Какими будут молекулярные машины будущего?
Автор: Илья Хель.
Молекулярные машины — это наноразмерные сборщики (наноассемблеры), которые выстраивают себя и свое окружение в более сложные структуры.
Входя в разряд нанотехнологий в умах простых обывателей, эти устройства очень многообещающие — но на их счет часто заблуждаются. Давайте отделим научные факты от научной фантастики. Понятия, которые лежат в основе этой формы нанотехнологий, существуют уже достаточно долго, чтобы просочиться в современную науку. Первым о идее «синтеза через прямую манипуляцию атомами» заговорил Ричард Фейнман. С тех пор ученые очень много размышляли о том, как сложить атомы и молекулы в нечто большее, чем простые строительные кирпичики.
Самым известным считается подход к производству снизу-вверх Эрика Дрекслера, изложенный в его книге «Машины творения» 1986 года. В книге он изложил идею наноразмерного «ассемблера», который мог бы создавать копии себя или других молекулярных объектов с атомным управлением; он также мог бы создавать более крупные и сложные структуры. Такая себе микроскопическая сборочная линия, стройматериалы из самых простейших ингредиентов. К моменту появления первых нанотехнологий в середине восьмидесятых они казались сошедшими со страниц научной фантастики.
Утопая в «серой слизи»
Тогда даже Дрекслер признал, что за наностроительной площадкой нужен строгий надзор.
«Представьте себе такой репликатор, плавающий в бутылке химических веществ и делающий копии самого себя, — объяснял он в «Машинах творения». — Первый репликатор создаст копию в одну тысячную долю секунды, два репликатора произведут еще два в долю секунды, четыре построят четыре, восемь построят восемь. Через десять часов будет не тридцать шесть новых репликаторов, а более 68 миллиардов. Меньше чем через день они будут весить тонну; через два дня они будут весить с Землю; еще через четыре часа они превзойдут Солнце по массе и все планеты вместе взятые — если бутылка химикатов не иссякнет задолго до этого».
Эта безжалостная эффективность, утверждает Дрекслер, сделает некоторых нанороботов существенно превосходящими природные органические существа, по крайней мере в эволюционном смысле. Всеядные бактерии будут существенно превосходить настоящих, перерабатывая биосферу на пыль — или «серую слизь» — всего за несколько дней. Гипотетический сценарий конца света, когда наноботы захватывают мир и превращают нас в аморфную слизь, скептики выдвигают в противовес заманчивым обещаниям нанотехнологов. Впрочем, прошло тридцать лет, а мы все еще здесь, и хотя у некоторых из нас могли появиться серые пятна на лице, мы пока не стали побочным продуктом развития молекулярных машин.
Строительные блоки
Правда в том, что последние тридцать лет ученые старательно пытались создать структуры молекулярных размеров, которые могут управлять собой и собирать сами себя, двигаться и даже работать совместно. Это не так-то просто, разумеется, — строительство на таком молекулярном уровне требует атомарной точности — но, к счастью, физика и химия продвинули это до точки, когда такой фокус стал возможным. И есть богатый пул молекулярных машин, некоторые из которых были созданы под вдохновением от природы, а некоторые по принципам механической инженерии, но которые демонстрируют это.
Большая часть успеха была достигнута с применением молекул ДНК. В этом случае ДНК используется не для передачи генетической информации, а является строительным материалом сама по себе. Ее четыре основания — аденин, цитозин, гуанин и тимин — связываются сильнее или слабее в зависимости от того, как устроены пары в двойной спирали ДНК, что позволяет ученым тонко настраивать совместные связи.
«Мы можем напрямую соединять молекулы, используя спаривание оснований Уотсона-Крика. Межмолекулярные взаимодействия с использованием липких концов имеют четко определенную геометрию, — объясняет профессор Нед Симан, нанотехнолог из Отделения химии Нью-Йоркского университета, которого считают основателем поля нанотехнологий в ДНК. — ДНК как Lego».
