На протяжении долгого времени в научной фантастике говорилось о том, что в будущем для решения разных проблем будут использоваться крошечные роботы наниты. Наниты будут способны бороться с вирусными инфекциями, служить курьерами, доставляющими лекарства, помогать врачам проводить соответствующие операции и т. д. Некоторое время назад было объявлено о том, что прототип подобных нанитов уже был представлен шведскими учеными, но этот прототип был несовершенным, им невозможно было управлять.
Наноро́боты, или нанобо́ты - роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 100 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.
Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер.
Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью, можно считать нанороботами.
Кроме слова «наноробот» также используют выражения «нанит» и «наноген», однако, технически правильным термином в контексте серьёзных инженерных исследований все равно остается первый вариант.
Более интересную и работающую версию нанитов создали ученые из Калифорнийского университета. Результатом их исследований стали микроскопические роботы, способные доставлять лекарства внутри организма, не вызывая при этом болевых ощущений или побочных эффектов.
Созданные роботы перенесли на себе частицы лекарственных препаратов, используя в качестве топлива пузырьки газа. Газ, кстати, является продуктом жизнедеятельности живого существа, он образуется внутри желудка. В качестве первого испытателя выступила лабораторная мышь, при этом она не испытывала какие-либо неудобства и осталась цела.
Ученые говорят о том, что такой результат говорит о большом прогрессе в отрасли, ведь созданные ими роботы смогли двигаться в организме со скоростью 60 микрометров в секунду. Для того чтобы доставить лекарство до пункта назначения (а в этом эксперименте им нужно было добраться до оболочки желудка), пришлось затратить некоторое время, при этом роботы оставались в желудке примерно двенадцать часов, это позволило им точечно впрыснуть лекарство и добиться предельной эффективности его действия.
После того, как наниты побывали в теле мыши, было произведено вскрытие, которое показало, что роботы абсолютно безопасно прошли весь путь и не нанесли повреждения тканям. При этом уровень токсического заражения остался в пределах нормы. Это говорит о том, что ученые добились своей цели и получили роботов, которые будут использоваться в будущем для повышения эффективности от лечения.
Сейчас ученые думают над тем, как увеличить скорость передвижения, а также об альтернативном топливе, так как использование газа может негативно сказаться на состоянии человека.
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.
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».
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.
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.
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 7,5×4,5 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!
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 - колесо и axis - ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.
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.
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.
При должном исполнении нанороботы смогут лечить множество заболеваний и состояний человека. В то время как их размер означает, что они могут перенести лишь самую малую порцию медикаментов или оборудования, многие доктора и инженеры полагают, что точное применение этих инструментов будет более эффективным, нежели традиционных. К примеру, вводят мощный антибиотик пациенту через шприц, чтобы помочь его иммунной системе: антибиотик разбавляется кровотоком пациента, и в итоге только часть его достигает пункта назначения. Тем не менее наноботы или целая команда наноботов может добраться прямо до очага инфекции и доставить небольшую дозу лекарств. Пациент будет меньше страдать от побочных эффектов лекарств.
Несколько инженеров, ученых и врачей полагают, что возможные применения нанороботов практически не ограничены. Среди наиболее вероятных применений:
Лечение артериосклероза . Артериосклероз относится к состоянию, когда вдоль стенок артерий выстраиваются бляшки. Нанороботы могут помочь, срезая бляшки, которые затем будут увлекаться кровотоком.
Разрушение тромбов . Тромбы могут вызывать различные осложнения, от смерти мышцы до инсульта. Нанороботы могут отправиться к тромбу и разбить его. Это применение является наиболее рискованным для нанороботов - робот должен иметь возможность снять блокаду, не уронив ни малейшего кусочка в кровоток, который затем мог бы направить его в другую часть тела и причинить еще больше вреда. Робот должен быть при этом достаточно мал, чтобы не заблокировать сам кровоток.
Борьба с раком . Врачи надеются использовать нанороботов для лечения онкологических больных. Роботы могут либо атаковать непосредственно опухоли с помощью лазеров, микроволн или ультразвука, либо стать частью химиотерапии, обеспечив доставку лекарств непосредственно к месту рака. Врачи считают, что поставка небольших, но точных доз медикаментов пациенту сведет к минимуму побочные эффекты и потери лекарственной эффективности.
