Oamenii de știință creează și testează diferite nanomachine în laboratoare de mult timp. De fapt, acestea sunt construcții moleculare a căror sarcină este să îndeplinească unele funcții utile: de exemplu, să furnizeze medicamente unui organ bolnav, să identifice un agent patogen sau să repare ceva. Când apar primele nanoroboturi „utile”, vor ajuta la colonizarea lui Marte și a altor planete?
La aceste întrebări răspunde Ben Feringa, profesor la Universitatea din Groningen din Olanda. În 2016, el, împreună cu francezul Jean-Pierre Sauvage și scotianul Fraser, a câștigat premiul Nobel pentru proiectarea și crearea de mașini moleculare. „Nanomacinele dvs. sunt alcătuite din elemente foarte comune precum carbonul, azotul sau sulful. Putem să ne așteptăm la componente mai exotice în ele - de exemplu, metale rare sau substanțe radioactive?- Această întrebare este foarte dificil de răspuns dintr-un singur motiv: încă nu știm ce pot și nu pot face astfel de construcții moleculare. În același timp, în ciuda diferențelor mari în structura nanomotorilor, rotorilor și a altor elemente, toți - grupul meu, Stoddart, Sauvage și mulți alți colegi - lucrăm în continuare exclusiv cu molecule organice. Desigur, nimic nu ne împiedică să ne imaginăm că ceva de genul acesta poate fi creat folosind compuși anorganici exclusiv. De exemplu, pentru a construi o conexiune complexă și a face ca, la fel ca motoarele noastre moleculare, să se rotească în jurul propriei axe. Nimeni nu a montat încă astfel de nanomotorii.
Motivul este simplu. Datorită dezvoltării substanțelor farmaceutice și chimiei polimerice, am învățat să sintetizăm foarte rapid și bine compușii complecși constând din lanțuri de hidrocarburi. Sunt sigur că același lucru se poate face și cu compuși anorganici, dar pentru a face acest lucru, mai întâi trebuie să înțelegem cum să asamblăm astfel de molecule.
Când vine vorba de izotopi radioactivi, nu cred că vor deveni vreodată parte a nanomacinelor. Proprietățile neobișnuite și instabilitatea lor le pot face improprii pentru a lucra ca parte a sistemelor moleculare stabile care utilizează lumina sau electricitatea ca sursă de energie.
În acest sens, ne interesează mai mult motoarele biologice moleculare, dintre care sute de soiuri sunt prezente în corpul uman. Toate sunt mașini de proteine, multe dintre ele conțin atomi de metal.
Cel mai adesea, acestea joacă un rol cheie în reacțiile care fac ca aceste biomacine să se miște. Prin urmare, mi se pare că o combinație de complexe metalice și compuși organici care îi înconjoară pare cea mai promițătoare.
Anul acesta sărbătorim 150 de ani de la tabelul periodic. Ați putea explica cum această realizare de un secol și jumătate vă ajută să faceți descoperiri astăzi?
- Tabelul periodic și regularitățile inerente acestuia de fapt ne ajută întotdeauna să evaluăm modul în care se comportă diferite tipuri de atomi vecini în el și să prezicem proprietățile unor compuși.
De exemplu, unele tipuri de motoare noastre au atomi de oxigen integrați. Datorită tabelului, înțelegem că sulful va fi similar cu proprietățile sale, dar în același timp are dimensiuni puțin mai mari. Acest lucru ne permite să controlăm în mod flexibil comportamentul unor astfel de mașini moleculare, schimbând oxigenul pentru sulf și invers.
Video promotional:
Desigur, acest lucru nu se termină cu capacitățile noastre de predicție. Există multe alte legi descoperite recent care permit prezicerea unor caracteristici ale nanomacinelor.
Pe de altă parte, mă îndoiesc că putem crea ceva ca un tabel periodic pentru astfel de nanostructuri. Aici noi, dacă este posibil, în principiu, nu avem suficiente cunoștințe.
