Zinātnieki jau ilgu laiku ir izveidojuši un testējuši dažādas nanomašīnas laboratorijās. Faktiski tās ir molekulāras konstrukcijas, kuru uzdevums ir veikt kādu noderīgu funkciju: piemēram, nogādāt zāles slimam orgānam, identificēt patogēnu vai kaut ko labot. Kad parādīsies pirmie "noderīgie" nanoroboti, vai tie palīdzēs kolonizēt Marsu un citas planētas?
Uz šiem jautājumiem atbild Nīderlandes Groningenas universitātes profesors Bens Feringa. 2016. gadā viņš kopā ar francūzi Jean-Pierre Sauvage un Scotsman Fraser ieguva Nobela prēmiju par molekulāro mašīnu projektēšanu un izveidi. “Jūsu nanomašīnas ir izgatavotas no ļoti izplatītiem elementiem, piemēram, oglekļa, slāpekļa vai sēra. Vai mēs varam sagaidīt eksotiskākus komponentus tajos - piemēram, retzemju metālus vai radioaktīvās vielas?- Uz šo jautājumu ir ļoti grūti atbildēt viena vienkārša iemesla dēļ: mēs joprojām nezinām, ko šādas molekulārās konstrukcijas var un ko nevar. Tajā pašā laikā, neskatoties uz lielajām atšķirībām mūsu nanomotoru, rotoru un citu elementu struktūrā, mēs visi - mana grupa, Stoddart, Sauvage un daudzi citi kolēģi - joprojām strādājam tikai ar organiskām molekulām. Protams, nekas neliedz mums iedomāties, ka kaut ko tādu var radīt, izmantojot tikai neorganiskus savienojumus. Piemēram, lai izveidotu sarežģītu savienojumu un panāktu, ka tas, tāpat kā mūsu molekulārie motori, griežas ap savu asi. Tomēr neviens vēl nav samontējis šādus nanomotorus.
Iemesls ir vienkāršs. Pateicoties farmācijas un polimēru ķīmijas attīstībai, mēs esam iemācījušies ļoti ātri un labi sintezēt sarežģītus savienojumus, kas sastāv no ogļūdeņražu ķēdēm. Esmu pārliecināts, ka to pašu var izdarīt ar neorganiskiem savienojumiem, bet, lai to izdarītu, mums vispirms ir jāsaprot, kā salikt šādas molekulas.
Runājot par radioaktīviem izotopiem, es nedomāju, ka tie kādreiz kļūs par nanomašīnām. To neparastās īpašības un nestabilitāte, visticamāk, padarīs tos nepiemērotus darbībai kā stabilām molekulārajām sistēmām, kuru enerģijas avots ir gaisma vai elektrība.
Šajā ziņā mūs vairāk interesē bioloģiskie molekulārie motori, kuru cilvēka ķermenī ir simtiem šķirņu. Tās visas ir olbaltumvielu mašīnas, no kurām daudzās ir metāla atomi.
Visbiežāk tiem ir galvenā loma reakcijās, kas liek šīm biomatrīnām pārvietoties. Tāpēc man šķiet, ka visdaudzsološākā izskatās metālu kompleksu un apkārtējo organisko savienojumu kombinācija.
Šogad mēs svinam periodiskā galda 150. gadadienu. Vai jūs varētu paskaidrot, kā šis pusotra gadsimta sasniegums palīdz jums šodien atrast atklājumus?
- Periodiskā tabula un tai raksturīgie likumi faktiski vienmēr palīdz mums novērtēt, kā uzvedas dažāda veida atomi, kas atrodas blakus, un paredzēt dažu savienojumu īpašības.
Piemēram, dažos mūsu motoru veidos ir iebūvēti skābekļa atomi. Pateicoties tabulai, mēs saprotam, ka sērs pēc īpašībām būs līdzīgs tam, taču tajā pašā laikā tas ir nedaudz lielāks. Tas ļauj mums elastīgi kontrolēt šādu molekulāro mašīnu izturēšanos, apmainoties ar skābekli pret sēru un otrādi.
Reklāmas video:
Tas, protams, nebeidzas ar mūsu prognozēšanas iespējām. Nesen ir atklāti daudzi citi likumi, kas ļauj paredzēt dažas nanomašīnu īpašības.
No otras puses, es šaubos, vai mēs varam izveidot kaut ko līdzīgu periodiskajai tabulai šādām nanostruktūrām. Šeit mums, ja tas principā ir iespējams, nav pietiekami daudz zināšanu.
