- Методы молекулярной биологии. В организме человека существует огромное количество разнообразных ферментов (другое их название - энзимы). Это белки или соединения белков, обладающие разнообразной и высокоизбирательной активностью. Некоторые из них выполняют чрезвычайно сложные и ответственные функции. В первую очередь это относится к тем ферментам, которые совместно с нуклеиновыми кислотами обеспечивают работу генетического механизма. Для примера рассмотрим фермент ДНК-репаразу. Молекула ее перемещается вдоль двойной спирали ДНК и исправляет ошибки в последовательности составляющих эту спираль нуклеотидов. Такие ошибки неизбежно возникают под действием температуры, различных химических веществ, радиации и т.д. Молекула ДНК-репаразы находит молекулу ДНК, перемещается вдоль нее, распознает нарушения в последовательности нуклеотидов, принимает решение о том, какую из 2-х нитей ДНК считать правильной, "вылавливает" из окружающей среды нужный нуклеотид, удаляет неправильный и вставляет на его место правильный. Практически, она ведет себя как робот, решающий довольно сложную и многовариантную задачу ситуационного поведения.
- То, каким образом белковые молекулы оказываются способными на столь сложное "поведение" далеко не ясно. Так, высказывалось предположение, что комплекс ДНК-фермент способен работать как квантовый компьютер. Пока нет возможности подтвердить или опровергнуть эту гипотезу. Однако, сама способность белковых молекул к сложному "поведению", связанному с обработкой информации, является несомненным фактом.
- Представляется очень соблазнительным попытаться модифицировать существующие белки или синтезировать новые, способные (возможно, в комплексе с несущей информацию и "программы" ДНК) к решению и других, в т. ч., еще более сложных задач, таких, как лечение поврежденных или состарившихся клеток. Нужно признать, однако, что до необходимого уровня понимания работы ферментов нам еще довольно далеко.
- Более простым путем может быть использование способности молекул белков и более коротких полипептидов избирательно связываться друг с другом и с молекулами других веществ. Это должно позволить осуществить самосборку таких молекул в наперед заданную супермолекулярную конструкцию наподобие деталей детского конструктора.
нанотехнология медицина микроскопическое устройство
- Другой класс макромолекул, которые могут быть использованы для самосборки - нуклеиновые кислоты. Существует два основных типа нуклеиновых кислот.
- Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) образует весьма устойчивую конфигурацию из двух нитей, сплетенных в двойную спираль. ДНК является основным носителем генетической информации в клетке. Участки нити ДНК способны избирательно связываться с другими нитями, имеющими так называемую комплементарную последовательность нуклеотидов. Именно по этому принципу связываются две нити ДНК, комплементарные друг к другу.
- Но связывание комплементарных участков позволяет предсказуемым образом соединять друг с другом и различные нити ДНК. При этом, меняя последовательность нуклеотидов в нитях, можно подобрать любую заранее заданную конфигурацию их сцепления. И здесь напрашивается аналогия с детским конструктором.
- Большой успех на этом направлении был достигнут Надрианом Зиманом из Нью-Йоркского университета. Ему удалось сложить из молекул ДНК множество различных плоских и объемных конструкций - тетраэдры, кубы, октаэдры, додекаэдры, икосаэдры, призмы и многие другие.
- В 1999 г. Зиману удалось построить из ДНК даже возможный прототип наноразмерного манипулятора.
Другой тип нуклеиновых кислот - рибонуклеиновая кислота (РНК) - отличается от ДНК тем, что не образует двойной спирали. Из-за этого молекулы РНК менее устойчивы, но зато они способны образовывать самые разнообразные конфигурации. Некоторые из них обладают свойствами, напоминающими свойства ферментов. Как и от молекул белка от них можно ожидать способности к самосборке в заранее запрограммированные структуры.
Кроме перечисленных, способностью к взаимному распознаванию и самосборке (а также и другими интересными свойствами) обладают и многие другие супрамолекулярные соединения.
Третий подход представляется наиболее фантастичным, но и наиболее перспективным. Он также восходит к лекции Фейнмана. Но наиболее полное развитие он получил в работах Эрика Дрекслера в 1981 - 1992 гг.