Deci, putem prezice aproximativ modul în care se vor comporta motoarele moleculare de diferite dimensiuni, similare în structură, dar nu putem face acest lucru pentru sisteme radical diferite sau să proiectăm ceva de la zero fără a efectua experimente.
Ați spus recent că primele nanorobote cu drepturi depline vor apărea peste aproximativ cincizeci de ani. Pe de altă parte, în urmă cu doar un an și jumătate, în Franța a avut loc prima „rasă” a unor astfel de nanomachine. Cât de departe suntem de apariția nanodevizelor autonome?
- Trebuie înțeles că toate mașinile moleculare existente astăzi sunt foarte primitive atât în structură, cât și în scop. De fapt, atât mașina noastră, pe care am asamblat-o în 2011, cât și aceste „mașini de curse” nu au fost create pentru a rezolva probleme practice, ci pentru a satisface curiozitatea.
Atât noi, cât și colegii noștri dezvoltăm astfel de dispozitive pentru a rezolva probleme foarte simple - încercăm să ne dăm seama cum să facem moleculele să se miște într-o direcție sau alta, să oprim și să executăm alte comenzi simple. Aceasta este o problemă interesantă, dar pur și simplu academică.
Următorul pas este mult mai dificil și mai serios. Este important să înțelegem dacă este posibil să le angrenăm în sarcini cu adevărat practice: transportul de mărfuri, asamblarea în structuri mai complexe și răspunsul la stimuli externi.
De exemplu, nanomachinele pot fi utilizate pentru a crea ferestre inteligente care răspund la nivelurile de iluminat stradal și se pot repara singure; antibiotice care funcționează numai atunci când apare un anumit semnal chimic sau luminos. Astfel de lucruri, mi se pare, vor apărea mult mai devreme decât crezi - în următorii zece ani.
* Nanobolid * pe pista de curse dintr-un substrat de cupru.
Crearea nanorobotilor cu drepturi depline, capabile să efectueze operațiuni în interiorul corpului sau să rezolve probleme complexe, desigur, va dura mai mult timp. Dar eu, din nou, sunt sigur că și noi o putem face. Există nenumărate astfel de roboți în corpul uman și nimic nu ne împiedică să construim copii artificiale ale acestora.
Pe de altă parte, noi, așa cum am spus de mai multe ori, suntem acum la același nivel de dezvoltare ca umanitatea pe vremea fraților Wright. În primul rând, trebuie să decidem ce și de ce vom crea, apoi să ne gândim cum să o facem.
Mi se pare că nu trebuie să copiați fără minte ce a inventat natura. Uneori, sistemele complet artificiale, cum ar fi avioanele sau cipurile de computer, sunt mult mai ușor de creat decât analogii unei aripi sau ale unui creier uman.
În alte cazuri, este mai ușor să iei ceea ce organismele vii au creat deja, de exemplu, unii anticorpi și să le atașezi un medicament sau o parte dintr-o nanomacină. Abordări similare sunt deja utilizate în medicină. Prin urmare, nu se poate spune fără echivoc că oricare dintre ele va fi mai promițătoare și mai corectă pentru toate aplicațiile posibile ale nanorobotilor.
În ultimii ani, au apărut două „clase” de nanomachine - structuri relativ simple, care primesc energie din exterior, și structuri mai complexe, analogi cu motoare complete, capabile să o producă independent. Care sunt mai aproape de realitate?
- Au început să apară cu adevărat motoarele chimice, oarecum asemănătoare cu analogii din celulele vii. Recent am creat mai multe dispozitive similare în laboratorul nostru.
De exemplu, am reușit să asamblăm o nanomacină capabilă să utilizeze glucoza și peroxidul de hidrogen ca combustibil și să transporte nanotuburi, nanoparticule și alte structuri grele în orice direcție.
Este dificil de spus cât de promițătoare sunt - totul depinde de sarcinile care trebuie rezolvate. Dacă trebuie să organizăm „transportul” unor molecule, atunci acestea sunt ideale pentru acest lucru. Pentru a crea ferestre inteligente sau alte gadgeturi, la rândul său, trebuie să căutați deja alte materiale.