Tātad, mēs varam aptuveni paredzēt, kā izturēsies dažāda lieluma, līdzīgas struktūras molekulārie motori, taču mēs nevaram to izdarīt radikāli atšķirīgām sistēmām vai kaut ko noformēt no nulles, neveicot eksperimentus.
Jūs nesen teicāt, ka pirmie pilnvērtīgie nanoroboti parādīsies apmēram piecdesmit gadu laikā. No otras puses, tikai pirms pusotra gada Francijā notika pirmās šādu nanomašīnu "sacensības". Cik tālu mēs esam no autonomu nanoierīču parādīšanās?
- Jāsaprot, ka visas mūsdienās esošās molekulārās mašīnas ir ļoti primitīvas gan struktūras, gan mērķa ziņā. Faktiski gan mūsu automašīna, kuru mēs salikām 2011. gadā, gan šīs "sacīkšu automašīnas" tika izveidotas, lai nevis risinātu kādas praktiskas problēmas, bet gan, lai apmierinātu zinātkāri.
Gan mēs, gan mūsu kolēģi izstrādājam šādas ierīces ļoti vienkāršu problēmu risināšanai - mēs cenšamies izdomāt, kā likt molekulām kustēties vienā vai otrā virzienā, apstāties un izpildīt citas vienkāršas komandas. Šī ir interesanta, taču joprojām tīri akadēmiska problēma.
Nākamais solis ir daudz grūtāks un nopietnāks. Ir svarīgi saprast, vai ir iespējams iesaistīt viņus patiesi praktiskos uzdevumos: preču pārvadāšanā, salikšanā sarežģītākās struktūrās un reaģēšanā uz ārējiem stimuliem.
Piemēram, nanomašīnas var izmantot, lai izveidotu viedos logus, kas reaģē uz ielas apgaismojuma līmeni un var sevi labot; antibiotikas, kas darbojas tikai tad, ja parādās noteikts ķīmiskais vai gaismas signāls. Man šķiet, ka šādas lietas parādīsies daudz agrāk, nekā jūs domājat, - nākamajos desmit gados.
* Nanobolid * sacīkšu trasē no vara pamatnes.
Pilnvērtīgu nanorobotu izveidošana, kas spēj veikt operācijas ķermeņa iekšienē vai atrisināt sarežģītas problēmas, protams, prasīs vairāk laika. Bet es atkal esmu pārliecināts, ka arī mēs to varam izdarīt. Cilvēka ķermenī ir neskaitāmi šādi roboti, un nekas mums neliedz konstruēt to mākslīgās kopijas.
No otras puses, mēs, kā jau vairākkārt esmu teicis, tagad esam aptuveni tādā pašā attīstības pakāpē kā cilvēce brāļu Raitu dienās. Pirmkārt, mums jāizlemj, ko un kāpēc mēs izveidosim, un tikai pēc tam jādomā, kā to izdarīt.
Man šķiet, ka jums nevajadzētu prātīgi kopēt to, ko daba ir izgudrojusi. Dažreiz pilnīgi mākslīgas sistēmas, piemēram, lidmašīnas vai datoru mikroshēmas, ir daudz vieglāk izveidot nekā spārnu vai cilvēka smadzeņu analogus.
Citos gadījumos ir vieglāk uzņemt to, ko dzīvie organismi jau ir izveidojuši, piemēram, dažas antivielas, un tiem piestiprināt zāles vai nanomašīnas daļu. Līdzīgas pieejas jau tiek izmantotas medicīnā. Tāpēc nevar viennozīmīgi apgalvot, ka kāds no tiem būs daudzsološāks un pareizāks attiecībā uz visiem iespējamiem nanorobotu lietojumiem.
Pēdējos gados ir parādījušās divas nanomašīnu "klases" - samērā vienkāršas struktūras, kas saņem enerģiju no ārpuses, un sarežģītākas struktūras, motoru pilnvērtīgi analogi, kas spēj to patstāvīgi ražot. Kuras no tām ir tuvākas realitātei?
- Tiešām sāka parādīties ķīmiskie motori, kas nedaudz līdzinājās analogiem dzīvās šūnās. Nesen mūsu laboratorijā ir izveidotas vairākas līdzīgas ierīces.
Piemēram, mums izdevās salikt nanomašīnu, kas spēja izmantot glikozi un ūdeņraža peroksīdu kā degvielu un transportēt nanocaurules, nanodaļiņas un citas smagas struktūras jebkurā virzienā.
Grūti pateikt, cik daudzsološi viņi ir - viss ir atkarīgs no risināmajiem uzdevumiem. Ja mums jāorganizē dažu molekulu "transportēšana", tad tās tam ir ideāli piemērotas. Savukārt, lai izveidotu viedos logus vai citus sīkrīkus, jums jau ir jāmeklē cits materiāls.
