Amerykański chemik Chad Mirkin, który w tym roku otrzymał nagrodę RUSNANOPRIZE, powiedział RIA Novosti o tym, jak jego nanocząsteczki otworzą erę medycyny genetycznej, wygładzą zmarszczki na twarzach kobiet i wyleczy nas z raka, a także podzielił się swoimi przemyśleniami na temat tego, jak kiedy nanomaszyny mogą zniszczyć świat.
Chad Mirkin jest jednym z czołowych amerykańskich chemików zaangażowanych w opracowywanie nanocząstek składających się z kulistych cząsteczek DNA i kombinacji DNA lub RNA z metalami i inną materią nieorganiczną. Oprócz nanotechnologii „organicznej” Mirkin aktywnie pracuje nad rozwojem technologii „drukowania” nanostruktur, które można wykorzystać do produkcji elektroniki i urządzeń optycznych.
Mirkin był uważany za jednego z głównych pretendentów do Nagrody Nobla w dziedzinie chemii 2013, aw przeszłości był również nominowany do nagrody RUSNANOPRIZE, przyznawanej przez Rusnano od 2009 roku za osiągnięcia naukowe i technologiczne lub wynalazki w dziedzinie nanotechnologii, które zostały już wprowadzone do masowej produkcji.
Czadzie, genetycy często spotykają się z ostrym odrzuceniem społecznym podczas opracowywania GMO lub terapii genowej, ale nanotechnologia w ogóle i nanocząsteczki oparte na sferycznych cząsteczkach DNA, które opracowaliście, nie mają tego problemu. Dlaczego tak się dzieje?
- W tym przypadku, moim zdaniem, istnieje zasadnicza różnica między powstawaniem nanocząstek a rozwojem produktów modyfikowanych genetycznie. Badanie właściwości i powstawanie nanocząstek należy przede wszystkim do szeregu badań chemicznych; można je nazwać wynikami poszukiwań nowych i użytecznych właściwości w niektórych strukturach nieistniejących w przyrodzie lub będących wynikiem miniaturyzacji, przy zastosowaniu różnorodnych metod ich tworzenia.
Na przykład wszystkie materiały zmieniają swoje właściwości po miniaturyzacji. W szczególności złoto traci swój złoty kolor i zmienia kolor na czerwony w nanoskali. Właśnie dlatego nanotechnologia jest dla nas tak interesująca. Wszystkie te różnice, które pojawiają się podczas przejścia do nanoskali, można wykorzystać do opracowania nowych, wcześniej niewidzianych technologii.
Z drugiej strony edycja DNA została wdrożona na całym świecie, przy użyciu określonych procesów biochemicznych, których konsekwencje są bardzo jasno określone i które na zawsze zmieniają sposób działania organizmów żywych. Stwarza to dylematy etyczne i przyciąga uwagę regulatorów i osób zaniepokojonych długofalowymi konsekwencjami takich doświadczeń.
Oczywiście są ludzie, którzy boją się dalszego rozwoju nanotechnologii, ale z powyższych powodów niezwykle trudno jest im (i nieuczciwie dla nas) doprowadzić wszystkie nanocząstki do tych samych rozmiarów i wyciągnąć jednoznaczne „wnioski”, że absolutnie wszystkie nanotechnologie są z definicji złe. Jeśli się nad tym zastanowić, to samo pojęcie „nanotechnologii” może obejmować prawie wszystko, co nauka stworzyła w ostatnich latach. Co więcej, jeśli tylko spojrzysz na „zwykłą” chemię, to działa ona z cząsteczkami, których wymiary są mniejsze niż te struktury, które nazywamy nanomateriałami.
Film promocyjny:
Na przykład to, co stworzyliśmy, ściśle mówiąc, nie są nanocząstkami, ale, jak lubię je nazywać, „sferycznymi kwasami nukleinowymi”, nowym rodzajem nanostruktur, które tworzymy, nakładając krótkie cząsteczki DNA i RNA na szablony o określonym kształcie i konstrukcji … Nie mają naturalnych odpowiedników, ale jednocześnie oddziałują z żywą materią i komórkami w niezwykle nietypowy i, co ważne, użyteczny sposób. Można powiedzieć, że są triumfalnym połączeniem chemii, biologii i nanotechnologii.
Takie nanocząsteczki można wykorzystać do rozwiązania wielu problemów - można je wykorzystać do dostarczania leków do komórek, leczenia raka i naprawy jego komórek, diagnozowania chorób i nie tylko. Oczywiście możesz je przystosować do krzywdy, ale to nie jest to, co robimy na Northwestern University.
Już w przeszłości byłeś wymieniany jako jeden z kandydatów do Nagrody Nobla, aw tym roku została ona przyznana za jedno z kluczowych odkryć w dziedzinie nanotechnologii. Czy nie sądzisz, że zostałeś niezasłużenie zapomniany?
