Vedci dlhodobo vytvárajú a testujú rôzne nanomechanické zariadenia v laboratóriách. V skutočnosti ide o molekulárne konštrukty, ktorých úlohou je vykonávať všetky užitočné funkcie: napríklad dodávať lieky chorému orgánu, identifikovať patogén alebo niečo opraviť. Keď sa objavia prvé „užitočné“nanoroboty, pomôžu kolonizovať Mars a ďalšie planéty?
Na tieto otázky odpovedá Ben Feringa, profesor na univerzite v Groningene v Holandsku. V roku 2016 získal spolu s Francúzom Jean-Pierrom Sauvageom a Scotsmanom Fraserom Nobelovu cenu za dizajn a výrobu molekulárnych strojov. „Vaše nanomachíny sú vyrobené z veľmi bežných prvkov, ako je uhlík, dusík alebo síra. Môžeme v nich očakávať viac exotických zložiek - napríklad kovy vzácnych zemín alebo rádioaktívne látky?- Na túto otázku je veľmi ťažké odpovedať z jedného jednoduchého dôvodu: stále nevieme, čo také molekulárne konštrukty môžu a nemôžu robiť. Zároveň, napriek veľkým rozdielom v štruktúre našich nanomotorov, rotorov a ďalších prvkov, všetci - moja skupina, Stoddart, Sauvage a mnoho ďalších kolegov - stále pracujeme výlučne s organickými molekulami. Nič nám samozrejme nebráni v tom, aby sme si predstavovali, že niečo také sa dá vytvoriť pomocou výlučne anorganických zlúčenín. Napríklad, skonštruovať komplexné spojenie a urobiť ho, rovnako ako naše molekulárne motory, otáčať sa okolo svojej vlastnej osi. Nikto však zatiaľ takéto nanomotory nezostavil.
Dôvod je jednoduchý. Vďaka vývoju farmaceutík a chémie polymérov sme sa naučili veľmi rýchlo a dobre syntetizovať komplexné zlúčeniny pozostávajúce z uhľovodíkových reťazcov. Som si istý, že to isté sa dá urobiť aj s anorganickými zlúčeninami, ale ak to chceme urobiť, musíme najprv pochopiť, ako zostaviť takéto molekuly.
Pokiaľ ide o rádioaktívne izotopy, nemyslím si, že sa niekedy stanú súčasťou nanomachinov. Ich nezvyčajné vlastnosti a nestabilita ich pravdepodobne robia nevhodnými pre prácu ako súčasť stabilných molekulárnych systémov, ktoré ako zdroj energie využívajú svetlo alebo elektrinu.
Z tohto hľadiska nás viac zaujímajú biologické molekulárne motory, ktorých stovky druhov sú prítomné v ľudskom tele. Sú to všetky proteínové stroje, z ktorých mnohé obsahujú atómy kovov.
Najčastejšie zohrávajú kľúčovú úlohu pri reakciách, ktoré spôsobujú pohyb týchto biomachínov. Preto sa mi zdá, že kombinácia kovových komplexov a organických zlúčenín, ktoré ich obklopujú, je najsľubnejšia.
Tento rok oslavujeme 150. výročie periodickej tabuľky. Mohli by ste nám vysvetliť, ako vám tento úspech storočia a pol pomôže dosiahnuť objavy dnes?
- Periodická tabuľka a zákony, ktoré sú s ňou spojené, v skutočnosti vždy pomáhajú posúdiť, ako sa správajú rôzne typy atómov susediacich s ňou, a predpovedať vlastnosti niektorých zlúčenín.
Napríklad niektoré typy našich motorov majú zabudované atómy kyslíka. Vďaka tabuľke vieme, že síra sa bude vo svojich vlastnostiach podobať síre, ale zároveň bude mať o niečo väčšiu veľkosť. To nám umožňuje flexibilne kontrolovať správanie takýchto molekulárnych strojov, výmenu kyslíka za síru a naopak.
Propagačné video:
To, samozrejme, nekončí našimi schopnosťami predpovedania. Nedávno bolo objavených mnoho ďalších zákonov, ktoré umožňujú predpovedať niektoré z charakteristík nanomechanických strojov.
Na druhej strane pochybujem, že pre takéto nanoštruktúry môžeme vytvoriť niečo ako periodickú tabuľku. Ak to v zásade nie je možné, nemáme dostatok vedomostí.