Помощь тромбоцитам . Один из конкретных видов нанороботов - это клоттоцит, или искусственный тромбоцит. Клоттоцит несет небольшую сетку, которая превращается в липкую мембрану при контакте с плазмой крови. По словам Роберта Фрейтаса, автора идеи клоттоцитов, искусственное свертывание может проходить до 1000 раз быстрее, чем работает природный механизм свертывания организма. Врачи могут использовать клоттоциты для лечения больных гемофилией или пациентов с серьезными открытыми ранами.
Подагра . Подагра - это состояние, при котором почки теряют способность удалять отходы расщепления жиров в кровотоке. Эти отходы иногда кристаллизуются в точках вблизи суставов вроде коленей и лодыжек. Люди, страдающие от подагры, испытывают интенсивную боль в этих суставах. Нанороботы могут разбить кристаллические структуры в суставах, обеспечивая облегчение от симптомов, хотя и не смогут полностью остановить процесс их формирования.
Разрушение камней в почках . Камни в почках могут быть очень болезненными - чем больше камень, тем сложнее ему выйти. Врачи разбивают большие камни в почках с помощью ультразвуковых частот, но не всегда эффективно. Нанороботы могут разбить камни в почках, используя небольшой лазер.
Очистка ран . Нанороботы могут помочь очистить рану от грязи, снизив вероятность заражения. Они будут особенно полезны в случае колотых ран, которые с трудом поддаются лечению с использованием более традиционных методов.
Как нанороботы будут перемещаться по кровеносной системе?
Навигация нанороботов
Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые, изучающие движение нанороботов по телу - навигация, питание и как нанороботы будут двигаться по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов, и у всякого есть положительные и отрицательные стороны. Большинство вариантов можно разделить на две категории: внешние системы и бортовые системы.
Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов - использование ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в нужное место назначения. Врачам пришлось бы отправлять ультразвуковые сигналы в тело пациента. Сигналы проходили бы через тело и отражались обратно к источнику сигналов. Нанороботы могут излучать импульсы ультразвуковых сигналов, которые врачи могли бы регистрировать, используя специальное оборудование с ультразвуковыми датчиками.
Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его, обнаруживая его . Врачи и инженеры из Политехнической школы Монреаля несколько лет назад показали, что могли бы обнаружить, отследить, управлять и даже передвигать наноробота с использованием МРТ. Они проверили свои выводы, маневрируя небольшим количеством малых магнитных частиц в артериях свиньи, используя специальное программное обеспечение на устройстве МРТ. Поскольку за рубежом во многих больницах есть МРТ, это может стать промышленным стандартом - больницам не придется инвестировать в дорогостоящие непроверенные технологии.
Врачи также могут отслеживать нанороботов путем введения радиоактивного красителя в кровоток пациента. Затем использовали бы флюороскоп или аналогичное устройство для обнаружения радиоактивного красителя по мере его движения в кровотоке. Сложные трехмерные изображения показали бы, где находятся нанороботы. В качестве альтернативы нанороботы сами могут распылять радиоактивную краску, оставляя след.
Другие методы обнаружения нанороботов включают использование рентгеновских лучей, радиоволн, микроволн или тепла. На данный момент наши технологии, использующие эти методы на наноразмерных объектах, ограничены, так что гораздо более вероятно, что будущие системы будут полагаться на другие методы.
Бортовые системы, или внутренние датчики, также могут сыграть большую роль в навигации. Нанороботы с химическими сенсорами могли бы обнаруживать и следовать по следам конкретных химических веществ для достижения правильного местоположения. Спектроскопический датчик позволил бы нанороботу забирать пробы и образцы окружающей ткани, анализировать их и идти дальше.
Как бы это странно не звучало, нанороботы могут быть оснащены миниатюрной телекамерой. Оператор мог бы управлять устройством во время просмотра живого видео, буквально вручную проводя корабль сквозь тело. Системы видеонаблюдения довольно сложны, поэтому понадобится по меньшей мере несколько лет, прежде чем нанотехнологи смогут создать надежную систему, которую можно будет поместить внутри крошечного робота.
Питание нанороботов
Так же, как о навигационных системах, нанотехнологи раздумывают о внешних и внутренних источниках питания. Некоторые проекты полагаются на нанороботов, использующих собственное тело пациента как способ выработки энергии. Другие проекты включают в себя небольшой источник энергии на борту самого робота. Наконец, некоторые проекты используют силы за пределами тела пациента для питания наноробота.