- Tak naprawdę w tym roku nagrodę przyznano za odkrycie, które nie ma nic wspólnego z naszymi badaniami - odebrał ją między innymi jeden z moich kolegów z uczelni, Fraser Stoddart. Feringa, Savage i Stoddart pracowali nad stworzeniem maszyn molekularnych - niezwykle prymitywnych miniaturowych analogów mechanicznych wirników i przełączników, zdolnych do wykonywania tych samych zadań, co konwencjonalne maszyny, ale w nanoskali.
Można powiedzieć, że „Nagroda Nobla” trafiła do nanotechnologii, ale trzeba zrozumieć, że ta dziedzina nauki jest bardzo szeroka i obejmuje bardzo szeroki wachlarz problemów, od ochrony środowiska, przez medycynę, po energetykę i elektronikę. W tym przypadku te nanotechnologie są bardzo dalekie od tego, co robimy.
Jeśli mówimy o Nagrodzie Nobla, to nie mogę nic powiedzieć - nie jest moim prerogatywą decydowanie, kto powinien ją otrzymać, niech to zrobią eksperci Komitetu Nobla.
Jeden z tegorocznych zdobywców nagród, Ben Feringa, uważa, że nanomaszyny nigdy nie zagrażają ludzkości. Jaka jest Twoja opinia na ten temat, o której ludzie myślą w pierwszej kolejności, myśląc o niebezpieczeństwach nanotechnologii?
- Ponownie, jeśli zwrócisz uwagę na to, jaką nagrodę Nobla przyznano w tym roku, widać, że została ona przyznana za bardzo fundamentalne odkrycie. Myślę, że jesteśmy teraz na bardzo wczesnym etapie ewolucji chemicznej nanotechnologii, co jest bardzo dalekie od możliwości maszyn opisanych w słynnym scenariuszu „szarej mazi”.
W rzeczywistości sam pomysł, że maszyny mogą wymknąć się spod kontroli i zbuntować, jest czystą fantastyką naukową, która nie ma nic wspólnego z nauką. Myślę, że jeszcze długo pozostanie w ramach fikcji. To, z czym dzisiaj pracujemy i nad czym pracujemy, wcale nie jest podobne do tego, co jest potrzebne przy takim scenariuszu „końca świata”.
Maszyny stworzone przez Feringę i współpracowników są bardzo schematyczne i wcale nie przypominają „nanoterminatorów”, których używają pisarze science fiction, aby nas straszyć. Mamy jeszcze co najmniej dziesięciolecia, jeśli nie stulecia, zanim taki scenariusz stanie się przedmiotem poważnej dyskusji.
W jakich obszarach nanotechnologii spodziewasz się najbardziej znaczących przełomów w najbliższej przyszłości?
„Nasze nanosferyczne kwasy nukleinowe będą i są już wykorzystywane do różnych celów i w wielu różnych dziedzinach nauki, medycyny i przemysłu. Są już wykorzystywane w diagnostyce w medycynie - na przykład stworzyliśmy nanocząsteczki ze złotymi jądrami, pokryte „futrem” DNA, które służą jako znaczniki do ultraprecyzyjnego wyszukiwania określonych segmentów DNA, białek i innych biomolekuł związanych z chorobami i różnymi bio - „cele”.
Cząsteczki te można wykorzystać do szybkiej analizy próbek śliny, krwi czy moczu i poszukiwania w nich różnych wirusów, bakterii, a nawet chorób uwarunkowanych genetycznie. Wszystko to, podkreślam, jest już wykorzystywane w praktyce.
W przyszłości czeka nas więcej - tworzymy puste w środku nanocząsteczki DNA wypełnione lekiem lub inną substancją, która może penetrować komórki, czego nie potrafią zwykłe cząsteczki DNA i RNA. Takie nanocząsteczki można na przykład dodawać do kremu do skóry i stosować w leczeniu ponad 200 chorób skóry związanych z rozpadem DNA. Podobnie możemy walczyć z zapaleniem okrężnicy, chorobami oczu, pęcherza czy płuc. Nadchodzi era medycyny genetycznej.
Warto tutaj zrozumieć, że do odniesienia sukcesu w tej dziedzinie potrzebne są trzy rzeczy. Po pierwsze, musisz umieć wytwarzać cząsteczki RNA i DNA, a od 30 lat dobrze wykonujemy to zadanie. Po drugie, musisz zrozumieć, dlaczego mutacje w niektórych genach powodują choroby. Ten problem został rozwiązany na początku XXI wieku, kiedy zakończono dekodowanie ludzkiego genomu.
Jednak do niedawna brakowało trzeciej rzeczy - możliwości wprowadzenia DNA i RNA do tych tkanek i narządów, do których powinny się dostać. Okazało się, że nanocząsteczki to najwygodniejszy i najbardziej niezawodny sposób na rozwiązanie tego problemu. Nasze kuliste kwasy nukleinowe były w stanie penetrować komórki tak łatwo, jak żaden inny retrowirus.
Teraz mamy możliwość celowego wstrzyknięcia DNA do narządów, które nas interesują, a nie tylko do wątroby, jak wcześniej, a to otworzyło przed nami niewyobrażalne wcześniej perspektywy terapii genowej. Nie potrzebujemy nawet selektywności leku, ponieważ możemy bezpośrednio wstrzyknąć DNA tam, gdzie go potrzebujemy, a nie przejść przez całe ciało.
