Инструменты нанотехнологии

Инструменты нанотехнологии. Главный инструмент нанотехнолога – его мозг. Получая новую информацию, мы анализируем, систематизируем и осмысливаем ее, и лишь потом ставим вопросы, ищем доказательства, формулируем законы, выдвигаем гипотезы и теории.

Поэтому огромную роль в познании природы играют инструменты получения информации о ней, первыми среди которых были наши удивительные органы чувств: глаза, уши, нос – сами по себе сложные устройства, достойные восхищения инженера.

А ведь знания о природе не самоцель, а тоже своего рода инструменты, с помощью которых человек решает различные задачи: от постройки дома до полета на Луну. Но научных знаний тоже недостаточно. Чтобы воспользоваться ими, надо создать соответствующую технику, для чего опять-таки необходимы инструменты; сначала ими была просто пара лохматых рук. Познание природы и развитие инструментов глубоко взаимосвязаны. Чем совершеннее инструменты, тем более точную информацию мы можем получать, тем достовернее наши знания о природе.

Так, например, до открытия телескопа человеку были недоступны сведения ни о форме, ни о структуре нашей Галактики. А до изобретения сканирующих микроскопов никто и не подозревал о существовании уникальных углеродных соединений – фуллеренов и нанотрубок. С другой стороны, более совершенное мышление позволяет изобретать более точные инструменты и приборы, порой на порядки превосходящие возможности существующей технологии.

Так, многие изобретения величайшего гения Леонардо да Винчи (типа цепного привода или шарикоподшипника) были теоретически вполне работоспособны, однако же не использовались в XVI веке. Для их реализации была необходима высокоточная обработка деталей, которая хоть и не представляет сложности сегодня, но была совершенно нереальна для той эпохи. Проникнув в невидимый мир атомов и молекул, мы еще острее нуждаемся в развитии инструментов, способных не только обеспечить получение новой информации, но и привести к потрясающему прогрессу во многих областях.

Как бы человек ни гордился своей изобретательностью, все же следует признать, что в основе многих его достижений лежат принципы, так или иначе «подсмотренные» у природы. В частности, речь идет о самом популярном инструменте ученых – микроскопе. Микроскоп (от греч. “micros”–малый, и “scopeo”–смотреть) – оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов, не видимых невооруженным глазом, оказал по истине революционное действие на развитие многих наук, и в особенности, биологии.

Увеличение изображения происходит за счет преломления света, проходящего сквозь стеклянную линзу, способную в зависимости от своей формы фокусировать или рассеивать световой пучок. Самым простым прибором, демонстрирующим это явление, является обыкновенная лупа – плосковыпуклая линза. Один из первых микроскопов сконструирован в 1609-1610 гг. Галилеем. Он состоит из двух систем линз - окулярa и объективa.

Объектив, расположенный близко к образцу, создает первое увеличенное изображение объекта, которое еще раз увеличивается окуляром, который помещают ближе к глазу наблюдателя. С XVIII столетия развитие микроскопии шло главным образом по пути улучшения конструкции механических частей. Совершенствование шлифовки и подгонки линз привело к тому, что микроскопы начала XIX в. давали увеличение до 1000 раз. Изучение доселе недоступных деталей строения животных, растений и грибов показало, что в основе всего живого лежит универсальное крошечное образование – клетка.

Для изучения нанообъектов разрешения оптических микроскопов (даже использующих ультрафиолет) явно недостаточно. В связи с этим в 1930-х гг. возникла идея использовать вместо света электроны, длина волны которых, как мы знаем из квантовой физики, в сотни раз меньше, чем у фотонов. Весами, на которых можно взвешивать тела с массой в несколько милли и микрограмм, давно уже никого не удивишь – они используются в любом школьном кабинете физики.

Но нельзя непосредственно взвесить как очень большой, так и очень маленький объекты, поскольку для них не существует эталонных мер. В основе работы нановесов лежит эффект, хорошо известный из школьной физики: собственная частота колебаний пружины зависит от массы груза и ее жесткости. В последнее время бурное развитие электронной, атомно-силовой и туннельной микроскопии, равно как и развитие информационных технологий, привело к тому, что сегодня наблюдения за поведением отдельных атомов стали доступны широкому кругу исследователей.

В наномире действуют иные величины: миллиардные доли метра и миллиардные доли секунды. Если б мы были нанометровыми человечками, то вращение сверла бормашины в зубном кабинете казалось бы нам таким же медленным, как обычному человеку – вращение Земли вокруг Солнца. А ведь Земля вращается не так уж и медленно – 30 км/с! А за то время, пока обычный человек успел бы моргнуть своим «громадным» глазом, мы бы успели основать и построить наноскопический Санкт-Петербург, такой же, как тот, на сооружение которого у обычных людей ушло около 300 лет! Таким образом, нанометровые инструменты и манипуляторы, в отличие от современных макроскопических, могли бы быть очень быстрыми.