Нанороботы могут получать энергию непосредственно из кровотока. 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. Наноробот мог бы нести небольшой запас химических веществ, которые станут источником топлива в сочетании с кровью.
Наноробот может использовать тепло тела для выработки энергии, но должен быть градиент температур для управления этим процессом. Выработка энергии может быть результатом эффектом Зеебека. Эффект Зеебека возникает, когда два проводника из разных металлов соединены в двух точках, которые обладают разной температурой. Металлические проводники становятся термопарой, то есть создают напряжение, когда стыки находятся в разных температурах. Поскольку трудно рассчитать температурный градиент в теле, едва ли мы увидим нанороботов, использующих тепло тела для генерации энергии.
Поскольку есть возможность создания батарей, достаточно малых для размещения в нанороботах, они обычно не рассматриваются в качестве жизнеспособного источника питания. Проблема заключается в том, что батареи могут хранить относительно небольшое количество энергии, напрямую связанное с их размером и весом, и, таким образом, очень маленькая батарея обеспечит лишь малую часть необходимой нанороботу энергии. Более вероятным кандидатом является конденсатор, который имеет немного лучшее соотношение мощности к весу.
Инженеры работают над созданием небольших конденсаторов, которые смогут стать источником питания для нанороботов.
Еще один возможный источник питания нанороботов - ядерный источник энергии. Мысль о том, чтобы оснастить крошечного робота ядерной энергии может вызвать ужас у некоторых людей, но имейте в виду, что необходимое количество материала достаточно мало и, по мнению некоторых экспертов, его легко экранировать. Тем не менее общественное мнение по поводу ядерной энергии едва ли позволить сделать нанороботов на ее основе.
Внешние источники питания включают системы, когда нанороботы либо привязаны к внешнему миру, либо контролируются без физического поводка. Привязанная система потребует провода между наноботом и источником питания. Провод должен быть достаточно прочным, но также без проблем проходить сквозь тело человека, не нанося повреждений. Физический трос мог бы поставлять электроэнергию с помощь электричества или оптики. Оптические системы передают свет через оптоволокно, а он затем преобразуется в электричество на борту робота.
Внешние системы, которые не используют провода, могли бы полагаться на микроволны, ультразвуковые сигналы или магнитные поля. Микроволны наименее вероятны к использованию, поскольку могут повредить ткань пациента путем нагревания. Наноробот с пьезоэлектрической мембраной сможет подхватывать ультразвуковые сигналы и преобразовывать их в электричество. Системы, использующие магнитные поля, вроде тех врачей из Монреаля, о которых мы упоминали выше, могут также напрямую управлять нанороботом или индуцировать электрический ток в закрытой проводящей петле внутри робота.
Передвижение нанороботов
Если предположить, что нанороботы не будут привязаны или предназначены для пассивного течения через кровоток, им понадобится средство передвижения через тело. Поскольку им, возможно, придется плыть против течения крови, двигательная установка должна быть относительно мощная для своих размеров. Еще одним важным фактором является безопасность пациента - система должна быть в состоянии продвигать наноробота без ущерба хозяину.
Некоторые ученые наблюдают за микроорганизмами в поисках вдохновения. Парамеция может двигаться через среду, используя крошечные хвостики - реснички. Вибрируя ресничками, парамеция может плавать в любом направлении. Подобно ресничкам работают жгутики, более длинные хвостовые структуры. Организмы бьют жгутиками вокруг, чтобы двигаться в разных направлениях.
Израильские ученые создали микроробота, который всего несколько миллиметров в длину и использует маленькие придатки для захвата и ползания по кровеносным сосудам. Ученые манипулируют его конечностями, создавая магнитное поле за пределами тела пациента. Магнитное поле заставляет конечности робота вибрировать и толкать его по кровеносным сосудам. Ученые отмечают, что, поскольку вся энергия для наноробота берется из внешних источников, нет никакой необходимости оснащать механизм внутренним источником питания. Они надеются, что относительно простой дизайн позволит им сделать в скором времени еще более мелких роботов.
Другие устройства звучат еще более экзотически. Одно использует конденсаторы для генерации магнитных полей, которые бы протягивали проводящие жидкости из одного конца электромагнитного насоса и выстреливали бы их обратно. Наноробот двигался бы как реактивный самолет. Миниатюрные струйные насосы могут даже использовать плазму крови, чтобы подталкивать робота вперед, но, в отличие от электромагнитного насоса, в этих должны быть движущиеся части.