Jednym z twoich najbardziej znanych odkryć jest tworzenie kryształów z DNA. Czy znalazłeś jakieś przemysłowe zastosowanie takich konstrukcji, czy jest to jak dotąd fundamentalne odkrycie?
- Kryształy z DNA to jedna z najciekawszych rzeczy, jakie udało nam się stworzyć. Gdyby była „Nagroda Nobla” w dziedzinie nanotechnologii, to metodologia ich produkcji byłaby moim zdaniem najbardziej godna.
Zainteresowaliśmy się tymi kryształami już w 1996 roku z powodów odległych od medycyny i biologii. Przetestowaliśmy koncepcję, która była wówczas nowa, stwierdzając, że nanocząstki można uznać za rodzaj sztucznych atomów, a DNA w tym przypadku działało jako rodzaj programowalnych cząstek „subatomowych”, na podstawie których określono nanocząstki, „atomy”, których właściwości chemiczne zostały określone byłyby cząsteczki DNA na ich powierzchni.
Elastyczność właściwości takich nanocząstek umożliwiła nam dosłowne projektowanie kryształów o określonej strukturze, składanie ich atomowo z dokładnością subnanometryczną, w tym tworzenie takich sieci krystalicznych, których analogi nie istnieją w przyrodzie. Przez lata stworzyliśmy 500 różnych wersji tych krat, z których sześć jest całkowicie sztucznych. To toruje drogę do całkowitej kontroli nad właściwościami materiałów i nieskończonej różnorodności sztucznych materiałów krystalicznych.
Z punktu widzenia ich praktycznego zastosowania nadal tylko zmierzamy w tym kierunku. Pierwsze katalizatory i urządzenia optyczne oparte na tych kryształach pojawią się moim zdaniem za około 10 lat. Co ważne i podobnie jak w przypadku nowoczesnej elektroniki, której stworzenie nie było możliwe bez możliwości wytwarzania monokryształów krzemu, tak i tworzenie kryształów DNA otwiera drogę dla nowej klasy technologii.
Kiedy mówiłeś o tworzeniu nanosfer z cząsteczek DNA, powiedziałeś, że można je wykorzystać do różnych celów, w tym do wygładzania zmarszczek. Czy tym rozwojem interesowały się firmy kosmetyczne?
- Tak, wiele firm już wykazało zainteresowanie tym zastosowaniem sferycznych cząsteczek DNA. Z punktu widzenia kosmetologii potencjał nanocząsteczek jest niemal nieograniczony - za ich pomocą możemy uelastycznić skórę, usunąć przebarwienia, oczyścić komórki z cząsteczek pigmentu i sprawić, że skóra przestanie je wytwarzać, a także rozwiązać wiele innych problemów.
Ale jest tu duży problem - nie jest jasne, w jaki sposób bezpieczeństwo takich produktów będzie oceniane i regulowane przez właściwe organy, ponieważ mogą one jednocześnie rozwiązywać problemy farmaceutyczne i kosmetyczne. Kto będzie odpowiedzialny za ich weryfikację i jak to się stanie, nie jest jeszcze jasne.
Dodatkowo, z punktu widzenia rozwoju biznesu i po prostu z powszechnego ludzkiego punktu widzenia, rozwój kosmetyków opartych na nanocząsteczkach z DNA jest zadaniem drugorzędnym w porównaniu z tworzeniem szczepionek przeciwko rakowi i chorobom genetycznym, których chcą się pozbyć setki tysięcy i miliony ludzi.
W ostatnich latach naukowcy napisali setki, może tysiące artykułów poświęconych kolejnym „materiałom przyszłości” - na przykład plazmonom czy origami DNA. Z biegiem czasu podniecenie opadło, ale nie widzieliśmy jeszcze żadnych widocznych rezultatów. Dlaczego tak się dzieje?
- Właściwie nie powiedziałbym, że wszystkie te technologie wyparowały lub zniknęły - badania trwają, przynajmniej w dziedzinie plazmoniki pojawiają się od czasu do czasu publikacje na temat origami, chociaż wydaje się, że nie ma tu żadnych perspektyw technologicznych. W krótkim okresie oba te materiały wydają się być tylko przedmiotem badań podstawowych.
Warto tutaj przypomnieć historię wynalezienia lasera. Kiedy fizycy stworzyli pierwsze lasery, ktoś powiedział, że „jest to interesujące odkrycie, które wciąż czeka na praktyczne zastosowanie”. Dziś lasery można znaleźć wszędzie - lasery są w każdym supermarkecie, służą do zszywania i cięcia tkanek podczas operacji, znajdują się w każdym systemie komputerowym i komunikacyjnym.
Innymi słowy, często po fundamentalnym odkryciu nie minęły nawet tygodnie czy miesiące, ale mijają dziesięciolecia, zanim znajdzie swoje praktyczne i komercyjne zastosowanie.