Naukowcy od dawna tworzą i testują różne nanomaszyny w laboratoriach. W rzeczywistości są to konstrukcje molekularne, których zadaniem jest spełnienie jakiejś użytecznej funkcji: na przykład dostarczenie leków do chorego narządu, zidentyfikowanie patogenu lub naprawienie czegoś. Kiedy pojawią się pierwsze „użyteczne” nanoroboty, czy pomogą skolonizować Marsa i inne planety?
Na te pytania odpowiada Ben Feringa, profesor z Uniwersytetu w Groningen w Holandii. W 2016 roku wraz z Francuzem Jeanem-Pierrem Sauvage'em i Szkotem Fraserem zdobył Nagrodę Nobla za projektowanie i tworzenie maszyn molekularnych. „Wasze nanomaszyny są zbudowane z bardzo powszechnych pierwiastków, takich jak węgiel, azot czy siarka. Czy możemy spodziewać się w nich bardziej egzotycznych składników - na przykład metali ziem rzadkich lub substancji radioaktywnych?- Na to pytanie bardzo trudno odpowiedzieć z jednego prostego powodu: nadal nie wiemy, co takie konstrukty molekularne mogą, a czego nie mogą. Jednocześnie, pomimo dużych różnic w budowie naszych nanomotorów, wirników i innych elementów, wszyscy - moja grupa, Stoddart, Sauvage i wielu innych współpracowników - nadal pracujemy wyłącznie z cząsteczkami organicznymi. Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, aby wyobrazić sobie, że coś takiego można stworzyć wyłącznie ze związków nieorganicznych. Na przykład, aby skonstruować złożone połączenie i sprawić, by, podobnie jak nasze silniki molekularne, obracało się wokół własnej osi. Jednak nikt jeszcze nie zmontował takich nanosilników.
Powód jest prosty. Dzięki rozwojowi farmaceutyków i chemii polimerów nauczyliśmy się bardzo szybko i dobrze syntetyzować złożone związki złożone z łańcuchów węglowodorowych. Jestem pewien, że to samo można zrobić ze związkami nieorganicznymi, ale aby to zrobić, najpierw musimy zrozumieć, jak złożyć takie cząsteczki.
Jeśli chodzi o izotopy radioaktywne, nie sądzę, aby kiedykolwiek stały się częścią nanomaszyn. Ich niezwykłe właściwości i niestabilność prawdopodobnie sprawiają, że nie nadają się do funkcjonowania jako część stabilnych układów molekularnych, które wykorzystują światło lub elektryczność jako źródło energii.
Pod tym względem bardziej interesują nas biologiczne motory molekularne, których setki odmian są obecne w organizmie człowieka. Wszystkie są maszynami białkowymi, z których wiele zawiera atomy metali.
Najczęściej odgrywają kluczową rolę w reakcjach, które powodują ruch tych biomaszy. Dlatego wydaje mi się, że połączenie kompleksów metali i otaczających je związków organicznych wygląda najbardziej obiecująco.
W tym roku obchodzimy 150-lecie układu okresowego pierwiastków. Czy mógłbyś wyjaśnić, w jaki sposób to półtora wieku osiągnięcie pomaga ci dzisiaj dokonywać odkryć?
- Układ okresowy i związane z nim regularności właściwie zawsze pomagają nam ocenić, jak zachowują się różne typy sąsiadujących w nim atomów i przewidzieć właściwości niektórych związków.
Na przykład niektóre typy naszych silników mają wbudowane atomy tlenu. Dzięki tabeli rozumiemy, że siarka będzie do niej podobna w swoich właściwościach, ale jednocześnie ma nieco większy rozmiar. Pozwala nam to elastycznie kontrolować zachowanie takich maszyn molekularnych, wymieniając tlen na siarkę i odwrotnie.
Film promocyjny:
To oczywiście nie kończy się na naszych możliwościach przewidywania. Niedawno odkryto wiele innych praw, które pozwalają przewidzieć niektóre cechy nanomaszyn.
Z drugiej strony wątpię, abyśmy mogli stworzyć coś w rodzaju układu okresowego dla takich nanostruktur. Tutaj, jeśli jest to w zasadzie możliwe, nie mamy wystarczającej wiedzy.