Turklāt mēs joprojām nesaprotam, kas tieši mums pietrūkst, kādus klasisko mašīnu analogus var izveidot, izmantojot molekulas, un kur vispār pārvietosies visa mūsu sfēra. Patiesībā mēs to tikko esam sākuši attīstīt. Pagaidām ir skaidrs tikai viens - nanomašīnas atšķiras no biomašīnām mūsu šūnās un no “lielajām māsām” makrokosmā.
Ja mēs runājam par tālo nākotni, vai ir iespējams izmantot molekulārās mašīnas, kuras spēj sevi nokopēt, lai risinātu globālas problēmas, piemēram, lai iekarotu Marsu vai citas planētas?
- Man ir grūti runāt par citām pasaulēm, jo šis jautājums ir tālu ārpus manas kompetences. Neskatoties uz to, es domāju, ka, visticamāk, nanomašīnas šādiem mērķiem netiks izmantotas. Mēģinot apgūt kādu jaunu un ļoti skarbu vidi, mums ir vajadzīgas ļoti uzticamas tehnoloģijas, nevis kaut kas eksperimentāls.
Tāpēc man šķiet, ka šādas mašīnas vispirms atradīs pielietojumu uz Zemes. Mēs varam teikt, ka tas jau notiek: pēdējos gados ķīmiķi ir izveidojuši simtiem ļoti sarežģītu daudzu molekulu struktūru, tā saukto supramolekulāro struktūru, kas selektīvi var saistīties ar noteiktiem joniem un ignorēt visu pārējo.
Piemēram, mans kolēģis Francis Stoddart nesen nodibināja startup, kurā viņš izstrādā kompleksus, kas var iegūt zeltu no kalnrūpniecības atkritumiem un iežu izgāztuvēm. Agrāk šādu savienojumu radīšana būtu uzskatīta par alķīmiķu fantāziju.
Runājot par nanomašīnām, sabiedrības vidū visbiežāk rodas patiesas bailes, baidoties, ka nākotnes mikroskopiskie roboti iznīcinās civilizāciju un visu dzīvi uz Zemes. Vai ir iespējams kaut kā ar to cīnīties?
“Šīm problēmām ir daudz sakara ar Creation Machines: Nanotehnoloģiju atnākšanas laikiem, kuru uzrakstījis Ēriks Drekslers 1986. gadā. Tajā atspoguļotais cilvēces nāves scenārijs, kas saistīts ar "pelēko gļotu" pašizplatīšanu, šodien ir pazīstams gandrīz visiem.
Patiesībā šeit nav nekas neparasts - veidojot jaunus nanomašīnas, mēs ievērojam tos pašus piesardzības pasākumus, kā strādājot ar jaunām un potenciāli toksiskām ķīmiskām vielām.
Šajā ziņā nanorobotu komponenti neatšķiras pēc destruktīvā potenciāla no “celtniecības blokiem”, no kuriem tiek samontētas jaunu zāļu, polimēru, katalizatoru un citu “parasto” ķīmisko produktu molekulas.
Tāpat kā jebkurai citai narkotikai vai pārtikas produktam, arī šīm molekulārajām struktūrām būs jāiziet milzīgs skaits drošības pārbaužu, kas parādīs, vai tās var “sacelties” un iznīcināt cilvēci.
Faktiski šādās bailēs nav nekā pārsteidzoša - cilvēki ir pieraduši baidīties no kaut kā jauna un neparasta. Katru desmitgadi ir jauns “šausmu stāsts” no fizikas, ķīmijas vai bioloģijas pasaules, kas aizvieto lietas, pie kurām mēs jau esam pieraduši. Piemēram, tagad ir kļuvis moderni baidīties un kritizēt CRISPR / Cas9 genoma redaktoru un mākslīgo intelektu.
Kas būtu jādara zinātniekiem? Man šķiet, ka mūsu uzdevums ir vienkāršs: mums jāpalīdz sabiedrībai izdomāt, kas ir patiesība un kas ir fikcija. Ir svarīgi saprast šo jauno atklājumu praktiskos ieguvumus un to, kur atrodas to patiesās briesmas.
Piemēram, ja cilvēki saprot, ka CRISPR / Cas9 var viņus izārstēt no slimībām, kas saistītas ar ģenētiskiem defektiem, vai palielināt augu produktivitāti, viņiem būs mazāk iemeslu baidīties no šīs tehnoloģijas. Tas pats attiecas uz nākotnes nanomašīnām.