Môžeme teda zhruba predpovedať, ako sa budú chovať molekulárne motory rôznych veľkostí, ktoré majú podobnú štruktúru, ale nemôžeme to urobiť pre radikálne odlišné systémy alebo navrhnúť niečo od nuly bez vykonávania experimentov.
Nedávno ste povedali, že prvé plnohodnotné nanoroboty sa objavia o päťdesiat rokov. Na druhej strane, len pred rokom a pol sa vo Francúzsku uskutočnila prvá „rasa“takýchto nanomachinov. Ako ďaleko sme od vzniku autonómnych nanodariadení?
- Malo by sa chápať, že všetky súčasné molekulárne stroje sú veľmi primitívne, pokiaľ ide o štruktúru aj účel. V skutočnosti ani naše auto, ktoré sme zostavili v roku 2011, ani tieto „pretekárske vozidlá“neboli vytvorené na vyriešenie praktických problémov, ale na uspokojenie zvedavosti.
My aj naši kolegovia vyvíjame takéto zariadenia na riešenie veľmi jednoduchých problémov - snažíme sa prísť na to, ako prinútiť molekuly pohybovať sa jedným alebo druhým smerom, zastaviť a vykonať ďalšie jednoduché príkazy. Je to zaujímavý, ale stále čisto akademický problém.
Ďalší krok je oveľa ťažší a vážnejší. Je dôležité pochopiť, či je možné ich zapojiť do skutočne praktických úloh: preprava tovaru, montáž do zložitejších štruktúr a reakcia na vonkajšie podnety.
Napríklad nanomachíny sa môžu použiť na vytvorenie inteligentných okien, ktoré reagujú na úrovne pouličného osvetlenia a môžu sa samy opravovať; antibiotiká, ktoré fungujú iba vtedy, keď sa objaví určitý chemický alebo svetelný signál. Zdá sa mi, že také veci sa objavia oveľa skôr, ako si myslíte - v nasledujúcich desiatich rokoch.
* Nanobolid * na závodnej dráhe z medeného substrátu.
Vytvorenie plnohodnotných nanorobotov schopných vykonávať operácie vo vnútri tela alebo riešiť zložité problémy bude samozrejme vyžadovať viac času. Ale opäť som si istý, že to dokážeme. V ľudskom tele je nespočetné množstvo takýchto robotov a nič nám nebráni v zostavovaní ich umelých kópií.
Na druhej strane sme, ako som už viackrát povedal, v dňoch bratov Wrightovcov v súčasnosti dosahujeme približne rovnakú úroveň rozvoja ako ľudstvo. Najprv sa musíme rozhodnúť, čo a prečo vytvoríme, a potom premýšľať o tom, ako to urobiť.
Zdá sa mi, že by ste nemali bezdôvodne kopírovať to, čo príroda vynašla. Niekedy sa dajú vyrobiť úplne umelé systémy, ako sú lietadlá alebo počítačové čipy, oveľa ľahšie ako analógy krídla alebo ľudského mozgu.
V iných prípadoch je ľahšie zobrať to, čo živé organizmy už vytvorili, napríklad niektoré protilátky, a pripojiť k nim liek alebo časť nanomachínu. Podobné prístupy sa už používajú v medicíne. Preto nemožno jednoznačne povedať, že ktorákoľvek z nich bude pre všetky možné aplikácie nanorobotov sľubnejšia a korektnejšia.
V posledných rokoch sa objavili dve „triedy“nanomachinov - relatívne jednoduché štruktúry, ktoré prijímajú energiu zvonka, a zložitejšie štruktúry, plnohodnotné analógy motorov, ktoré sú schopné samostatne ju vyrábať. Ktoré sú bližšie k realite?
- Chemické motory, trochu podobné analógom v živých bunkách, sa skutočne začali objavovať. Nedávno sme v našom laboratóriu vytvorili niekoľko podobných zariadení.
Napríklad sa nám podarilo zostaviť nanomachín schopný používať glukózu a peroxid vodíka ako palivo a transport nanotrubíc, nanočastíc a ďalších ťažkých štruktúr v akomkoľvek smere.
