботів.

Простим прикладом подібної несправності буде взаємна робота двох типів нанороботів в одній тканини. Якщо наноробот типу А запрограмований відновлювати наслідки роботи нанороботи У, то, тканина, яка містить їх обох, піддасться спочатку впливу нанороботи У, а, потім, наноробот А видалить всі результати втручання нанороботи У, що в свою чергу призведе до повторної роботі нанороботи У і так далі до нескінченності. Тобто нанороботи будуть "виправляти" роботу один одного.

Але навіть в подібній ситуації контроль над роботами зберігається. Лікуючий лікар, спостерігаючи процес лікування, або відключить один тип нанороботи, або перепрограмувати обидва (поки вони все ще всередині тіла), щоб їх робота не викликала деформацію тканин. Лікар повинен весь час тримати "руку на пульсі", щоб уникнути подібних ситуацій. Втручання лікаря - основний регуляційної елемент в несподіваних несправності і проблеми, тому кваліфікація лікуючого персоналу грає першорядну роль.

19. Яка була б найбільша вигода для людства, в використанні наномедицини?

Наномедицина виключить майже всі широко поширені захворювання двадцятого століття, біль; збільшить термін життя людини і розширить наші розумові можливості.

Пристрій для зберігання даних нанометричних розмірів, здатне зберігати інформацію, еквівалентну інформації Бібліотеки Конгресу, займе всього ~ 8 000 мікрон 3, що становить обсяг клітини печінки і менше обсягу, займаного нейроном - нервовою клітиною. Якщо імплантувати подібні пристрої в людський мозок разом з пристроями, що забезпечують до них доступ, то обсяг інформації, здатної зберігатися в людській пам'яті, незмірно зросте.

Простий нанокомп'ютер, що виконує 10 терафлоп операцій в секунду (10 терафлоп - 10 13 операцій з числами з плаваючою комою) детально описаний Дрекслером, також займає обсяг середньої людської клітини. Цей комп'ютер еквівалентний (з багатьма спрощеннями) лічильної здатності людського мозку. Він розсіює в навколишнє середовище близько 0.001 ват тепла. Людський мозок при такій же кількості операцій в секунду, розсіює 25 ват тепла. Якщо імплантувати в людський мозок кілька таких пристроїв, можна в кілька разів прискорити процеси людського мислення.

Але, можливо, основною користю для людства буде ера світу, що настала завдяки розвитку нанотехнологій. Ми сподіваємося, що розумні, освічені, здорові, ні в чому не потребують люди, які мають гарні будинки, Не захочуть воювати один з одним. Люди, що можуть прожити життя набагато повніше і довше, ніж зараз, не захочуть піддавати своє існування загрози.