Хотя термин "Молекулярная нанотехнология" можно отнести к любой технологии, основанной на конструировании и изготовлении отдельных молекул, обладающих заданными наперед свойствами, Дрекслер и его последователи основное внимание уделяют конструкциям из атомов углерода. Это обусловлено его способностью образовывать огромное количество разнообразных соединений, а также рекордной прочностью связи между двумя атомами углерода. Судить о ней можно по выдающейся твердости кристаллов алмаза. Примерами углеродных молекул, которые могут послужить прототипом нанотехнологических компонентов могут послужить фуллерены - шары и нанотрубки из 5 - и 6-угольных колец атомов углерода. Разумеется там, где необходимо, в конструкцию молекулы могут быть включены и атомы других элементов.
По идее Дрекслера, из алмазоподобного углерода могут быть изготовлены молекулы, имеющие форму самых разнообразных деталей - шестеренок, штоков, компонентов подшипников, сочленений, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т.д. Пока эти молекулы не синтезированы, но расчёты показывают, что они могут существовать, быть устойчивыми, взаимодействовать друг с другом не "слипаясь".
Предполагается, что подобного рода молекулярные конструкции могут быть построены с использованием механосинтеза - прямой сборки из малых молекул и, даже, отдельных атомов.
Сама по себе возможность такой сборки продемонстрирована с использованием сканирующих зондовых микроскопов.
Рассмотрим возможный способ построения алмазоподобных структур из углерода. На первом этапе с помощью сканирующего зондового микроскопа к создаваемой детали подносится молекула винилиденкарбена, имеющая в своём составе выступающий и относительно слабо связанный атом углерода. Между этим атомом и деталью возникает химическая связь. Затем острие сканирующего зондового микроскопа поворачивается на 90°, что приводит к разрыву p-связи и поднимается, разрывая оставшуюся s-связь. Атом углерода остается на заготовке детали.
Сборка готовых деталей в работоспособную конструкцию может осуществляться либо с использованием сканирующего зондового микроскопа, либо путем самосборки с использованием прикрепленных к деталям биологических макромолекул, способных избирательно соединяться друг с другом.
Устройство (пока гипотетическое) для такой сборки наномеханизмов Дрекслер назвал ассемблером. Теоретически, ассемблер может быть очень небольшим - микронных размеров. Поскольку из отдельных атомов можно собрать все, что угодно, такой ассемблер может изготовить и собственную копию. С одной стороны, это открывает путь к изготовлению неограниченного количества ассемблеров и - с их помощью - любых других наноустройств. Такой подход может использоваться, например, для терраформирования планет - глобальной их перестройки с целью сделать пригодными для проживания человека.
С другой стороны, может возникнуть опасность выхода размножения ассемблеров из-под контроля в результате случайной или намеренной порчи их систем управления. Расчет показывает, что теоретически такой ассемблер со своим потомством окажется в состоянии переработать всю биомассу Земли за считанные часы (правда, без учета времени на перемещение по поверхности планеты). Эта опасность получила название "проблема серой слизи" (Grey goo problem). Предварительный анализ показывает, что ассемблер может быть сделан достаточно надежным, чтобы вероятность появления самовоспроизводящейся ошибки оказалась пренебрежимо малым. Однако трудно исключить возможность преднамеренного программирования ассемблера маньяком или хулиганом, подобным современным создателям компьютерных вирусов.
Гипотетические наноустройства, способные к перемещению в окружающей среде и снабженные бортовой системой управления получили название нанороботов. Они смогут быть использованы для решения огромного количества задач - диагностики и лечения любых болезней, включая старение, перестройки организма человека "по заказу", изготовления сверхпрочных конструкций вплоть до лифтов "Земля - орбита" и, даже, "Земля - Луна", терраформирования других планет и т.д.
Идеи молекулярной нанотехнологии встречают и сильное противодействие. Наиболее известным критиком является лауреат Нобелевской премии 1996 г. по химии Ричард Смайли. В ходе ряда дискуссий в печати с Э. Дрекслером Смайли признал некоторые из ранее критиковавшихся им положений молекулярной нанотехнологии; некоторые другие расхождения можно будет, вероятно, разрешить только путем эксперимента.
Вообще, именно невозможность в настоящее время экспериментально изготовить хотя бы простейшие из теоретически рассчитанных деталей-молекул является наиболее слабым местом молекулярной нанотехнологии. Нужно сказать, что современные методы расчета свойств крупных молекул далеки от совершенства, а точное решение соответствующей задачи квантовой механики на много порядков превосходит по своей сложности возможности сегодняшних компьютеров. Так что, окончательный ответ о возможности построения таких наноустройств может дать только эксперимент.
Кроме того, что окончательная конфигурация атомов в детали должна быть устойчива, устойчивыми должны быть и все промежуточные стадии ее изготовления. Пока не ясно, приведет ли это к серьезным ограничениям.