Если движение большой и тяжелой «руки» макроскопического робота-сборщика занимает секунды и тратит киловатты энергии, то наноробот способен перебирать своими «ручонками» за миллиардные доли секунды, затрачивая всего лишь миллиардные доли ватт. Кроме того, промышленная установка весом всего 1 грамм, как показывают расчеты, может иметь более 1017 наноманипуляторов.

С помощью такой установки те же батареечки, которые при макроскопическом подходе нереально собрать из атомов, можно будет штамповать десятками тысяч штук в секунду! Разработка такого манипулятора – главная цель всей современной нанотехнологии, на сегодняшний момент, к сожалению, никем не реализованная. 5. Наномедицина С развитием биотехнологии тесно связано качественно новое направление медицинской науки – молекулярная наномедицина.

С ней связывают такие уникальные вещи, как: • Лаборатории на чипе; • Адресная доставка лекарств к пораженным клеткам; • Новые бактерицидные и противовирусные средства; • Диагностика заболеваний с помощью квантовых точек; • Нанороботы для ремонта поврежденных клеток; • Нейроэлектронные интерфейсы и многое другое. В настоящее время подобные проекты – уже не только плод воображения писателей-фантастов, но и реальные средства современной медицины.

Было бы здорово, если бы врачи или даже сами пациенты могли мгновенно проводить сложнейшие анализы и получать результаты в течение нескольких минут! Представьте себе, какой потрясающе компактной и эффективной могла бы быть лаборатория, если б все ее пространство (включая инструменты, столы, проходы, клавиатуры, мониторы, и т. д.) можно было бы «сжать» до размеров обыкновенного микрочипа, а все производимые в ней человеческие действия по доставке, перемещению и анализу образца полностью автоматизировать! А теперь представьте, что такие лаборатории уже существуют! Называются они лабораториями на чипе. Один чип размером порядка 4х4 см может заменить целый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онкологических заболеваний, изучения эффективности трансфекции клеток, количественного определения белков, определения уровня экспрессии генов и многого другого! При этом такая кроха-лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, занимавшего раньше недели, сокращается до 15-30 минут. Серебряные наночастицы – не единственные наноматериалы, пригодные для борьбы с бактериями.

Недавно ученые из Питсбургского университета создали нанокатализатор, который производит углеродные нанотрубки одинакового размера и заставляет их собираться в структуру, напоминающую ковер.

При добавлении к «ковру» различных биологических агентов он меняет свой цвет – от красного до желтого.

Самым удивительным оказалось то, что этим «наноковром» можно убивать различные микроорганизмы! В эксперименте на бактериях отдельные нанотрубки «ковра» проткнули их клеточные мембраны, чем вызвали гибель микроорганизмов. «Наноковер» может быть использован в качестве биологического детектора либо бактерицидной поверхности в фильтрах для очистки воды, воздуха и т. д. Чтобы лекарство было эффективным важно, чтобы его молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты попали в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, антираковые препараты – в опухоль и т. д. Способность молекул вещества попадать в теле пациента туда, где они необходимы, называется биологической усвояемостью.

Биологическая усвояемость – камень преткновения всей современной фармацевтики. Более 65% денег, потраченных на разработку новых лекарств, выбрасывается на ветер из-за их плохой усвояемости.

Один из способов улучшить ее – просто увеличить дозу лекарства. Однако многие лекарства токсичны, и увеличенная доза может вызвать у пациента тяжелые последствия (а порой даже убить). Это особенно важно для противораковых препаратов, которые убивают не только больные, но и здоровые клетки. Поэтому сегодня учеными всего мира ведутся активные работы по адресной доставке лекарств, которые будут точно попадать в цель, не повреждая других органов. Для этого пытаются создать некое «транспортное средство» для точной доставки лекарств в клетку, так как многие болезни (не только рак) зависят от нарушения внутриклеточных механизмов, повлиять на которые можно только доставив лекарство в клетку.

Поиск молекулярного транспорта начался в восьмидесятые годы, когда исследователи стали активно заниматься генной инженерией. В частности, группе российских ученых под руководством Александра Соболева удалось разработать специальную макромолекулу-транспортер, способную доставить лекарство в дефектную клетку.