Możemy więc z grubsza przewidzieć, jak zachowają się silniki molekularne o różnych rozmiarach i podobnej strukturze, ale nie możemy tego zrobić dla radykalnie różnych systemów ani zaprojektować czegoś od podstaw bez przeprowadzania eksperymentów.
Niedawno powiedziałeś, że pierwsze pełnoprawne nanoroboty pojawią się za około pięćdziesiąt lat. Z drugiej strony zaledwie półtora roku temu pierwszy „wyścig” takich nanomaszyn odbył się we Francji. Jak daleko jesteśmy od pojawienia się autonomicznych nanourządzeń?
- Należy zrozumieć, że wszystkie istniejące dziś maszyny molekularne są bardzo prymitywne zarówno pod względem struktury, jak i przeznaczenia. Tak naprawdę zarówno nasz samochód, który złożyliśmy w 2011 roku, jak i te „auta wyścigowe” nie powstały po to, aby rozwiązywać jakiekolwiek problemy praktyczne, ale by zaspokoić ciekawość.
Zarówno my, jak i nasi koledzy opracowujemy takie urządzenia, aby rozwiązywać bardzo proste problemy - próbujemy wymyślić, jak sprawić, by cząsteczki poruszały się w tym lub innym kierunku, zatrzymać i wykonać inne proste polecenia. To ciekawy, ale wciąż czysto akademicki problem.
Następny krok jest znacznie trudniejszy i poważniejszy. Ważne jest, aby zrozumieć, czy można ich zaangażować w naprawdę praktyczne zadania: transport towarów, montaż w bardziej złożonych strukturach i reagowanie na bodźce zewnętrzne.
Na przykład nanomaszyny można wykorzystać do tworzenia inteligentnych okien, które reagują na poziom oświetlenia ulicznego i mogą same się naprawiać; antybiotyki, które działają tylko wtedy, gdy pojawia się określony sygnał chemiczny lub świetlny. Wydaje mi się, że takie rzeczy pojawią się znacznie wcześniej, niż myślisz - w ciągu najbliższych dziesięciu lat.
* Nanobolid * na torze wyścigowym z miedzianego podłoża.
Stworzenie pełnoprawnych nanorobotów zdolnych do wykonywania operacji wewnątrz ciała lub rozwiązywania złożonych problemów zajmie oczywiście więcej czasu. Ale ja znowu jestem pewien, że my też możemy to zrobić. W ludzkim ciele takich robotów jest niezliczona ilość i nic nie stoi na przeszkodzie, abyśmy stworzyli ich sztuczne kopie.
Z drugiej strony, jak mówiłem niejednokrotnie, jesteśmy teraz na mniej więcej tym samym poziomie rozwoju, co ludzkość w czasach braci Wright. Najpierw musimy zdecydować, co i dlaczego będziemy tworzyć, a następnie zastanowić się, jak to zrobić.
Wydaje mi się, że nie należy bezmyślnie kopiować tego, co wymyśliła natura. Czasami całkowicie sztuczne systemy, takie jak samoloty lub chipy komputerowe, są znacznie łatwiejsze do stworzenia niż analogi skrzydła lub ludzkiego mózgu.
W innych przypadkach łatwiej jest wziąć to, co już wytworzyły żywe organizmy, na przykład niektóre przeciwciała, i dołączyć do nich lekarstwo lub część nanomaszyny. Podobne podejścia są już stosowane w medycynie. Dlatego nie można jednoznacznie stwierdzić, że którykolwiek z nich będzie bardziej obiecujący i poprawny we wszystkich możliwych zastosowaniach nanorobotów.
W ostatnich latach pojawiły się dwie „klasy” nanomaszyn - stosunkowo proste struktury odbierające energię z zewnątrz oraz bardziej złożone konstrukcje, pełnoprawne odpowiedniki silników, zdolne do jej samodzielnej produkcji. Które są bliższe rzeczywistości?
- Silniki chemiczne, nieco podobne do analogów w żywych komórkach, naprawdę zaczęły się pojawiać. Niedawno stworzyliśmy w naszym laboratorium kilka podobnych urządzeń.
Na przykład udało nam się zmontować nanomaszynę zdolną do wykorzystywania glukozy i nadtlenku wodoru jako paliwa oraz transportu nanorurek, nanocząstek i innych ciężkich struktur w dowolnym kierunku.