Je ťažké povedať, aké sú sľubné - všetko záleží na úlohách, ktoré sa majú vyriešiť. Ak potrebujeme zorganizovať „transport“niektorých molekúl, potom sú pre tento účel ideálne. Ak chcete vytvoriť inteligentné okná alebo iné pomôcky, už musíte hľadať iný materiál.
Okrem toho stále nechápeme, čo presne nám chýba, aké analógy klasických strojov je možné vytvoriť pomocou molekúl a kam sa bude celá naša sféra pohybovať všeobecne. V skutočnosti sme to práve začali rozvíjať. Zatiaľ je jasná iba jedna vec - nanomachíny sa líšia od biomachinov v našich bunkách a od ich „veľkých sestier“v makrokozme.
Ak hovoríme o vzdialenej budúcnosti, je možné použiť molekulárne stroje, ktoré sa dokážu kopírovať, na riešenie globálnych problémov, napríklad na dobitie Marsu alebo iných planét?
- Je pre mňa ťažké hovoriť o iných svetoch, pretože táto otázka ďaleko presahuje moje kompetencie. Napriek tomu si myslím, že nanomachíny sa na tieto účely nebudú v prvom rade pravdepodobne používať. Keď sa snažíme ovládnuť nejaké nové a veľmi drsné prostredie, potrebujeme veľmi spoľahlivú technológiu, nie niečo experimentálne.
Preto sa mi zdá, že takéto stroje najprv nájdu uplatnenie na Zemi. Môžeme povedať, že sa to už deje: v posledných rokoch chemici vytvorili stovky veľmi zložitých štruktúr z mnohých molekúl, takzvaných supramolekulárnych štruktúr, ktoré sa môžu selektívne viazať na určité ióny a ignorovať všetko ostatné.
Napríklad môj kolega Francis Stoddart nedávno založil startup, v ktorom vyvíja komplexy, ktoré môžu ťažiť zlato z ťažby a skládok odpadu. V minulosti by sa tvorba takýchto zlúčenín považovala za fantáziu alchymistov.
Hovoriť o nanomechanických strojoch najčastejšie spôsobuje u verejnosti skutočný strach, pretože sa obávajú, že budúce mikroskopické roboty zničia civilizáciu a celý život na Zemi. Je možné s tým nejako bojovať?
„Tieto problémy majú veľa spoločného s Creation Machines: The Coming Era of Nanotechnology, napísaným Ericom Drexlerom v roku 1986. Scenár smrti ľudstva v dôsledku samovolného šírenia „šedého hlienu“, ktorý je v ňom uvedený, je dnes známy takmer všetkým.
V skutočnosti tu nie je nič neobvyklé - pri vytváraní nových nanomechanických strojov prijímame rovnaké bezpečnostné opatrenia ako pri práci s novými a potenciálne toxickými chemikáliami.
Z tohto hľadiska sa zložky nanorobotov nelíšia svojím deštrukčným potenciálom od „stavebných blokov“, z ktorých sa zhromažďujú molekuly nových liekov, polymérov, katalyzátorov a iných „bežných“chemických výrobkov.
Rovnako ako akékoľvek iné lieky alebo potravinové výrobky, aj tieto molekulárne štruktúry budú musieť prejsť obrovským počtom bezpečnostných testov, ktoré ukážu, či môžu „vzbúriť“a zničiť ľudstvo.
V skutočnosti nie je nič také prekvapujúce - ľudia sú zvyknutí mať strach z niečoho nového a neobvyklého. Každé desaťročie je nový „hororový príbeh“zo sveta fyziky, chémie alebo biológie, ktorý nahrádza veci, na ktoré sme už zvyknutí. Teraz sa napríklad stalo módnou obavou a kritizovaním genomického editora CRISPR / Cas9 a umelej inteligencie.
Čo by mali vedci robiť? Zdá sa mi, že naša úloha je jednoduchá: musíme pomôcť verejnosti zistiť, čo je pravda a čo je fikcia. Je dôležité pochopiť praktické prínosy týchto nových objavov a ich skutočné nebezpečenstvo.
Napríklad, ak ľudia pochopia, že CRISPR / Cas9 ich môže vyliečiť z chorôb spojených s genetickými defektmi alebo zvýšiť produktivitu rastlín, bude mať menší dôvod obávať sa tejto technológie. To isté platí pre nanomachíny budúcnosti.