Другой потенциальный способ, которым могли бы передвигаться роботы - использование вибрирующей мембраны. Поочередно затягивая и ослабляя напряженность мембраны, нанороботы могли бы генерировать небольшую тягу. На наноуровне этой тяги может быть достаточно, чтобы стать основным источником движения.
Крошечные инструменты
Современные проверенные микророботы имеют всего несколько миллиметров в длину и около миллиметра в диаметре, но эти цифры уменьшаются ежегодно. По сравнению с наноуровнем, эти цифры просто огромны - нанометр представляет собой одну миллиардную долю метра, в то время как миллиметр - всего одну тысячную. Будущие нанороботы будут настолько малы, что вы сможете увидеть их только в микроскоп. Инструменты нанороботов должны быть еще меньше. Вот несколько вещей, которые вы можете обнаружить в инструментарии нанороботов:
Полость для медикаментов . Это пустая секция внутри наноробота, которая будет содержать небольшие дозы лекарств или химических веществ. Робот может высвобождать лекарства непосредственно в месте травмы или инфекции. Нанороботы также могут нести химические вещества, используемые в химиотерапии для лечения рака непосредственно на месте. Хотя количество лекарств будет относительно незначительным, применение их непосредственно к раковой ткани может быть более эффективным, чем традиционная терапия, которая опирается на систему кровообращения как способ перевозки химических веществ в теле пациента.
Зонды, ножи и стамески . Чтобы удалять блокады и бляшки, нанороботам нужно будет что-то, что сможет хватать и рушить. Также, возможно, понадобится устройство для разрушения тромбов на мелкие кусочки. Если часть тромба вырвется и попадет в кровоток, она может вызвать массу проблем.
Микроволновые излучатели и ультразвуковые генераторы . Чтобы уничтожать раковые клетки, врачам нужны методы, которые смогут убить клетку, не разрушив ее. Разорванная раковая клетка может выбросить химические вещества, которые спровоцируют дальнейшее распространение рака. Используя точные микроволны или ультразвуковые сигналы, наноробот может разрушить химические связи в раковой клетке, убив ее, не разрушая клеточные стенки. В качестве альтернативы робот может излучать микроволны или ультразвук для нагревания клетки, которого будет достаточно для ее уничтожения.
Электроды . Два электрода, выступающих из наноробота, смогут убить раковые клетки, генерируя электрический ток и нагревая клетку, пока она не умрет.
Лазеры . Крошечные мощные лазеры могут выжечь дотла вредные материалы вроде артериальных бляшек, раковых клеток или тромбов в крови. Лазеры буквально испарят это все.
Две самые большие проблемы, которые беспокоят ученых, - это как повысить эффективность этих миниатюрных инструментов и сделать их безопасными. Например, создать небольшой лазер, который будет достаточно мощным для испарения клеток, достаточно сложная задача, но сделать его безопасным для окружающей среды - еще сложнее. В то время как многие научные группы разработали нанороботов достаточно мелких, чтобы они могли попасть в кровеносную систему, это только первые шаги к созданию реально применяемых нанороботов.
Нанороботы: сегодня и завтра
Команды по всему миру работают над созданием первого практичного медицинского наноробота. Роботы от миллиметра в диаметре до относительно громоздких, в два сантиметра длиной, уже существуют, хотя и не испытываются на людях. Возможно, мы всего в нескольких годах от выхода нанороботов на медицинский рынок. Сегодняшние микророботы остаются прототипами, которым не хватает способностей выполнять медицинские задачи.
В будущем нанороботы могут совершить революцию в медицине. Врачи смогут лечить все, от сердечно-сосудистых заболеваний до рака, при помощи крошечных роботов, по размерам сопоставимых с бактериями, намного меньших, чем нынешние нанороботы. Некоторые считают, что полуавтономные нанороботы уже вот-вот будут доступны - доктора смогут имплантировать роботов, способных патрулировать человеческое тело и реагировать на любые проблемы. В отличие от экстренного лечения, эти роботы будут оставаться в теле пациента навсегда.
Другое потенциальное применение нанороботов в будущем - укрепление нашего тела, повышение иммунитета, . Сможем ли мы в один прекрасный день обнаружить тысячи микроскопических роботов, плывущих по нашим венам и вносящим коррекции и изменения в наши разрушенные тела? С нанотехнологиями, похоже, все будет возможно.
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.