Основные строительные блоки жизни уже обладают функциями, необходимыми для сложения, объединения, роста и строительства — и они идеально подходят для строительства объектов в наномасштабах. Создавая цепи ДНК с тщательным контролем последовательностей оснований, можно связывать индивидуальные цепи и создавать экзотические структуры. Геометрия сначала выстраивается на компьютерах, чтобы понять, какие требуются молекулы, а затем синтезируется нужная ДНК — как набор Lego.
Нет необходимости в сборке
В отличие от Lego, при соединении в растворе ДНК может образовывать структуры без вмешательства. Взаимодействия между цепочками контролируются последовательностью оснований: некоторые места связываются приоритетно, некоторые нет, и в результате получается пресловутая самосборка. Если предположения об ассемблерах Дрекслера в 80-х годах казались фантастикой, сегодня нельзя отрицать факт, что молекулы, которые могут самостоятельно собираться в новые комплексные структуры, по сути воплощают это.
Лаборатория Симана имеет богатую историю создания самособирающихся сложных объектов: например, кристаллов, из простой лужи молекул ДНК. Его лаборатория создала двухмерные и трехмерные кристаллы, а также широкое разнообразие геометрических форм с использованием этих техник. Есть и много других ученых, работающих в этой области. Профессор Эндрю Терберфильд из Оксфордского университета, к примеру, использует молекулы ДНК для создания отдельных тетраэдров. Смешивая четыре разных типа ДНК, каждый из которых настроен для соединения заранее обозначенными способами, его ученые смогли создать тетраэдр с 7-нанометровыми гранями. Их можно использовать, чтобы блокировать белки внутри структуры, а затем выпускать в нужных местах в процессе лечения пациента — своего рода самособирающаяся и самоактивирующаяся система доставки на молекулярном уровне.
Твой ход, молекула
Забавные наноинженерные молекулы не только собираются сами — они еще и двигаются. Ряд научно-исследовательских групп создали молекулы, которые могут ходить, подобно людям или животным. Синтезируемые из ДНК, они могут двигаться прямо вдоль дорожки, правда, до недавнего времени было трудно понять, «прыгают» или «плывут» путешественники в новое место — потому что шаги в нанометр длиной сложно зарегистрировать, используя обычные методы. К счастью, ученые из Отделения химии Оксфордского университета пропитали ходоков мышьяком и смогли проследить движение по тонкому следу — раз и навсегда доказав, что ходоки делают то, что и должны были делать.
Механическая инженерия имеет большое влияние на наностроительство — отсюда и название «молекулярные машины». Двигатели, к примеру, которые в реальной жизни кажутся нам громоздкими и шумными, тоже получили молекулярное воплощение. Первый молекулярный двигатель был создан в 2012 году; самый быстрый из серии появился в прошлом году. Самый маленький просто крутит атом серы на поверхности чистой меди, разгоняясь до 7200 оборотов в минуту. Самый быстрый, сделанный из трех молекулярных компонентов, может разгоняться до 18 000 оборотов в минуту — почти как реактивный двигатель.
Возможно, наиболее полным примером молекулярной машины пока можно назвать наномашину, разработанную командой голландских исследователей. Собранная из длинного центрального тела с поворотными лопастями на каждом из четырех углов, машина разгоняется импульсом электронов, которые крутят лопасти, поворачивается на четверть и таким образом продвигается. Поворот нарушает положение молекул, поэтому всей конструкции нужно повернуться в другую сторону, тоже на четверть, чтобы достичь баланса. Машина движется при импульсе электронов каждые полповорота. Необходимо 10 импульсов, чтобы транспорт проехал 6 нанометров, но это молекулярный автомобиль, дайте ему отдохнуть.
Альтернативная энергетика
Все это поднимает легко забываемую проблему: на чем будут работать эти молекулярные машины? Основная задача на сегодняшний день в этой сфере — создание синтетических нанодвигателей, говорит доктор Вэй Гао из Отделения электротехники и компьютерных наук в Калифорнийском университете в Беркли. «Новые нанодвигатели, которые могли бы двигаться внутри живых существ, особенно в кровотоке, остаются на повестке дня».