În plus, încă nu înțelegem ce ne lipsește exact, ce analogi ale mașinilor clasice pot fi create folosind molecule și unde se va muta întreaga noastră sferă în general. De fapt, tocmai am început să o dezvoltăm. Până în prezent, un singur lucru este clar - nanomacinele diferă de biomachine din celulele noastre și de „surorile lor mari” din macrocosmos.
Dacă vorbim despre viitorul îndepărtat, este posibil să folosim mașini moleculare capabile să se copieze pentru a rezolva problemele globale, de exemplu, pentru a cuceri Marte sau alte planete?
- Îmi este greu să vorbesc despre alte lumi, deoarece această problemă depășește cu mult competența mea. Cu toate acestea, cred că este puțin probabil ca nanomachinele să fie utilizate în acest scop în primul rând. Când încercăm să stăpânim un mediu nou și foarte dur, avem nevoie de o tehnologie foarte fiabilă, nu de ceva experimental.
Prin urmare, mi se pare că astfel de mașini vor găsi mai întâi aplicații pe Pământ. Putem spune că acest lucru se întâmplă deja: în ultimii ani, chimiștii au creat sute de structuri foarte complexe din multe molecule, așa-numitele structuri supramoleculare, care se pot lega selectiv de anumiți ioni și ignora orice altceva.
De exemplu, colegul meu Francis Stoddart a fondat recent o startup în care dezvoltă complexe care pot extrage aurul din deșeurile miniere și depozitele de deșeuri. În trecut, crearea unor astfel de compuși ar fi fost considerată fantezia alchimiștilor.
Vorbirea despre nanomacine provoacă cel mai adesea o teamă autentică în rândul publicului, temându-se că viitorii roboți microscopici vor distruge civilizația și toată viața de pe Pământ. Este posibil să luptăm cumva cu asta?
„Aceste probleme au foarte multe legături cu Mașinile de creare: Era viitoare a nanotehnologiei, scrisă de Eric Drexler în 1986. Scenariul morții umanității ca urmare a propagării de sine a „mucusului gri” prezentat în acesta este cunoscut astăzi aproape toată lumea.
De fapt, nu este nimic neobișnuit aici - atunci când creăm noi nanomacine, luăm aceleași precauții ca atunci când lucrăm cu substanțe chimice noi și potențial toxice.
În acest sens, componentele nanorobotilor nu diferă în potențialul lor distructiv de „blocurile de construcție” din care sunt adunate moleculele de medicamente noi, polimeri, catalizatori și alte produse chimice „obișnuite”.
Ca orice alt medicament sau produs alimentar, aceste structuri moleculare vor trebui să treacă printr-un număr imens de teste de siguranță care vor arăta dacă se pot „rebela” și distruge umanitatea.
De fapt, nu este nimic surprinzător în astfel de temeri - oamenii sunt obișnuiți să se teamă de ceva nou și neobișnuit. În fiecare deceniu apare o nouă „poveste de groază” din lumea fizicii, chimiei sau biologiei, care înlocuiește lucrurile cu care suntem deja obișnuiți. Acum, de exemplu, a devenit la modă teama și criticarea editorului genomic CRISPR / Cas9 și a inteligenței artificiale.
Ce ar trebui să facă oamenii de știință? Mi se pare că sarcina noastră este simplă: trebuie să ajutăm publicul să-și dea seama ce este adevărat și ce este ficțiunea. Este important să înțelegem beneficiile practice ale acestor noi descoperiri și unde se află pericolul lor real.
De exemplu, dacă oamenii înțeleg că CRISPR / Cas9 le poate vindeca de boli asociate cu defecte genetice sau poate crește productivitatea plantelor, vor avea mai puține motive să se teamă de această tehnologie. Același lucru este valabil și pentru nanomacinele viitorului.