Trudno powiedzieć, jakie są obiecujące - wszystko zależy od zadań do rozwiązania. Jeśli musimy zorganizować „transport” niektórych cząsteczek, to są do tego idealne. Z kolei do tworzenia inteligentnych okien czy innych gadżetów trzeba już poszukać innego materiału.
Ponadto nadal nie rozumiemy, czego dokładnie nam brakuje, jakie analogi klasycznych maszyn można stworzyć za pomocą cząsteczek i gdzie w ogóle będzie się poruszać cała nasza kula. Właściwie dopiero zaczęliśmy go rozwijać. Jak dotąd jedno jest jasne - nanomaszyny różnią się od biomaszyn w naszych komórkach i ich „wielkich sióstr” w makrokosmosie.
Jeśli mówimy o odległej przyszłości, czy możliwe jest użycie maszyn molekularnych zdolnych do kopiowania się do rozwiązywania globalnych problemów, na przykład do podboju Marsa lub innych planet?
- Trudno mi mówić o innych światach, bo ta kwestia wykracza daleko poza moje kompetencje. Niemniej jednak myślę, że nanomaszyny raczej nie będą wykorzystywane do takich celów. Kiedy próbujemy opanować nowe i bardzo surowe środowisko, potrzebujemy bardzo niezawodnej technologii, a nie czegoś eksperymentalnego.
Dlatego wydaje mi się, że takie maszyny najpierw znajdą zastosowanie na Ziemi. Można powiedzieć, że to już się dzieje: w ostatnich latach chemicy stworzyli setki bardzo złożonych struktur wielu cząsteczek, tak zwanych struktur supramolekularnych, które mogą selektywnie wiązać się z określonymi jonami i ignorować wszystko inne.
Na przykład mój kolega Francis Stoddart niedawno założył startup, w którym rozwija kompleksy wydobywające złoto z odpadów górniczych i wysypisk śmieci. W przeszłości tworzenie takich związków uważano by za fantazję alchemików.
Mówienie o nanomaszynach najczęściej budzi prawdziwy strach wśród opinii publicznej, obawiając się, że przyszłe mikroskopijne roboty zniszczą cywilizację i całe życie na Ziemi. Czy można jakoś z tym walczyć?
„Te problemy mają wiele wspólnego z Creation Machines: The Coming Era of Nanotechnology, napisanym przez Erica Drexlera w 1986 roku. Przedstawiony w nim scenariusz śmierci ludzkości w wyniku samoroznoszenia "szarego śluzu" jest dziś znany niemal każdemu.
W rzeczywistości nie ma w tym nic niezwykłego - tworząc nowe nanomaszyny, zachowujemy takie same środki ostrożności, jak przy pracy z nowymi i potencjalnie toksycznymi chemikaliami.
Pod tym względem składniki nanorobotów nie różnią się pod względem niszczącego potencjału od „cegiełek”, z których składają się cząsteczki nowych leków, polimerów, katalizatorów i innych „zwykłych” produktów chemicznych.
Jak każdy inny lek lub produkt spożywczy, te struktury molekularne będą musiały przejść ogromną liczbę testów bezpieczeństwa, które pokażą, czy mogą „zbuntować się” i zniszczyć ludzkość.
W rzeczywistości nie ma w tych obawach nic dziwnego - ludzie są przyzwyczajeni do tego, że boją się czegoś nowego i niezwykłego. Co dekadę pojawia się nowy „horror” ze świata fizyki, chemii czy biologii, który zastępuje rzeczy, do których jesteśmy już przyzwyczajeni. Teraz na przykład modne stało się strachanie i krytykowanie edytora genomicznego CRISPR / Cas9 i sztucznej inteligencji.
Co powinni zrobić naukowcy? Wydaje mi się, że nasze zadanie jest proste: musimy pomóc opinii publicznej zrozumieć, co jest prawdą, a co fikcją. Ważne jest, aby zrozumieć praktyczne korzyści płynące z tych nowych odkryć i gdzie leży ich prawdziwe niebezpieczeństwo.
Na przykład, jeśli ludzie zrozumieją, że CRISPR / Cas9 może wyleczyć ich z chorób związanych z defektami genetycznymi lub zwiększyć produktywność roślin, będą mieli mniej powodów, aby obawiać się tej technologii. To samo dotyczy nanomaszyn przyszłości.