Опыты, которые ставила группа Соболева на раковых клетках, показали, что эффективность лекарственного вещества, которое доставляется макромолекулой-транспортером в ядро, при различных типах рака может возрастать в 250-1000 раз, а это значит, что во столько же раз можно снизить дозу препарата, чтобы вызвать нужный эффект. Медиков и биологов чрезвычайно интересует, как перемещаются в организме различные вещества (в частности, лекарства). Отслеживание такого перемещения позволяет им определить, как распределяются и усваиваются в организме новые препараты, то есть какова их биологическая усвояемость. До недавнего времени для подобных исследований применялись различные красители, называемые маркерами, подмешиваемые к исследуемому веществу.

Подкрашенные клетки были хорошо видны в оптический микроскоп на фоне бесцветных клеток организма, что позволяло делать довольно точные выводы об их локализации. Но органические красители, во-первых, могут быть токсичными, а во-вторых, для их обнаружения требуется облучение светом лишь определенной частоты, поскольку различные красители отражали различные частоты спектра.

Следовательно, для одновременного исследования нескольких препаратов требовалось столько же источников света. Данную проблему удалось решить с помощью нанотехнологий, а точнее – квантовых точек. Квантовые точки – это полупроводниковые кристаллы нанометрового размера, имеющие уникальные химические и физические свойства, не характерные для тех же веществ в макромасштабе.

Учеными были получены уникальные флуоресцентные квантовые точки, причем разного цвета. Эти точки дают намного более мощный отблеск света, чем традиционные красители, и обладают особым биоинертным покрытием, которое, с одной стороны, защищает сами квантовые точки от «нападения» ферментов и других биологических молекул, а с другой – не дает возможности токсичным веществам попасть в организм, что очень важно для диагностики заболеваний. Кроме того, разные группы таких нанометок можно освещать одним общим источником.

Квантовые точки широко применяются в диагностических целях. В частности, их можно присоединять к биомолекулам типа антител, пептидов, белков или ДНК. А эти комплексы, в свою очередь, могут быть спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы (например, типичные для поверхности раковых клеток). Применение квантовых точек может существенно расширить диагностические возможности медицины. Ведь можно сконструировать сотни разновидностей квантовых точек, соединяющихся в организме с различными биомолекулами или антигенами, и таким образом находить участки со специфическим сочетанием признаков заболевания.

Дальнейшие планы исследователей еще заманчивее. Новые квантовые точки, соединенные с набором биомолекул, будут не только находить и показывать опухоли, но и осуществлять точную адресную доставку новых поколений лекарств. Отыскать эликсир бессмертия человечество мечтало всегда. В Средние века этой идеей были одержимы алхимики, а в настоящее время она лежит в основе нового философского течения, получившего название трансгуманизм, или иммортализм.

Все более популярное сегодня, трансгуманистическое мировоззрение утверждает, что человеческий вид является не завершающим звеном эволюции, а скорее ее началом. Трансгуманисты убеждены, что недалек тот день, когда с развитием науки и техники люди смогут радикально усилить свои интеллектуальные и физические возможности, перестанут умирать от старости и болезней и избавят весь мир от несчастий и страданий. 14 июня 1996 года Крис Феникс – автор идеи конвергентной нанофабрики, оставил на форуме сообщение: «А что если заменить кровь человека 500 триллионами роботов?». Этот «безумный» на первый взгляд вопрос привел Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом, результатом которого явился 100-страничный труд под названием “Roboblood” (робототехническая кровь), изданный в 2002 году. “Roboblood” представляет собой детально рассчитанный проект комплекса медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в человеческом теле, выполняя самые разнообразные функции крови, включая циркуляцию дыхательных газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонентов, процесс деления цитоплазмы.

Впрочем, для своего наноробота ученые придумали другой термин – васкулоид (от лат. vas – сосуд и греч. oidos – подобный). “Робокровь”, включающая около 500 триллионов микроскопических нанороботов общим весом примерно 2 кг, потребляет 30-200 Ватт энергии в зависимости от рода человеческой деятельности.

Система соответствует форме кровеносных сосудов и может служить полной заменой естественной кровеносной системе.

Проще говоря, нанороботы образуют кровеносную систему и функционируют в ней. Подразумевается, что они будут сделаны из алмазоида или другого биосовместимого материала, а биологическое питание будут получать из глюкозы и кислорода. Какие же преимущества дает такая роботизированная кровь обычному человеку? Возможностей, оказывается, множество: это и борьба с болезнетворными микробами, и регулярная «чистка» и укрепление сосудов, предотвращающая болезни типа атеросклероза, варикозного расширения вен и т. д и автоматическое лечение поврежденных клеток, и даже замена больных генов здоровыми. 6.