Двигатели и автомобили, описанные выше, обычно используют поток электронов для питания — который поставляется туннельным электронным микроскопом. Но это не самый лучший источник энергии для применения за пределами лаборатории и, конечно, не внутри человеческого тела, поэтому Гао и ему подобные ученые разрабатывают альтернативу. Не так давно они создали новый тип полимерной трубки в 20 микрометров длиной, покрытой цинком. Когда она оказывается в кислотной среде, например в желудке, цинк реагирует с ней, образуя пузырьки водорода, что в свою очередь толкает транспорт вперед вместе с его полезным грузом в виде лекарств.
Это довольно грубая и не особо качественная форма движения, никто не спорит, но она доказывает, что молекулярные структуры могут использовать свое окружение для создания энергии, необходимой для их питания. «Синтетические нанодвигатели требуют внешних источников химического топлива, что может значительно помешать их практическому применению», — объясняет Гао. — «Цинковые нанодвигатели — это первый пример нанодвигателей, которые могут использовать естественную среду в качестве источника питания. В дополнение к этому мы разработали биоразлагаемые магнезиевые нанодвигатели, которые могут использовать в качестве топлива воду в присутствии ионов хлора. Возможно, нанодвигатели будущего будут двигаться самостоятельно, используя биологические жидкости вроде крови».
Сведите все до кучи
Очевидно, в наномасштабах таким технологиям нет равных. У нас есть самособирающиеся структуры, складывающиеся формы, которые могут собирать и выпускать груз, хитрые ходоки, молекулярные двигатели, транспорт, который их использует, и даже, может быть, топливо для всего этого. Вы также можете добавить им немного мозгов — вроде светодиодов в одну молекулу и простых компьютеров на основе ДНК — и в один прекрасный день они станут больше, чем просто механическими системами.
Какой прогноз ожидает наноразмерная сборочная линия Дрекслера? «Мы уже показали это», — объясняет Симан, и в этом не получится усомниться. Несколько лет назад Симан в лаборатории показал первую молекулярную сборочную линию. Четыре наноробота из ДНК шли по специально подготовленной поверхности, поднимая частицы золота и взаимодействия с ними, собираясь по мере движения в один из восьми конечных разных продуктов. Правда, конечным результатом была связка одной из восьми разных сочетаний ДНК и золотых частиц, но для доказательства концепции вполне сгодится.
Прогресс с тех пор не сбавляет темпы. Другие сборочные линии были созданы, но вместо того, чтобы пересобирать ДНК, они собирают воедино мелкие молекулы в более крупные и сложные структуры, которым можно найти новые применения. Молекулярные машины используются в лабораториях по всему миру, собирая и настраивая другие молекулы, создавая более мощные структуры, которые можно использовать для других целей.
От вымысла к реальности
Подводя итоги, можно отметить, что мы уже почти на месте. Но вместо того, чтобы получить безымянный рой наноботов, собирающих «серую слизь», в реальности молекулярное строительство более тонкое, структурированное и скромное. Потому, возможно, нет ничего удивительного в том, что сам Дрекслер немного поправил собственную гипотезу о будущем нанотехнологий. В книге 2013 года «Полное изобилие» он пишет о «микроблоках». Они, по его мнению, будут такими матрешками в мире молекулярной сборки, когда каскад тысяч крошечных роботизированных клеток будет создавать объекты на молекулярном уровне, пока не вырастет полноразмерный робот. Первые намеки на это мы наблюдаем на примере работы 3D-принтеров, которые, по сути, собирают объекты на молекулярном уровне.
Конечно, у этой растущей сложности появятся и свои проблемы — но, учитывая расстояние, которое мы прошли, эти препятствия не должны рассматриваться как непреодолимые. «Сама жизнь была бы невозможна без множества молекулярных машин в наших телах, которые работают в сложных условиях и с крайне небольшим количеством энергии, но выполняют сложнейшие задачи, борются с вирусами, движут мышцами, — объясняет профессор Чарльз Сайкс из Отделения химии Университета Тафтса. — Многие удивительные вещи возможны, это доказала природа. Единственное ограничение, как всегда, — это деньги». И с ним соглашаются все академики.
Конфиденциальность гарантирована